一种大口径螺旋波离子源磁场位型优化系统的制作方法

1.本技术涉及航天空间电推进技术领域，具体而言，涉及一种大口径螺旋波离子源磁场位型优化系统。


背景技术：

2.螺旋波离子源为无电极放电，具有高电离率、高密度和结构简单等优点，在材料领域和航空航天领域都有较多应用，但目前螺旋波离子源产生等离子体的很多放电现象和物理机制还不太清楚，例如螺旋波离子源的等离子体加热机制、低场峰现象以及蓝芯现象的产生，还需开展试验验证与理论分析相结合的方式掌握螺旋波离子源放电规律。
3.目前国内外针对螺旋波离子源主要开展细长型小尺寸螺旋波离子源试验研究，而大尺寸螺旋波离子源相关的研究相对较少，主要因为开展大尺寸螺旋波离子源研究需要建立上千高斯的强磁场以及较高的射频功率，地面试验系统中产生强磁场一般采用水冷电磁线圈，但大口径螺旋波离子源放电室直径较大，在保证放电室能够穿过水冷电磁线圈的情况下，实现强磁场需要较大的体积和重量，放置在真空舱难度较大，并且在真空舱内试验，若需改变磁场位型或者更换不同长径比的放电室需要打开真空舱，严重影响试验进度。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种大口径螺旋波离子源磁场位型优化系统，避免了水冷电磁线圈重量体积对真空舱的限制，解决了现有大口径螺旋波离子源试验系统试验耗时、耗力和对真空舱的特殊需求。
5.为了实现上述目的，本技术提供了一种大口径螺旋波离子源磁场位型优化系统，包括真空舱、放电室、供气装置、运动台架、水冷电磁线圈以及导轨，其中：放电室的一端通过第一过渡法兰与真空舱密封连接，另一端通过第二过渡法兰与供气装置密封连接；导轨设置在运动台架上，导轨上设置有多个滑台；水冷电磁线圈和放电室均通过支撑架固定在运动台架的滑台上，并且都能够沿导轨进行滑动；放电室的直径≥15cm，外表面设置有天线；水冷电磁线圈包括第一水冷电磁线圈和第二水冷电磁线圈，第一水冷电磁线圈环绕套设在放电室上，位于真空舱和天线之间；第二水冷电磁线圈环绕套设在放电室上，位于天线和供气装置之间。
6.进一步的，第一过渡法兰和第二过渡法兰均由两个小法兰、两个密封圈和一个压环经过螺栓挤压的方式形成。
7.进一步的，水冷电磁线圈采用空心铜管绕制而成，内部可以通水冷。
8.进一步的，放电室的材料为石英玻璃。
9.进一步的，天线外围包裹覆盖有铜网。
10.进一步的，与放电室连接固定的支撑架为升降式支撑架，能够实现支撑架高度的自由调节。
11.进一步的，工作时，第一水冷电磁线圈通过滑台沿导轨在真空舱和天线之间滑动；
第二水冷电磁线圈通过滑台沿导轨在天线和供气装置之间滑动。
12.本发明提供的一种大口径螺旋波离子源磁场位型优化系统，具有以下有益效果：
13.1、本技术通过过渡法兰实现了真空舱与放电室的密封连接，通过水冷电磁线圈和导轨实现了磁场位型的改变，探究了磁场位型对螺旋波离子源放电性能的影响规律，通过升降式支撑架和导轨实现了不同长径比放电室的安装和移动，结构简单，避免了水冷电磁线圈重量体积对真空舱的限制，使得水冷电磁线圈位置调节、不同长径比放电室更换和不同天线构型更换更加方便快捷，有助于掌握大口径螺旋波离子源相关的放电机理。
14.2、本技术将天线放置在真空舱外，不会受到等离子体羽流的溅射干扰，不易造成击穿，射频传输线相比天线放置在真空舱内也会缩短，降低射频功率在传输路径的衰减，使得加载在天线两端的射频功率更高，有利于螺旋波离子源内等离子体密度提升，解决了现有大口径螺旋波离子源试验系统试验耗时、耗力和对真空舱的特殊需求，缩短了研究不同结构参数和工况参数对大口径螺旋波离子源性能影响规律所需的时间。
附图说明
15.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，使得本技术的其它特征、目的和优点变得更明显。本技术的示意性实施例附图及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
16.图1是根据本技术实施例提供的大口径螺旋波离子源磁场位型优化系统的结构示意图；
17.图2是根据本技术实施例提供的大口径螺旋波离子源磁场位型优化系统与真空舱的连接示意图；
18.图中：1-真空舱、2-放电室、3-供气装置、4-运动台架、5-第一水冷电磁线圈、6-第二水冷电磁线圈、7-导轨、8-第一过渡法兰、9-第二过渡法兰、10-天线、11-升降式支撑架、12-滑台。
