离子推力器羽流测量E×B探针设计及误差分析

　　1 引 言

　　E×B 探针又称为威恩过滤器( Wien filter) , 是质谱仪器, 作为速度过滤器可以根据离子速度分离不同荷电状态离子。在电推进研究中主要用于测量羽流中双荷离子比例。离子推力器羽流等离子体中的离子主要是单电荷离子, 同时存在一定比例的双电荷离子。由于经历的加速电压相同, 双电荷氙离子的能量是单电荷氙离子的两倍, 对航天器危害较大, 同时影响离子推力器产生的推力以及推力器的寿命。在电推进系统研究中开展羽流双电荷离子比例的测量具有重要的意义。

　　2 E×B 探针结构与测量原理

　　E×B 探针结构如图 1 所示。探针主要由准直套、电磁场区、飘移管、离子接收器组成。经准直套进入电磁场区的离子速度方向平行于探针轴线。电场和磁场为均匀电场和磁场, 二者相互正交, 且分别与离子速度方向正交。离子受到电场力和洛仑兹力的作用, 2个力方向相反, 合力由式( 1) 表示

　　式中 e 为电子电量; qi为离子所带的电荷数; vi表示离子的速度。对于给定速度的离子可以调节两电极板间电压差使离子受力为零, 离子不改变方向地通过电磁场区, 被离子接收器接收形成探针电流。此时由式( 1) 可知, 离子速度满足式( 2)

　　对于离子推力器羽流中的离子, 所经历的加速电压相同, 不同荷电状态的离子具有不同速度。应用 E×B探针可以分离不同荷电状态的离子, 通过探针电流可以计算出双荷离子比例。用 Vi表示加速电压; Mi表示离子质量; VP表示探针两电极板间电压差; d 表示两电极板间距; vi表示离子的速度; e 为电子电量; qi为离子所带的电荷数, 则有

　　由式( 2) ~( 4) 可得

　　式( 5) 是离子加速电压 Vi与 E×B 探针电极板扫描电压 VP之间的关系式。

　　3 E×B 探针设计与测量误差分析

　　3.1 E×B 探针的分辨率^[1]

　　理想情况下, 经准直套进入 E×B 探针电磁场区的离子方向平行于探针轴线。同一种速度的离子被探针收集形成探针电流对应的电极板扫描电压为一个确定值。实际上, 由于探针准直套的入口和出口小孔具有一定尺寸, 故进入探针电磁场区的离子速度方向并不全是平行于探针轴线, 部分离子的方向与探针轴线存在一定夹角( 一般很小) 。因此, 对应同一种速度( 大小相同) 的离子被 E×B 探针收集形成探针电流时, 电极板扫描电压具有一定宽度, 如图 2 所示。E×B 探针的分辨率就用探针电极板扫描电压宽度, 即 2 W 表示。