2018, Vol. 39
2. 上海空间推进研究所，上海 201112
2. Shanghai Institute of Space Propulsion, Shanghai 201112, China
20世纪70年代，Morozov A I等研制出第一台霍尔推力器，这种推力器通过放电室内的放电将原子电离成离子，在轴向电场和径向磁场的作用下离子得到加速并以很高的速度喷出从而产生推力[1~3]。霍尔推力器的特点是效率高，寿命长，比冲较高[4]。近年来NASA大力发展霍尔电推进系统，提出了高比冲、高功率、高效率、高推力、长寿命等五个要求[5]。
目前霍尔推力器系统主要应用于GEO卫星位置保持、GEO卫星轨道转移以及深空探测等方面[6]。2012年我国的实践9号携带了上海空间推进研究所研发的HET-40常规霍尔推力器，完成了在轨演示验证。2016年，北京控制工程研究所（502所）和哈尔滨工业大学联合研制的磁聚焦霍尔推力器完成世界首次卫星验证，这预示着我国霍尔电推进系统的日渐成熟。
霍尔推力器束流能够提供大量的信息来说明推力器的性能。目前的霍尔推力器束流诊断主要有探针法和光学诊断法两种。Langmuir探针、法拉第探针和阻滞能量分析仪（RPA）是最主要的几种探针诊断仪器，分别能得到电子温度分布、离子电流密度分布和束流发散角、束流区离子能量分布等参数[7~12]，将法拉第探针和RPA结合起来还能得到离子数密度分布[13]。发射光谱能够得到霍尔推力器束流的光发射谱线图，进而分析束流组分、腐蚀情况和电子温度等参数[14~16]。
在应用电推进系统的深空探测末期，航天器电源为电推力器提供的功率可能会下降。另外，未来GEO卫星以及全电推卫星上的电推力器在进行不同的航天任务时需求的功率差异较大，有些特定的任务可能要求推力器在小功率下工作，而通过缩小尺寸的方法来降低霍尔推力器的功率会存在比冲降低、效率下降、束流发散角过大等问题[17]。
为了解决上述问题，考虑将霍尔推力器在低于其额定功率情况下实现正常工作。一旦技术成熟，则可以用大尺寸的霍尔推力器来代替小尺寸霍尔推力器完成低功率的航天任务。本文使用额定功率为1350W的HET-80霍尔推力器在700W功率工况下进行束流诊断研究，判断此功率下霍尔推力器束流状态是否正常。
具体诊断方法为通过法拉第探针直接测量其离子电流密度，进而计算束流发散角；通过平面型Langmuir单探针得到推力器束流区域的电子温度、空间电位和离子数密度分布，结合RPA数据得到束流中心区等离子体能量，计算得到推力器加速效率；通过RPA对束流中心区域离子能量分布进行测量，结合法拉第测量结果得到轴向500mm束流中心区离子数密度；通过发射光谱测量推力器出口平面光谱线图，进而得到离子原子相对光强分布和出口平面电子温度分布。
实验选取额定功率1350W的HET-80霍尔推力器，进行700W功率工况下的束流诊断研究。整体诊断结果符合霍尔推力器束流基本特征。同时观察到了霍尔推力器束流诊断中出现的离子原子复合碰撞现象、CEX现象、平面型Langmuir单探针测离子数密度不准现象和出口区束流不对称现象。
2 实验测量原理介绍 2.1 法拉第探针测量原理本文采用自研的法拉第探针，是一个外部为保护环，内部为收集器的平面圆盘型结构，其中保护环的作用是屏蔽非轴向的低能离子[18]。
法拉第测量时需要给收集器和保护环加负偏置电压（一般为-30V），这样可以保证法拉第探针收集器屏蔽电子吸收轴向离子电流。将得到的离子电流除以收集面积就能得到霍尔推力器某个位置处的离子电流密度j。
将整个霍尔推力器束流截面看成一个圆截面，沿着半径r方向测量各个位置的电流密度j(r)，如式（1）所示通过电流密度的圆环积分即能得到整个霍尔推力器的束电流。其中j(r0)为测量圆截面正中心处r=0时的电流密度，Δr为两次测量的间隔距离，ri为测点到截面中心的距离。j(ri)为测点距离中心截面ri时的电流密度。
| $ I = 2{\rm{ \mathsf{ π} }} \times \Delta r\times \sum\limits_1^{\rm{ \mathsf{ π} }} {j\left( {{r_i}} \right) \cdot {r_i}} + {\rm{ \mathsf{ π} }} \times \Delta {r^2} \times j\left( {{r_0}} \right) $ | (1) |
束流发散角的测量示意图如图 1所示，其中r为90%束电流所占区域半径，L为法拉第探针收集面距离霍尔推力器出口截面的轴向距离，R为霍尔推力器出口截面的半径。探针的高度始终和霍尔推力器出口中心点处高度相同。
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Fig. 1 Schematic diagram of measuring beam divergence angle |
测量数据显示径向360mm处的电流密度小于中心处电流密度的1%，且径向距离大于600mm处的电流密度值与测试零漂相当（零漂主要来自-30V负偏置对CEX慢速离子的吸收作用），因此r>600mm的离子电流总量极小可忽略，以r≤600mm为本次束电流的计算范围。当探针与推力器中心轴向距离为r时，通过式（1）计算出来的束流量为探针距离推力器中心轴线600mm处束流总量的90%时，就可以运用式（2）来计算束流发散角（半角）。
| $ Y = \arctan \frac{{r - R}}{L} $ | (2) |