具体实施方式
19.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
20.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
21.在本技术中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或
位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本技术及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
22.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。
23.另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
24.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
25.如图1-图2所示，本技术提供了一种大口径螺旋波离子源磁场位型优化系统，包括真空舱1、放电室2、供气装置3、运动台架4、水冷电磁线圈以及导轨7，其中：放电室2的一端通过第一过渡法兰8与真空舱1密封连接，另一端通过第二过渡法兰9与供气装置3密封连接；导轨7设置在运动台架4上，导轨7上设置有多个滑台12；水冷电磁线圈和放电室2均通过支撑架固定在运动台架4的滑台12上，并且都能够沿导轨7进行滑动；放电室2的直径≥15cm，外表面设置有天线10；水冷电磁线圈包括第一水冷电磁线圈5和第二水冷电磁线圈6，第一水冷电磁线圈5环绕套设在放电室2上，位于真空舱1和天线10之间；第二水冷电磁线圈6环绕套设在放电室2上，位于天线10和供气装置3之间。
26.具体的，大口径螺旋波离子源主要是指其放电室2的直径在15cm以上，想要实现螺旋波放电模式需要强磁场和较高的射频功率，产生强磁场的方式包括水冷电磁线圈、超导磁体和永磁体，但是适用于大口径螺旋波离子源的超导磁体价格昂贵，远高于水冷电磁线圈价格；永磁体磁场强度固定，难以在试验中探究磁场位型和磁场强度对螺旋波离子源放电性能的影响规律；因此，一般选用水冷电磁线圈产生强磁场，但是现有技术中大多是针对细长型小尺寸螺旋波离子源进行的试验研究，水冷电磁线圈一般放置在真空舱1内部，而在大口径螺旋波离子源试验中，水冷电磁线圈的内径需要在保证大口径放电室2能够穿过的情况下，实现强磁场的产生和磁场位型的变化，这样水冷电磁线圈的体积和重量较大，放置在真空舱1内部的难度较大，并且水冷电磁线圈真空灌注所用的环氧树脂材料在真空舱1内会出气影响气压，此外真空舱1内改变磁场位型或者更换不同长径比的放电室2需要打开真空舱1，严重影响了试验进度。
27.更具体的，本技术实施例提供的大口径螺旋波离子源磁场位型优化系统通过过渡法兰实现了真空舱1与放电室2的密封连接，通过水冷电磁线圈和导轨7实现了磁场位型的改变，通过升降式支撑架11和导轨7实现了不同长径比放电室2的安装和移动。其中，真空舱1内部连接有机械泵和分子泵，保证放电过程中的真空度，使得放电室2内部的真空度低于1pa，此外，针对放电室2的等离子体密度、电子温度和电势的测量也可以在真空舱内部实现测试；放电室2的一端通过第一过渡法兰8与真空舱1密封连接，另一端通过第二过渡法兰9与供气装置3密封连接，放电室2靠近供气装置3的一端设置有支撑架，放电室2通过支撑架固定在运动台架4的滑台12上，运动台架4主要起到支撑固定的作用，两侧设置有导轨7，放电室2通过滑台12能够在导轨7上滑动，试验过程中可以根据放电室2的实际长度，对放电室2的位置进行调整；供气装置3主要为放电室2提供一定流率的工质气体，使其发生等离子体放电；天线10设置在放电室2的外表面，优选为空心的右螺旋型结构，主要用于将射频源供给的能量耦合传递给放电室内部的等离子体，针对大口径螺旋波离子源而言，实现螺旋波
放电模式需要在天线10上加载较高的射频功率；水冷电磁线圈主要用于提供强磁场，约束放电室内部的电子，在本技术实施例中，水冷电磁线圈设置在真空舱1的外部，整体为环状，环绕套设在放电室2上，下方通过支撑架固定在运动台架4的滑台12上，同样能够通过滑台12在运动台架4的导轨7上进行滑动，试验过程中可以根据实际需求，调整水冷电磁圈的位置，从而对磁场位型进行改变，实现磁场位型对大口径螺旋波离子源放电性能影响规律的测试。
