一种测量等离子体推进器不同区域壁面侵蚀率的方法

1.本发明涉及一种测量等离子体推进器不同区域壁面侵蚀率的方法，属于等离子体反应溅射沉积领域。


背景技术：

2.过去的几十年间，各种类型的空间电推进装置被研发出来，并成功地应用于各类航天任务中，例如，离子栅格推进器，霍尔推进器以及基于射频、螺旋波、微波加热的无电极磁性喷嘴推力器。等离子体对等离子体推进器壁面的侵蚀作用，是影响等离子体推进器性能和寿命的关键因素。例如，霍尔推进器运行过程中，等离子体会对陶瓷壁材料造成溅射侵蚀，壁材料破损最终会造成磁路元件暴露于等离子体，终止霍尔推进器寿命。即便是无电极磁喷管推进器，高密度等离子体与介质管内壁的强相互作用，也会造成等离子体源的损伤。要实现对推进器性能及寿命的有效评估，亟需发展能够测量避免侵蚀率的方法。壁面在受等离子体侵蚀的同时，同时伴随着来自其它区域溅射材料的再沉积过程，如何实现对净侵蚀率和毛侵率和净侵蚀速率的定量监测，对理解等离子体-壁面相互作用过程至关重要。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种测量等离子体推进器不同区域壁面侵蚀率的方法，。
4.本发明是通过以下技术方案来实现的：一种测量等离子体推进器不同区域壁面侵蚀率的方法，包括制备定标薄膜样品，其步骤为：将带孔的掩模放置在石英基片上，采用磁控溅射设备，在石英基片上进行溅射沉积，沉积完成后揭开掩模，得到定标薄膜样品，采用台阶仪和扫描电子显微镜，完成定标薄膜厚度的测量。
5.所述的一种测量等离子体推进器不同区域壁面侵蚀率的方法，还包括定标薄膜样品安装，其步骤为：将定标薄膜样品贴附于螺旋波等离子体装置的螺旋波等离子体源管的内壁，然后开启螺旋波等离子体装置。
6.所述的一种测量等离子体推进器不同区域壁面侵蚀率的方法，还包括等离子溅射过程，其步骤为：调节磁场线圈电流、射频输入功率及进气流量参数，螺旋波等离子体源在稳态工作状态下运行20-40分钟。
7.所述的一种测量等离子体推进器不同区域壁面侵蚀率的方法，采用台阶仪和扫描电子显微镜，测量溅射处理后的薄膜厚度，根据放电前后定标薄膜的厚度差和运行时间，计算壁面材料毛侵蚀率和净侵蚀率，结合对不同壁面位置定标薄膜的测量，确立螺旋波等离子体源介质管内壁面的总体溅射及再沉积过程。
8.所述的一种测量等离子体推进器不同区域壁面侵蚀率的方法，所述定标薄膜的厚度为0.8-1.2μm。
9.所述的一种测量等离子体推进器不同区域壁面侵蚀率的方法，所述掩模采用石英
片，其上开有两个直径大小不同的孔。
10.所述的一种测量等离子体推进器不同区域壁面侵蚀率的方法，所述定标薄膜样品采用高温陶瓷胶贴附于螺旋波等离子体源管内壁。
11.所述的一种测量等离子体推进器不同区域壁面侵蚀率的方法，所述等离子溅射过程：磁场线圈电流100a，螺旋波等离子体源区域轴向磁场强度1300g，放电气体为氩气，流量50sccm，射频源频率13.56mhz，输入功率1000w，反射功率低于50w。
12.所述的一种测量等离子体推进器不同区域壁面侵蚀率的方法，所述螺旋波等离子体装置包括真空腔室，所述真空腔室内设置有所述螺旋波等离子体源管，所述螺旋波等离子体源管处设置有射频天线，所述真空腔室外还设置有直流磁场线圈，所述真空腔室连接有进气管。
13.所述的一种测量等离子体推进器不同区域壁面侵蚀率的方法，所述螺旋波等离子体源管外设置有螺旋波等离子体源屏蔽外壳。
14.本发明所达到的有益效果：1、采用本发明可实现对空间等离子体推进器壁面侵蚀率的简单快速测量，有助于加深理解推进器壁面等离子体-物质相互作用过程，为空间等离子体推进器性能及寿命的高效评估提供解决方案。