平面型Langmuir单探针通过测量电流电压信号来得到伏安特性曲线，单探针的伏安特性曲线分为三个区域：离子饱和区，过渡区和电子饱和区。进一步对曲线进行处理能得到电子温度、空间电位、离子饱和电流、悬浮电位等参数，具体处理方法见文献[19]。得到离子饱和电流后可以根据玻姆电流计算等离子体的离子浓度，具体公式见式（3）[20]。其中Ni为离子数密度，Isat为离子饱和电流，e为元电荷量，A为收集面积，CS为玻姆速度。
| $ {N_i} = \frac{{{I_{{\rm{sat}}}}}}{{aeA{C_{\rm{S}}}}}, {C_{\rm{S}}} = {\left( {\frac{{kTe}}{M}} \right)^{\frac{1}{2}}}, \alpha \approx 0.61 $ | (3) |
RPA也通过测量电流电压信号来得到伏安特性曲线，对伏安特性曲线进行微分得到离子能量分布函数，并且通过微分峰值确定离子的最大概然能量。结合法拉第测量得到的离子电流密度可以计算得到离子数密度，具体公式见式（4）。其中Ni为离子数密度，e为元电荷量，v1为霍尔推力器束流相应测点的轴向离子速度[13]。
| $ {N_i} = \frac{{j\left( {{r_i}} \right)}}{{e{v_1}}} $ | (4) |
等离子体光谱与等离子体中粒子的辐射跃迁有关，当各种粒子受到电子碰撞时会发生激发、激发分解等过程，产生激发基团，激发基团不稳定，很容易达到基态或者低能级的激发态，在这个过程中多余的能量以光的形式发射出来，形成发射光谱。
发射光谱测量仪器通过光纤收集霍尔推力器出口平面处光强，通过分光仪、光电倍增管、采集系统得到束流的发射光谱线强度，通过对比得到束流中原子、离子谱线强度的比值，使用Dr George Karabadzhak建立的计算模型得到电子温度[21]。
3 实验系统介绍 3.1 真空系统实验真空舱尺寸ϕ2.5×8m，工作真空3×10-3Pa，极限真空3×10-5Pa。
3.2 HET-80霍尔推力器使用额定功率为1350W的HET-80霍尔推力器进行700W功率工况下的束流诊断实验。实验工况参数和额定工况参数见表 1。
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Table 1 HET-80 hall thruster beam characteristics experiment in 700 watts of power condition and rated condition |
霍尔推力器束流诊断实验系统主要包括法拉第探针、平面型Langmuir单探针、RPA、发射光谱和相应的安装架、二维位移机构、外电路系统及数据采集仪等。测量时使用1kΩ的采样电阻，通过采集采样电阻两端的电压来得到法拉第探针、Langmuir探针和RPA收集器收集到的电流，通过光纤收集光信号来得到发射光谱线图。
因为霍尔推力器的束流沿推力器径向方向呈轴对称分布，所以测量半径方向的轴截面能得到整体束流的结果。法拉第离子电流密度诊断实验中的测量区域轴向方向设置4个测点，从300mm~600mm，径向方向设置30个测点，从0~600mm。从实验测量结果来看，径向600mm的范围基本包括整体束流区域，测点图如图 2所示。用测量得到的离子电流密度计算了轴向300mm位置的束流发散角。
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Fig. 2 Measuring point distribution of Faraday probe and side schematic diagram of optical fiber layout |
平面型Langmuir单探针电子温度诊断实验测量了轴向500mm处的结果，径向从0到800mm，每隔50mm设置一个测点。RPA测量了束流中心处500mm位置的离子能量分布。发射光谱测量了推力器出口平面位置光谱线图的径向分布和轴向0~50mm束流中心位置光谱线图的轴向分布，并得到了电子温度的变化情况。三个探针的布局如图 3所示，通过移动位移机构定位到网格节点。发射光谱光纤的布局示意图如图 2所示，光纤在霍尔推力器侧面进行测量，通过位移机构可以上下移动。
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Fig. 3 Diagnostic physical map of RPA, Faraday and Langmuir Probe |
测试结果显示离子电流密度为0.01~4.30mA/cm2，得到离子电流密度分布云图如图 4所示，轴向300mm位置径向分布如图 5所示。
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Fig. 4 Ion current density profile |
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Fig. 5 Ion current density radial distribution at axial 300mm position |
图 4中可以看出离子电流密度近场区域密集，远场区域稀疏，整体呈现出纺锤形分布。同时图 5显示束流中心区域的离子电流密度分布呈现了圆环形霍尔推力器典型的双峰结构。
