【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于航天等离子体推进，具体涉及一种航天推进器六硼化镧空心阴极侵蚀产物的光学在线监测装置及发射体寿命快速评估方法。
技术介绍
1、随着电推进装置在空间推进领域的快速发展，空心阴极已广泛应用于电推进系统。在离子推进器和霍尔推进器中，空心阴极主要作为电子源中和推力器的等离子体羽流，使其保持电中性，或提供原初电子帮助推力器成功启动，是电推进的单点失效串联组件，其寿命长短更是决定电推力器长寿命和高可靠性的主要因素。
2、用于空间推进的推进器需要长时间运行，通常超过10000小时，针对这些应用的需求，长寿命的空心阴极至关重要。而空心阴极的工作过程是一个包括电场、磁场、热场和流场耦合的多物理过程，内部的等离子体环境具有高低温交变、高电流密度和高密度等离子体轰击等特点。因此空心阴极的寿命主要受限于加热丝蒸发失效、钨顶孔扩孔侵蚀以及发射体溅射侵蚀失效等。
3、以往对空心阴极寿命的研究通常需要在高真空设备中进行长时间且非常昂贵的寿命评估试验，依靠测量壁面轮廓侵蚀来确定阴极关键部件的侵蚀速率，进而对空心阴极的寿命进行预示和评估，通常这种寿命试验周期为2-3年，成本高达千万量级，而且技术风险高测量精度低，这极大地耗费了人力和财力。因此开发一种在相对较短的时间内以相当低的成本确定侵蚀速率的替代方法是非常有必要的，也是当前电推进领域迫切需求的。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种航天推进器六硼化镧空心阴极侵蚀产物的光学在线监测装置及发射体寿命快速评估方法，针对以往长时间高昂
2、本专利技术通过以下技术方案实现：
3、一种航天推进器六硼化镧空心阴极侵蚀产物的光学在线监测装置，所述光学在线监测装置包括密封箱、空心阴极、空心阴极钨顶孔、加热丝、支架、氩气、发射体、钨顶、光学探头ⅰ、光学探头ⅱ、光学探头ⅲ、滤波片ⅰ、滤波片ⅱ、滤波片ⅲ和触持极；
4、所述钨顶插入出空心阴极钨顶孔，所述空心阴极的一端延伸触持极，所述钨顶设置在支架的出口，所述支架内充入氩气，所述支架内框设置发射体，所述支架外框设置加热丝，所述钨顶的孔沿轴线方向安置光学探头ⅰ，所述空心阴极钨顶孔垂直于轴线方向设置光学探头ⅱ和光学探头ⅲ；
5、所述光学探头ⅰ上设置滤波片ⅰ，所述光学探头ⅱ上设置滤波片ⅱ，所述光学探头ⅲ上设置滤波片ⅲ。
6、进一步的，所述滤波片ⅰ为近紫外窄带滤光片，所述滤波片ⅱ和滤波片ⅲ为近红外窄带滤光片。
7、进一步的，所述光学探头ⅰ、光学探头ⅱ和光学探头ⅲ分别连接一个光谱仪，所述光谱仪与上位机相连接。
8、一种航天推进器六硼化镧空心阴极侵蚀产物的光学在线监测装置的发射体寿命快速评估方法，所述评估方法利用如上述的光学在线监测装置，所述评估方法具体包括以下步骤：
9、步骤一、在空心阴极正常工作的状态下，利用发射光谱实时在线监测的方法，通过在空心阴极钨顶孔沿轴线方向安置光学探头ⅰ，对羽流出口区的主要侵蚀产物硼原子进行在线监测辨别，识别硼原子的发射谱线；
10、步骤二、同样的方式利用布置在空心阴极钨顶孔垂直于轴线方向的光学探头ⅱ和光学探头ⅲ采集阴极正常工作状态下工质气体氩的两条发射谱线；
11、步骤三、通过氩的两条发射谱线，构建氩的简单碰撞辐射模型，通过谱线比的方式确定等离子体中的电子温度 te；
12、步骤四、选择硼的合适谱线，构建硼的简单碰撞辐射模型，进一步联合氩的日冕模型，通过氩硼谱线比的方式确定硼原子的气相密度；
