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与流程

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。

技术实现要素：

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)，

其中，A为小孔外表面辐射面积，σ为玻尔兹曼常量，σ＝5.67×10^-8W/(m²K)，T₁为背景环境温度；

步骤四、将步骤二得到的热容等效系数B(T)和除小孔热沉外其他热源对温升速率的贡献比例F₁(T)，及步骤三得到的v_T,tn和热损失功率Q_loss,tn(T)代入下式，通过以下公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)]MC_pv_T,tn+Q_loss,tn(T)。

优选地，对阴极底座进行隔热处理的方式为在阴极底座处安装隔热材料或将阴极底座悬空。

测量小孔热沉功率的主要问题是空间太小，接触式测量无法实现，而另一方面，非接触式测量通常只能测温度，不能测热流。本发明采用非接触式测量温升曲线，由传热方程反推小孔热沉功率：反推加热功率。式中，Q_in是等离子体对小孔壁面的加热功率即小孔热沉功率；M为阴极的等效质量；C_p为阴极热容；是温升速率；Q_loss是热损失功率。可以看出，对于任意物体，如果可以实时监视其温度，从温升曲线中就可以得到小孔热沉功率。本发明通过非接触测量的方法得到不同温度下小孔热沉功率，从而可以监测孔道状态；适用于测量空心阴极小孔热沉功率。

附图说明

图1是现有技术的空心阴极的结构示意图；

图中：1-孔板，2-触持极，3-加热器，4-隔热罩，5-发射体，6-阴极管，7-推进剂；

图2是具体实施方式一中的红外测温仪测小孔温度的系统结构图；

图中：8-空心阴极，9-红外光，10-真空罐体，11-观察窗，12-比色测温仪，13-工控机，虚线框内的-施加磁场区域；

图3是具体实施方式一所述的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的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图2和图3所示，本发明实施方式所述的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，及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，辐射热损失功率Q_{loss,radiation}(T)为：

Q_{loss,radiation}(T)＝Aσ(T⁴-T₁⁴)，

其中，A为小孔外表面辐射面积，σ为玻尔兹曼常量，σ＝5.67×10^-8W/(m²K)，T₁为背景环境温度；

步骤四、将步骤二得到的热容等效系数B(T)和除小孔热沉外其他热源对温升速率的贡献比例F₁(T)，及步骤三得到的v_T,tn和热损失功率Q_loss,tn(T)代入下式，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)]MC_pv_T,tn+Q_loss,tn(T)。

测量小孔热沉功率会涉及以下问题：

1、排除其他热源的贡献

发射体以及孔板上除却小孔以外的其他表面也有热量沉积。这部分热功率将在计算中补偿掉。因此，单独采集一组温升曲线，采用热子加热阴极，但不产生等离子体放电，这时小孔内没有等离子体加热，全部热量来自发射体(热子与发射体间导热良好，可以用热子加热近似发射体加热)，该组温升过程对应的方程为：

Q_1,t1＝MC_pv'_T,t1+Q_loss,t1

Q_1,t2＝MC_pv'_T,t2+Q_loss,t2

……

Q_1,tn＝MC_pv'_T,tn+Q_loss,tn

其中，Q_1,tn为第n时刻的热子加热功率；为热子加热时第n时刻的温升速率；Q_loss,tn为第n时刻的热损失功率即热损失项。由于等式右边两项为已知，所以可得其他热源对温升速率的贡献比例为：

正常实现阴极点火后，小孔内出现了等离子体加热，温升过程变为：

Q_1,tn(T)+Q_2,tn(T)＝MC_pv_T,tn+Q_loss,tn(T)

于是，

Q_2,tn(T)＝[1-F₁(T)]MC_pv_T,tn+Q_loss,tn(T)

即为排除其他热源贡献后的小孔热沉功率。

2.阴极热容的计算

阴极热容不容易通过理论计算给出。一方面，固体材料的热容与温度有关，因此传热方程是有非线性效应的，在阴极中也比较明显。另外一方面，阴极内装配关系复杂，接触热阻、辐射热阻几乎无法计算。

本实施方式的解决方案是：将MC_p当做黑箱处理。热子加热阴极时，热子的加热功率即为电源输出功率，可以由电压和电流求得。将加热功率和由温升曲线得到的温升速率、热损失项带入方程中，即可反推出热容等效系数B(T)，B(T)＝MC_p。

3、热损失项的计算

阴极的热损失分为两部分：底座上的导热损失和辐射热损失。辐射热损失可以通过Stepan-Boltzmann公式计算：Q_{loss,radiation}(T)＝Aσ(T⁴-T₁⁴)。其中，A为小孔外表面辐射面积，σ为玻尔兹曼常量，σ＝5.67×10^-8W/(m²K)，T₁为背景环境温度；

较难计算的是底座上的导热损失。本实施方式提出的解决方案是：在测量中，阴极底座隔热处理，减小导热损失至可忽略的程度。

在本实施例中，具体通过在阴极底座处安装隔热材料或采取悬空设计，减小导热量至可忽略的程度，提高测量精度。

图2所示为红外测温仪测小孔温度的系统结构图，比色测温仪与工控机之间通过RS232串口线连接。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。