本發(fā)明屬于航天儀器領(lǐng)域，具體涉及對電推力器中空心陰極腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行實時定性和定量分析的光學(xué)監(jiān)測技術(shù)。

背景技術(shù)：

電推力器包括霍爾推力器和離子推力器，空心陰極是霍爾推力器和離子推力器的核心部件，空心陰極產(chǎn)生電子對推進(jìn)劑進(jìn)行電離并中和羽流。空心陰極的壽命決定了整個系統(tǒng)的可靠性，對空心陰極腐蝕產(chǎn)物和腐蝕速度的實時監(jiān)測至關(guān)重要。

空心陰極羽流區(qū)均為低溫等離子體，主要成分為推進(jìn)劑成分xe或kr和腐蝕產(chǎn)物硼、鑭、鎢、鉭、鋇、鉬。腐蝕產(chǎn)物的發(fā)射光譜波長范圍落在紫外和可見光段。羽流區(qū)中xe或kr是主要成分，攜帶的腐蝕產(chǎn)物含量較少，腐蝕產(chǎn)物的譜線相比于推進(jìn)劑譜線強(qiáng)度較弱?？招年帢O放電的不穩(wěn)定性導(dǎo)致羽流區(qū)波動，繼而羽流等離子區(qū)發(fā)射光譜不恒定。綜合上述原因，腐蝕產(chǎn)物的光譜測量難度較大，為了實現(xiàn)對腐蝕產(chǎn)物光譜的實時測量需要系統(tǒng)快速的采集光譜，同時具有高靈敏度和大的可測量動態(tài)范圍。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了滿足電推力器空心陰極腐蝕產(chǎn)物的監(jiān)測需求，從而提供一種電推力器空心陰極腐蝕產(chǎn)物的光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)。

本發(fā)明所述的一種電推力器空心陰極腐蝕產(chǎn)物的光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)，包括窄帶干涉濾波片陣列、光纖陣列模塊、光電倍增管陣列、多通道時間門控計數(shù)器和高壓電源；

窄帶干涉濾波片陣列面向羽流區(qū)，羽流區(qū)輻射光經(jīng)窄帶干涉濾波片陣列濾波后入射至光纖陣列模塊，窄帶干涉濾波片陣列包括多個窄帶干涉濾波片，光纖陣列模塊包括多根光纖，多根光纖的入射端與多個窄帶干涉濾波片一一對應(yīng)，光電倍增管陣列包括多個光電倍增管，多根光纖出射的光分別入射至多個光電倍增管的光信號接收端，多通道時間門控計數(shù)器的多個通道分別對多個光電倍增管的電信號進(jìn)行計數(shù)；高壓電源用于為光電倍增管陣列供電。

優(yōu)選的是，所述窄帶干涉濾波片陣列包括6個窄帶干涉濾波片。

優(yōu)選的是，還包括溫度控制模塊，溫度控制模塊用于使光電倍增管陣列保持在恒定的溫度。

本發(fā)明的光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)同時具有高靈敏度和高時間分辨能力，時間分辨能力能夠達(dá)到5ns，可以測量的腐蝕產(chǎn)物濃度(即腐蝕產(chǎn)物在工作氣體中的密度比例)可以低至1ppm(百萬分之一)，而且可測量的光譜動態(tài)范圍(即能測量的最強(qiáng)和最弱的光強(qiáng)的比)可以高達(dá)6個數(shù)量級，可用于采集微弱的快速變化且不重復(fù)的光譜信號，系統(tǒng)中大部分元件外置到真空罐外，可以快速、非接觸地獲得陰極的腐蝕產(chǎn)物信息。

附圖說明

圖1是具體實施方式一所述的一種電推力器空心陰極腐蝕產(chǎn)物的光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是具體實施方式一中的光纖陣列模塊的輻射光入口端的橫截面示意圖；

圖3是具體實施方式一中的光纖陣列模塊的輻射光出口端的橫截面示意圖；

圖4是具體實施方式一中的窄帶干涉濾波片陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是具體實施方式一中的光電倍增管陣列的示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結(jié)合圖1至圖5具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種電推力器空心陰極腐蝕產(chǎn)物的光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)，包括窄帶干涉濾波片陣列10、光纖陣列模塊20、光電倍增管陣列30、多通道時間門控計數(shù)器40和高壓電源50；

窄帶干涉濾波片陣列10面向羽流區(qū)，羽流區(qū)輻射光經(jīng)窄帶干涉濾波片陣列10濾波后入射至光纖陣列模塊20，窄帶干涉濾波片陣列10包括多個窄帶干涉濾波片，光纖陣列模塊20包括多根光纖，多根光纖的入射端與多個窄帶干涉濾波片一一對應(yīng)，光電倍增管陣列30包括多個光電倍增管，多根光纖出射的光分別入射至多個光電倍增管的光信號接收端，多通道時間門控計數(shù)器40的多個通道分別對多個光電倍增管的電信號進(jìn)行計數(shù)；高壓電源50用于為光電倍增管陣列30供電。