13、步骤五、联合空心阴极内部的气体流速v和计算出的侵蚀产物硼原子的气相密度，对发射体的侵蚀速率进行计算，进而对发射体寿命进行预估。
14、进一步的，所述步骤一的光学探头ⅰ为配有近紫外窄带滤光片的光学探头，安置在空心阴极钨顶孔出口方向的轴线上，所述步骤二的光学探头ⅱ和光学探头ⅲ为配有近红外窄带滤光片的光学探头，安置在垂直于空心阴极钨顶口出口方向的轴线上，实现对特定波长谱线的采集。
15、进一步的，所述步骤三中利用氩日冕模型，通过谱线比的方式确定等离子体中电子温度 te具体为，利用所布置的光学探头ⅱ和光学探头ⅲ分别监测氩等离子体中波长为750.386nm和751.040nm的氩原子谱线的光强 i1和 i2，计算谱线比 r1：
16、
17、计算等离子体温度 te：
18、
19、其中为两条氩谱线上的能级差， l为谱线长度， n为等离子密度。
20、进一步的，所述步骤四中的硼的简单碰撞辐射模型，即日冕模型中只考虑基态原子的电子碰撞激发过程和激发态原子的自发辐射过程，在等离子体稳态的情况下建立粒子的速率平衡方程：
21、
22、其中，其中，为电子密度，为氩原子密度，为氩2p1能级的激发速率系数，为氩2p5能级的激发速率系数，为氩的爱因斯坦发射系数，为激发态氩2p5能级的原子密度，为激发态氩2p1能级的原子密度， i1和 i2为氩等离子体中波长为750.386nm和751.040nm的氩原子谱线的光强。
23、进一步的，所述步骤四中联合氩和硼日冕模型，通过谱线比的方式确定等离子体中硼原子密度的具体为，利用所布置的光学探头ⅰ对羽流出口区的主要侵蚀产物硼原子249.676nm跃迁谱线在线监测光强 i2，同时利用所布置的光学探头ⅱ监测氩等离子体中波长为750.386nm的氩原子谱线的光强 i1，计算谱线比 r2：
24、
25、其中为氩谱线和硼谱线的能级差，，为激发态氩能级的原子密度， p为空心阴极内部氩气的压强， r为理想气体常数， t为空心阴极内部氩气的热力学温度；
26、代入计算谱线比 r2的参数，计算硼原子的气相密度：
27、。
28、进一步的，所述步骤五中，对发射体的侵蚀速率进行计算具体为，联合空心阴极内部的气体平均流速和以上计本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种航天推进器六硼化镧空心阴极侵蚀产物的光学在线监测装置，其特征在于，所述光学在线监测装置包括密封箱（1）、空心阴极（15）、空心阴极钨顶孔（2）、加热丝（3）、支架（4）、氩气（5）、发射体（6）、钨顶（7）、光学探头Ⅰ（8）、光学探头Ⅱ（9）、光学探头Ⅲ（10）、滤波片Ⅰ（11）、滤波片Ⅱ（12）、滤波片Ⅲ（13）和触持极（14）；
2.根据权利要求1所述的光学在线监测装置，其特征在于，所述滤波片Ⅰ（11）为近紫外窄带滤光片，所述滤波片Ⅱ（12）和滤波片Ⅲ（13）为近红外窄带滤光片。
3.根据权利要求1所述的光学在线监测装置，其特征在于，所述光学探头Ⅰ（8）、光学探头Ⅱ（9）和光学探头Ⅲ（10）分别连接一个光谱仪，所述光谱仪与上位机相连接。
4.一种航天推进器六硼化镧空心阴极侵蚀产物的光学在线监测装置的发射体寿命快速评估方法，其特征在于，所述评估方法利用如权利要求1所述的光学在线监测装置，所述评估方法具体包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述光学在线监测装置的发射体寿命快速评估方法，其特征在于，所述步骤一的光学探头Ⅰ（8）为