根据式（1）和式（2）得到了轴向300mm位置HET-80霍尔推力器的束流发散半角，如表 2所示。
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Table 2 Calculation results of beam half divergence angle at axial 300mm position |
根据45°的发散半角计算了300~600mm位置束流区离子积分电流，如表 3所示。
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Table 3 Total integration current in beam area at axial 300mm~600mm position |
从理论上来说，推力器束电流是定值，所以每个平面积分束电流变化应小于10%（误差来源于距离推力器较远处等离子体扩散和中和效应）。如表 3所示，在300~400mm位置总积分电流变化很小，因而可以证明45°的发散半角符合实际。45°的发散半角也符合霍尔推力器正常的发散半角范围，可以认为在700W功率下HET-80霍尔推力器的发散半角正常。从图 4来看，500mm位置束流区域已经接近纺锤形结构的尾部，等离子体扩散和离子原子复合碰撞过程发生较多，导致束流区总积分电流下降。4.4节发射光谱测量的结果证明了束流中确实存在离子原子复合碰撞的现象。整体来看束流近场区的离子电流密度测量较准，得到了准确的束流发散角，远场区整体束流区离子电流会下降。
4.2 远场区电子温度和加速效率测量结果与分析利用平面型Langmuir单探针对轴向500mm处电子温度和空间电位的径向分布进行了诊断测量。其结果如图 6所示。
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Fig. 6 Radial distribution of electron temperature and space potential at axial 500mm |
从测量结果来看，中心区电子温度为2.92eV，和电流密度测量结果类似也出现了双峰结构。在径向500mm位置电子温度出现了局部上升的情况，这是由于在束流区边缘位置会存在比较剧烈的CEX碰撞，导致电子温度局部升高。因此从Langmuir探针测量结果能大致推测轴向500mm位置的束流区边缘正好是径向500mm位置。这一现象再一次印证了法拉第探针测量得到束流发散角45°较为准确。
利用RPA测量了轴向500mm位置推力器束流的离子能量分布，测量得到的离子能量分布图如图 7所示。测量结果显示，在中心区离子能量大致是215~309eV，最大概然离子能量是260eV。
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Fig. 7 Energy distribution at axial 500mm |
图 6显示中心区等离子体空间电位是12.62V，结合图 7 RPA测量得到的离子最大概然能量260eV，得到离子获得的加速能量为247eV。与放电电压310V进行对比，得到HET-80霍尔推力器的加速效率达79.6%，表明700W功率下也有较好的加速性能。
4.3 离子数密度测量结果与分析通过式（3）利用Langmuir探针对轴向500mm位置离子数密度进行计算，得到的结果如图 8所示。其中心区密度为5.1×1016m-3。
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Fig. 8 Radial distribution of ion number density at axial 500mm |
利用式（2）可以将法拉第测量得到的离子电流密度（500mm位置中心区域离子电流密为1.38mA/cm2）和RPA测量得到的最大概然速度结合起来得到离子数密度，本文计算得到的轴向500mm束流中心位置的离子数密度为4.41×1015m-3。与国外类似工况下霍尔推力器离子数密度的对比结果如表 4所示，结果基本符合该功率情况下霍尔推力器的离子密度值[22, 23]，表明700W功率下HET-80霍尔推力器束流离子数密度正常。相较于法拉第探针结合RPA测量得到的结果，Langmuir测量结果偏大。这是由于通过法拉第结合RPA测量得到的离子数密度是由电流密度和速度的比值得到的，模型简单且只有鞘层收集假设。通过Langmuir探针得到的离子数密度的计算模型存在诸多假设（例如需要满足准中性假设、离子电子速度符合麦克斯韦分布假设等），同时在等离子体密度低于1017m-3时其收集表面并不是其机械表面而是更大的鞘层表面积，而平面型Langmuir探针的收集面积是法拉第探针的9倍，导致测量结果偏大[21]。
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Table 4 Conditions and ion number density of various Hall thruster |
本文利用发射光谱测量了霍尔推力器出口平面处的离子和原子谱线图，如图 9所示。
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Fig. 9 Spectral line diagram at hall thruster exit plane |
