隨著人類(lèi)對(duì)外太空環(huán)境認(rèn)識(shí)的不斷深入，電推進(jìn)已成為通向未知空間領(lǐng)域的重要技術(shù)途徑�？臻g電推進(jìn)對(duì)航天器防護(hù)結(jié)構(gòu)、能源系統(tǒng)、敏感有效載荷系統(tǒng)均產(chǎn)生不同影響。介紹了基于阻滯勢(shì)分析儀的電推進(jìn)等離子體參數(shù)探測(cè)方法，通過(guò)阻滯勢(shì)分析儀研制和相應(yīng)的地面模擬實(shí)驗(yàn)，計(jì)算得到了推力器40cm處的粒子能量、離子密度和離子溫度等參數(shù)，相關(guān)研究為我國(guó)電推進(jìn)航天器的深空應(yīng)用和發(fā)展提供技術(shù)參考。

0、引言

　　阻滯勢(shì)分析儀(RetardingPotentialAnalyzer，RPA)是一種用于探測(cè)低能帶電粒子的儀器，主要功能是分析小于100eV的離子能量。而深空電推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的空間等離子體環(huán)境中，離子能量一般小于100eV。電推進(jìn)帶電離子羽流環(huán)境嚴(yán)重改變航天器周?chē)�的等離子體環(huán)境，造成諸如衛(wèi)星表面帶電、沉積污染、干擾力矩、電磁干擾等一系列效應(yīng)。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始發(fā)展阻滯勢(shì)分析儀技術(shù)，將其廣泛應(yīng)用于空間等離子體探測(cè)領(lǐng)域。美國(guó)在空間和地面上的各種等離子體實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用阻滯勢(shì)分析儀探測(cè)空間離子的能量分布，如在軌地球物理觀測(cè)衛(wèi)星系列、氣象探索衛(wèi)星，海盜號(hào)火星探測(cè)器、先鋒號(hào)金星探測(cè)器，極軌環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)等，都采用了阻滯勢(shì)分析儀及相關(guān)的探測(cè)技術(shù)。

　　總之，阻滯勢(shì)分析儀無(wú)論在空間環(huán)境科學(xué)探測(cè)領(lǐng)域，還是在航天工程應(yīng)用領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。針對(duì)深空電推進(jìn)系統(tǒng)返流區(qū)域離子，開(kāi)展了離子能量、離子速度和離子溫度探討，設(shè)計(jì)了一種四層“漢堡包冶結(jié)構(gòu)的阻滯勢(shì)分析儀，試驗(yàn)分析電推力器返流區(qū)域的離子能量分布及參數(shù)狀況。

1、阻滯勢(shì)分析儀的結(jié)構(gòu)原理

　　阻滯勢(shì)分析儀的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)漢堡包微弱電流收集結(jié)構(gòu)，內(nèi)部包含入口柵極、初級(jí)電子阻擋柵極、離子能量掃描柵極和二次電子阻擋柵極等四層?xùn)啪W(wǎng)電極，達(dá)到對(duì)帶電粒子阻滯分析的測(cè)量目的，收集極收集離子電流。阻滯勢(shì)分析儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 阻滯勢(shì)分析儀結(jié)構(gòu)圖

1.外殼；2.入口柵極；3.初級(jí)電子阻欄柵極；4.離子能量掃描柵極；5.二次電子阻擋柵極；6.收集極；7.電流收集測(cè)試

　　(1)入口柵極

　　入口柵極將阻滯勢(shì)分析儀內(nèi)部與外部空間隔離開(kāi)來(lái)。通過(guò)入口柵極后，等離子體密度將由空間等離子體密度變成阻滯勢(shì)分析儀內(nèi)部等離子體密度。對(duì)于阻滯勢(shì)分析儀，由于存在空間電荷效應(yīng)，因而對(duì)進(jìn)入阻滯勢(shì)分析儀內(nèi)部的等離子體密度有限制；當(dāng)被測(cè)等離子體密度較高時(shí)，可采用雙層入口柵極結(jié)構(gòu)大幅度降低等離子體密度。

　　(2)初級(jí)電子阻擋柵極

　　初級(jí)電子阻擋柵極施加特定負(fù)偏置電壓，可排斥掉所有返流區(qū)等離子體中的電子，通過(guò)該柵后，進(jìn)入阻滯勢(shì)分析儀后的粒子均為離子。

　　(3)離子掃描柵極

　　給離子掃描柵極施加可變正偏置電壓，實(shí)現(xiàn)有選擇性地過(guò)濾離子。對(duì)于給定的柵極勢(shì)，只有能荷比(E/q)大于柵極電壓的離子才能通過(guò)該柵到達(dá)收集極。

　　(4)二次電子阻擋柵極

　　要用于阻擋來(lái)源于離子與收集極之間碰撞產(chǎn)生的二次發(fā)射電子。阻滯勢(shì)分析儀通過(guò)給柵網(wǎng)上施加電壓，濾除電子和低于特定能量的離子；收集大于特定能量的離子電流。為了減小對(duì)被測(cè)等離子體的干擾，入口柵處于懸浮狀態(tài)；初級(jí)電子阻擋柵處于負(fù)偏置狀態(tài)以阻止電子通過(guò)；離子掃描柵通過(guò)掃描電源使其處于正偏置狀態(tài)，可以有效阻滯能量小于偏置電勢(shì)的離子，使得只有能量大于偏置電勢(shì)的離子通過(guò)，從而達(dá)到篩選離子的目的；二次電子阻擋柵極處于比收集極電勢(shì)低的負(fù)偏置狀態(tài)，這樣可以使得離子和收集極表面碰撞產(chǎn)生的二次電子回到收集極，消除二次電子電流帶來(lái)的干擾。

4、結(jié)論

　　設(shè)計(jì)了阻滯勢(shì)分析器，利用該設(shè)備對(duì)推力器返流區(qū)的離子能量分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究了距推力器束流平面出口中心位置40cm處，推力器正常實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下的離子能量參數(shù)分布、離子密度和溫度等，得如下結(jié)論:

　　(1)阻滯勢(shì)分析儀測(cè)試曲線(xiàn)與理論曲線(xiàn)趨勢(shì)一致；測(cè)試后認(rèn)為推力器返流區(qū)離子主要為電荷交換碰撞產(chǎn)生的低能量離子，離子能量小于10eV；

　　(2)經(jīng)阻滯勢(shì)分析儀測(cè)試，與束流中心相比推力器返流區(qū)離子密度非常低，在105個(gè)/立方厘米量級(jí)，離子溫度在104K量級(jí)。

　　(3)經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，阻滯勢(shì)分析器設(shè)計(jì)滿(mǎn)足深空環(huán)境衛(wèi)星返流區(qū)等離子體能量、離子密度及溫度的測(cè)試需求，再適當(dāng)設(shè)計(jì)改進(jìn)后，可飛行搭載，獲取衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)。