6.根据权利要求4所述光学在线监测装置的发射体寿命快速评估方法，其特征在于，所述步骤三中利用氩日冕模型，通过谱线比的方式确定等离子体中电子温度Te具体为，利用所布置的光学探头Ⅱ（9）和光学探头Ⅲ（10）分别监测氩等离子体中波长为750.386nm和751.040nm的氩原子谱线的光强I1和I2，计算谱线比R1：
7.根据权利要求4所述光学在线监测装置的发射体寿命快速评估方法，其特征在于，所述步骤四中的硼的简单碰撞辐射模型，即日冕模型中只考虑基态原子的电子碰撞激发过程和激发态原子的自发辐射过程，在等离子体稳态的情况下建立粒子的速率平衡方程：
8.根据权利要求7所述光学在线监测装置的发射体寿命快速评估方法，其特征在于，所述步骤四中联合氩和硼日冕模型，通过谱线比的方式确定等离子体中硼原子密度的具体为，利用所布置的光学探头Ⅰ（8）对羽流出口区的主要侵蚀产物硼原子249.676nm跃迁谱线在线监测光强I2，同时利用所布置的光学探头Ⅱ（9）监测氩等离子体中波长为750.386nm的氩原子谱线的光强I1，计算谱线比R2：
9.根据权利要求8所述光学在线监测装置的发射体寿命快速评估方法，其特征在于，所述步骤五中对发射体的侵蚀速率进行计算具体为，联合空心阴极内部的气体平均流速和以上计算出的侵蚀产物硼原子的气相密度，提出下式表示对发射体的侵蚀速率Q：
10.根据权利要求4所述光学在线监测装置的发射体寿命快速评估方法，其特征在于，所述空心阴极（15）为以六硼化镧为发射体的氩工质空心阴极。
...【技术特征摘要】
1.一种航天推进器六硼化镧空心阴极侵蚀产物的光学在线监测装置，其特征在于，所述光学在线监测装置包括密封箱（1）、空心阴极（15）、空心阴极钨顶孔（2）、加热丝（3）、支架（4）、氩气（5）、发射体（6）、钨顶（7）、光学探头ⅰ（8）、光学探头ⅱ（9）、光学探头ⅲ（10）、滤波片ⅰ（11）、滤波片ⅱ（12）、滤波片ⅲ（13）和触持极（14）；
2.根据权利要求1所述的光学在线监测装置，其特征在于，所述滤波片ⅰ（11）为近紫外窄带滤光片，所述滤波片ⅱ（12）和滤波片ⅲ（13）为近红外窄带滤光片。
3.根据权利要求1所述的光学在线监测装置，其特征在于，所述光学探头ⅰ（8）、光学探头ⅱ（9）和光学探头ⅲ（10）分别连接一个光谱仪，所述光谱仪与上位机相连接。
4.一种航天推进器六硼化镧空心阴极侵蚀产物的光学在线监测装置的发射体寿命快速评估方法，其特征在于，所述评估方法利用如权利要求1所述的光学在线监测装置，所述评估方法具体包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述光学在线监测装置的发射体寿命快速评估方法，其特征在于，所述步骤一的光学探头ⅰ（8）为配有近紫外窄带滤光片的光学探头，安置在空心阴极钨顶孔（2）出口方向的轴线上，所述步骤二的光学探头ⅱ（9）和光学探头ⅲ（10）为配有近红外窄带滤光片的光学探头，安置在垂直于空心阴极钨顶口出口方向的轴线上，实现对特定波长谱线的采集。
6.根据权利要求4所述光学在线监测装置的发射体寿命...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱悉铭，郑博文，康永琦，贾军伟，常猛，董学江，李耀，于达仁，赵东兴，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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