15.2、定标薄膜样品沉积在石英基片上，且掩模同样采用石英材质，不会对等离子体推进器的等离子体性能造成太大的干扰和污染，此外，可根据不同的等离子体推进器壁面材料类型，沉积相同材质的定标薄膜。
16.3、发明可同时针对推进器壁面多个位置，尤其是是普通测量方法难以企及的电极间隙、源管内侧壁等区域开展测量，缩短了实验周期，大幅降低实验成本。
附图说明
17.图1是本发明制备定标薄膜样品的流程图。
18.图2是螺旋波等离子体装置的结构示意图。
19.图中：1、真空腔室，2、定标薄膜样品，3、螺旋波等离子体源管，4、直流磁场，5、螺旋波等离子体源屏蔽外壳，6、射频天线，7、同轴传输线，8、进气管。
具体实施方式
20.下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
21.一种测量等离子体推进器壁面侵蚀率的方法，包括下列步骤：1、针对实例中螺旋波等离子体源管的氧化铝陶瓷内壁面，制备氧化铝定标薄膜样品：首先，借助掩模和磁控溅射设备，在石英基片上预沉积大（直径10mm）、小（直径1mm）两块定标薄膜（厚约1μm），沉积完成后揭开掩模，结合台阶仪和扫描电子显微镜，完成定标薄膜厚度的测量。掩模优选石英片（厚度0.2mm，长宽均为20mm，石英片上开孔，大孔直径10mm，小孔1mm），磁控溅射靶板优选氧化铝（纯度99.99%），薄膜厚度的标定优选中精度优于1μm的台阶仪或扫描电子显微镜测量。
22.2、定标薄膜样品安装：打开真空测试腔室1，连接好螺旋波等离子体源的气路及电
路，同时利用高温陶瓷胶将定标薄膜样品2贴附于螺旋波等离子体源管3内壁面指定待测区域，待陶瓷胶彻底凝固后，关闭真空腔室，将系统抽至本底真空，模拟太空环境。陶瓷胶优选sauereisen aluseal adhesive cement no.2 paste，在确保其对高温的耐受力的前提下保证优良的导热性，确保凝固时间大于48小时。
23.3、螺旋波等离子体源启动：调节磁场线圈4电流、射频输入功率及进气流量参数，点亮高密度螺旋波等离子体，使螺旋波等离子体源在稳态工作状态下运行30分钟，确保等离子体对定标薄膜样品具有足够的溅射侵蚀量。优选磁场线圈电流100a，确保螺旋波等离子体源区域轴向磁场强度1300g，优选放电气体为氩气，流量50sccm，优选射频源频率13.56mhz，输入功率1000w，反射功率低于50w。
24.4、螺旋波等离子体源关闭取样：螺旋波等离子体源停止点火，打开真空腔室，取下贴附于壁面的所有定标薄膜样品。取样时，可向定标薄膜样品与壁面粘结处注入少量酒精（优选酒精溶度50%），促进陶瓷胶的溶解。定标薄膜样品取下时要注意不触碰薄膜区域，避免薄膜损伤，同时要避免接触污染区域，确保薄膜不受污染。
25.5、定标薄膜分析：再次结合台阶仪和扫描电子显微镜，测量溅射处理后的薄膜厚度，根据放电前后定标薄膜的厚度差和运行时间，计算壁面材料毛侵蚀率（大直径定标薄膜）和净侵蚀率（小直径定标薄膜）。结合对不同壁面位置定标样品的测量，确立螺旋波等离子体源介质管内壁面的总体溅射及再沉积过程。
26.本发明具体应用及效果如下：主要用于螺旋波、霍尔推进器壁面寿命测试，此外还能应用于等离子体溅射沉积技术靶板溅射率的标定以及聚变装置面向等离子体材料侵蚀过程研究。
27.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。