光譜分析技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用對空心陰極的腐蝕產(chǎn)物監(jiān)測提供了一種可行途徑，本實施方式采用光譜分析技術(shù)。

空心陰極工作在真空罐內(nèi)，測量設(shè)備內(nèi)置，元件易受到等離子體轟擊腐蝕破壞其靈敏度，如果將設(shè)備外置輻射光通過真空罐觀察玻璃時會受到干擾，導(dǎo)致測量結(jié)果的偏差。本實施方式中只需將直接接收輻射光的窄帶干涉濾波片陣列10置于真空罐中即可。

圖1中s為羽流區(qū)。每根光纖入口處設(shè)有一個透射特定波長的干涉濾波片，特定波長的波段選擇依據(jù)羽流區(qū)中夾帶的腐蝕產(chǎn)物的發(fā)射波長而定。多根光纖收集傳遞不同波長的單色光，光纖另一端出射的光分別入射至光電倍增管陣列30的多個光電倍增管，這樣就可以將每個窄帶干涉濾波片收集到特定波長的輻射光通過光纖傳遞給光電倍增管。多通道時間門控計數(shù)器40與多個光電倍增管30電連接使得本系統(tǒng)具有納秒級的信息采集和分析速度。單通道計數(shù)器只能實現(xiàn)光電流模擬信號的采集，而用多通道時間門控計數(shù)器能實現(xiàn)的數(shù)字信號的光子計數(shù)模式，其靈敏度要高得多。

光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)的工作過程為：窄帶干涉濾波片陣列10受到光源照射，每個窄帶干涉濾波片得到特定腐蝕產(chǎn)物的輻射光，光纖陣列20中的每根光纖收集特定波長的輻射光。每根光纖分別連接不同光電倍增管將不同波長的光譜信號傳遞至不同的光電倍增管，一個光電倍增管對應(yīng)一種腐蝕產(chǎn)物，通過多通道時間門控計數(shù)器40得到多種腐蝕產(chǎn)物的光譜信息。從而獲得腐蝕產(chǎn)物類型、各類型腐蝕產(chǎn)物的生成速度等信息。

采用質(zhì)譜儀對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行測量，無法實現(xiàn)實時監(jiān)測，而且質(zhì)譜儀的時間分辨能力只是μs量級，可以測量的腐蝕產(chǎn)物濃度只能低至千分之，光可測量的光譜動態(tài)范圍僅為3個數(shù)量級。

具體實施方式二：本實施方式是對具體實施方式一所述的種電推力器空心陰極腐蝕產(chǎn)物的光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)作進(jìn)一步說明，本實施方式中，所述窄帶干涉濾波片陣列10包括6個窄帶干涉濾波片。

空心陰極的主要腐蝕產(chǎn)物為硼、鑭、鎢、鉭、鋇、鉬，其對應(yīng)的波長分別為249nm、392nm、400nm、271nm、253nm、313nm。因此采用6個獨(dú)立的光路就能對完成空心陰極的主要腐蝕產(chǎn)物的測量。

具體實施方式三：本實施方式是對具體實施方式一或二所述的種電推力器空心陰極腐蝕產(chǎn)物的光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)作進(jìn)一步說明，本實施方式中，還包括溫度控制模塊60，溫度控制模塊60用于使光電倍增管陣列30保持在恒定的溫度。

溫度控制模塊60用于在進(jìn)行光譜測量時將光電倍增管陣列維持在恒定的低溫環(huán)境，從而消除溫度對光電倍增管陣列30的影響，提高測量的精度和可靠性。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
一種電推力器空心陰極腐蝕產(chǎn)物的光學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)，屬于航天儀器領(lǐng)域。為了滿足電推力器空心陰極腐蝕產(chǎn)物的監(jiān)測需求。本發(fā)明的窄帶干涉濾波片陣列面向羽流區(qū)，羽流區(qū)輻射光經(jīng)窄帶干涉濾波片陣列濾波后入射至光纖陣列模塊，窄帶干涉濾波片陣列包括多個窄帶干涉濾波片，光纖陣列模塊包括多根光纖，多根光纖的入射端與多個窄帶干涉濾波片一一對應(yīng)，光電倍增管陣列包括多個光電倍增管，多根光纖出射的光分別入射至多個光電倍增管的光信號接收端，多通道時間門控計數(shù)器的多個通道分別對多個光電倍增管的電信號進(jìn)行計數(shù)，高壓電源用于為光電倍增管陣列供電。本發(fā)明適用于監(jiān)測空心陰極腐蝕產(chǎn)物。

技術(shù)研發(fā)人員：朱悉銘;寧中喜;韓星;劉晨光;孟圣峰;王彥飛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.06.05
技術(shù)公布日：2017.10.03