发射光谱测量得到了氙离子谱线（XeⅡ）和氙原子谱线（XeⅠ）的相对光强数据。得到了460.3nm，484.4nm，529.2nm，541.9nm四根最强的一价氙离子谱线，同时得到了823.1nm和828.0nm两根较强的氙原子谱线。从图 10和图 11可以发现，波长为823nm的原子谱线和其他离子谱线的变化规律不同，图中负向区域离子/原子占比明显降低，明显看出束流在沿着空心阴极的径向方向是不对称的。这是因为HET-80霍尔推力器的空心阴极侧置于通道外部，正好处于光谱测试-120~-80的区域。由于阴极内的Xe电离率低于加速器，逸出后导致此处原子占比提高，从而干扰了束流对称性。
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Fig. 10 Radial distribution of the spectral line relative intensity at exit plane |
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Fig. 11 Radial distribution of the ratio of ions to atomic spectral line intensity |
如图 12所示，随着轴向距离的增加，离子占比越来越少，意味着离子和原子之间的复合碰撞进行得越来越充分，离子量越来越少，结合表 3的现象可以确定离子的复合碰撞导致积分电流随轴向距离增加而降低。
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Fig. 12 Axial distribution of the ratio of ions to atomic spectral line intensity |
利用823.1nm和828.0nm两根氙原子谱线的相对光强比值得到了电子温度的径向和轴向分布。如图 13和图 14所示，电子温度径向分布不均匀，空心阴极一端的电子温度较低。轴向0到50mm位置电子温度从6.2eV降低到4.1eV。出口处电子温度分布不均匀的原因是空心阴极作为电子源在此处逸出大量低能电子和部分未电离原子，导致此区域内电子温度降低。参考国内外文献中发射光谱测量霍尔推力器出口处电子温度测量结果[15, 20]，本文的发射光谱测量电子温度结果可信，可以认为700W功率下HET-80霍尔推力器束流电子温度值正常。
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Fig. 13 Radial distribution of electron temperature at exit plane |
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Fig. 14 Axial distribution of electron temperature in central |
本文整体诊断结果表明HET-80霍尔推力器在700W功率工况下运行良好，且在束流诊断过程中观察到了离子原子复合碰撞现象、CEX现象、平面型Langmuir单探针测离子数密度不准现象和出口区束流不对称现象。具体结论如下：
（1）轴向300mm~600mm位置电流密度范围是0.01~4.30mA/cm2，整体离子电流密度呈纺锤形结构，在束流区中心位置呈现双峰结构，符合霍尔推力器束流分布基本特征。轴向500mm位置中心区域电子温度为2.92eV，等离子体空间电位为12.62V，推力器出口平面轴向0~50mm位置电子温度是4.1~6.2eV，符合霍尔推力器电子温度范围。推力器出口位置束流分布不均匀，这是外部的空心阴极中和器导致的。轴向500mm位置束流中心区离子能量在215~309eV，最大概然离子能量为260eV。
（2）结合法拉第探针束流发散角计算结果和Langmuir探针在束流区边缘测量得到的CEX碰撞导致的电子温度上升现象，可以确定束流发散半角为45°。结合法拉第探针离子电流密度和RPA最大概然能量测量结果，计算得到轴向500mm位置束流中心区域离子数密度为4.41×1015m-3。结合Langmuir探针等离子体空间电位和RPA最大概然能量测量结果，得到离子能量为247eV，进一步得到推力器的加速效率为79.6%。上述诊断结果说明700W功率下霍尔推力器发散角正常、离子密度分布正常、且加速性能良好。
（3）实验中发现法拉第探针在轴向500，600mm位置测量得到的整体束电流较300，400mm位置测量结果偏小，通过发射光谱在束流出口位置的离子原子谱线强度分析，这是由于存在较多的离子原子复合碰撞造成的。由于束流区边缘存在强烈的CEX碰撞，在该区域平面型Langmuir单探针测量得到的电子温度有异常上升现象。平面型Langmuir单探针在等离子体密度低于1017m-3时测量得到的离子数密度数据不准确，可以使用法拉第探针结合RPA得到离子数密度，这种种方法得到的数据较为准确，后期可以用探针校准的方法去校准Languir探针。由于HET-80霍尔推力器的空心阴极附近原子占比明显增多，因而霍尔推力器出口处的束流是不对称的。
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