[发明专利]一种基于瞬态光学测温的空心阴极小孔热沉功率测量方法

说明书

本发明公开了一种基于瞬态光学测温的空心阴极小孔热沉功率测量方法，包括以下步骤：步骤一、对阴极底座进行隔热处理；步骤二、测得不同热源温度T下的热容等效系数B(T)，及除小孔热沉外其他热源对温升速率的贡献比例F₁(T)，步骤三、正常阴极点火，得到正常阴极点火时的温升速率ν_T,tn，及辐射热损失功率；步骤四、根据下式得到不同热源温度T下的小孔热沉功率Q_2,tn(T)，Q_2,tn(T)＝[1‑F₁(T)^‑1]MC_pν_T,tn+Q_loss,tn(T)。本发明适用于测量空心阴极小孔热沉功率。

技术领域

本发明涉及一种基于瞬态光学测温的空心阴极小孔热沉功率测量方法。

背景技术

等离子体推进(电推进)技术是航天领域内一种非常有前景的能源动力技术。相比于传统的压缩空气推进、化学推进，等离子体推进的比冲高出1-2个数量级，可以成数量级的减少推进剂的携带量，因此极大的提高航天器的有效载荷量，及延长航天器的服役寿命。使用等离子体推进装置开展深空探测、同步卫星位置保持等航天任务已经成为国际同行的共识，并在快速普及。

等离子体放电需要有值班电子源来维持，因此所有等离子体推进装置都必须搭载空心阴极作为子部件。实际上，空心阴极内部存在一个独立的放电过程，实验发现，该局部放电会干扰外部的放电过程，从而对整机性能和寿命产生很大影响。简言之，阴极的性能退化会导致整机性能退化，因此空心阴极的稳定性和寿命监测有重要意义。

阴极的主要失效点有三个：发射体、小孔、触持极。其中，小孔尺寸和形貌决定了高密度电子发射最关键的三个条件：气体节流效应、气体电离和自持加热，因此对阴极内部放电的影响最大。但是，由于小孔尺寸太小(直径小于1mm，长度小于5mm)，内部的等离子体物理过程基本上无法通过实验进行研究，因此这个最关键的部位实际上是没有监测手段的。

从阴极“自加热”的特征出发，可以注意到小孔内等离子体热沉功率是小孔内物理过程的一个中间参量，可以用来表征诸如热蒸发、溅射腐蚀等关键过程的强弱，因此可以作为一个监测量。然而，现有技术无法测量小孔热沉功率。

发明内容

本发明的目的是为了满足小孔热沉功率的测量需求，从而提供一种基于瞬态光学测温的空心阴极小孔热沉功率测量方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于瞬态光学测温的空心阴极小孔热沉功率测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、对阴极底座进行隔热处理；

步骤二、采用热子加热阴极，保证不产生等离子体放电，测得小孔的温升曲线；由温升曲线得到温升速率和热损失项，根据热子加热功率、温升速率和热损失项得到不同热源温度T下的热容等效系数B(T)，B(T)＝MC_p，通过以下公式得除小孔热沉外其他热源对温升速率的贡献比例F₁(T)：

其中，Q_1,tn为第n时刻的热子加热功率，M为阴极的等效质量，C_p为阴极热容，v'_T,tn为热子加热时第n时刻的温升速率；

步骤三、阴极点火，测得小孔的温升曲线，由温升曲线得到阴极点火时的温升速率v_T,tn，将第n时刻的热损失功率Q_loss,tn(T)近似为辐射热损失功率，通过以下公式得到辐射热损失功率Q_{loss,radiation}(T)：

Q_{loss,radiation}(T)＝Aσ(T⁴-T₁⁴)，