28.进一步的，第一过渡法兰8和第二过渡法兰9均由两个小法兰、两个密封圈和一个压环经过螺栓挤压的方式形成。过渡法兰由小法兰、密封圈和压环通过螺栓挤压而成，主要用于放电室2与真空舱1和供气装置3之间的密封连接，防止气体泄漏，使漏率满足试验的要求。
29.进一步的，水冷电磁线圈采用空心铜管绕制而成，内部可以通水冷。第一水冷电磁线圈5和第二水冷电磁线圈6都采用空心铜管绕制而成，主要用于提供磁场，中心磁场强度能够达到上千高斯，并且水冷电磁线圈的内径大于放电室2的直径，确保放电室2能够穿过即可，从而满足不同长径比放电室2的放置。由于电磁线圈通电后会产生大量的热，因此需要内部通过水冷进行降温，防止电磁线圈烧坏，水冷电磁线圈可以根据实际情况设置进水口和出水口，并与外界的供水排水装置连接，实现水冷循环降温。
30.进一步的，放电室2的材料为石英玻璃。放电室2需要选用绝缘耐热材料，而石英玻璃的耐热性高，使用温度一般为1100℃-1200℃，短期使用温度能够达到1400℃，满足放电室温度的要求，并且石英玻璃成本较低，易加工成型，在石英玻璃材料的放电室2外测试等离子体参数，相比于真空舱1内测量更加方便准确，也有利于观察放电室2的放电现象。
31.进一步的，天线10外围包裹覆盖有铜网。天线10加载射频功率后会向外辐射电磁信号，干扰电源以及其他测试诊断系统，因此，在天线10外围包裹一层200目的铜网或者其他金属，能够降低射频干扰的影响；此外，天线10设置在真空舱1外部，便于更换不同类型或者不同长径比的天线10，有利于探究不同天线10构型对大尺寸螺旋波离子源放电性能的影响规律。
32.进一步的，与放电室2连接固定的支撑架为升降式支撑架11，能够实现支撑架高度的自由调节。放电室2靠近供气装置3一端的支撑架为升降式支撑架11，通过升降式支撑架11能够调节放电室2上下放置的高度，试验过程中，可以根据放电室2的直径，对放电室2的位置进行调整，保证不同长径比的放电室2适用于本系统。
33.进一步的，工作时，第一水冷电磁线圈5通过滑台12沿导轨7在真空舱1和天线10之间滑动；第二水冷电磁线圈6通过滑台12沿导轨7在天线10和供气装置3之间滑动。在本技术实施例中，通过设置两个水冷电磁线圈并对其电流值进行调节，以及通过滑动的方式改变两个水冷电磁线圈之间的距离，主要是为了改变磁场的位型，方便观察磁场的位型对放电室2内部等离子体吸收射频功率效果的影响，以及对等离子体密度、等离子体温度、电势以及离子源e-h-w模式转换所需的射频功率值等参数的影响，其中，两个水冷电磁线圈在滑动的过程中最小间距为0，最大间距不超过放电室2的整体长度，根据实际的实验情况，可以得到存在最佳的水冷电磁线圈间距使得在较低的工况参数下就能够实现螺旋波放电模式(w模式)。
34.更具体的，本技术实施例在实验过程中，真空舱1先抽真空，当真空度低于1pa以下
时，供气装置3向放电室2内部供气，当真空度保持不变时，利用射频电源给天线10传输射频信号，在一定功率下，放电室2内部点火成功，此时为射频放电，然后给两个水冷电磁线圈加载电流，通过调节水冷电磁线圈电流值和射频功率的大小，实现螺旋波离子源放电模式的转换；由此可以看出，本技术实施例适用于放电室2直径≥15cm的大口径螺旋波离子源，通过过渡法兰实现了真空舱1和供气装置3与放电室2的密封连接，漏率满足试验要求，通过水冷电磁线圈和导轨7实现了磁场位型的改变，探究了磁场位型对螺旋波离子源放电性能的影响规律，通过升降式支撑架11和导轨7实现了不同长径比放电室2的安装和移动，将水冷电磁线圈设置在真空舱1外部，避免了水冷电磁线圈重量体积对真空舱1的限制，使得水冷电磁线圈位置调节、不同长径比放电室2更换和不同天线10构型更换更加方便快捷，同样将天线10放置在真空舱1外，不会受到等离子体羽流的溅射干扰，不易造成击穿，射频传输线相比天线10放置在真空舱1内也会缩短，降低射频功率在传输路径的衰减，使得加载在天线10两端的射频功率更高，有利于螺旋波离子源内等离子体密度提升，解决了现有大口径螺旋波离子源试验系统试验耗时、耗力和对真空舱1的特殊需求。
35.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种大口径螺旋波离子源磁场位型优化系统，其特征在于，包括真空舱、放电室、供气装置、运动台架、水冷电磁线圈以及导轨，其中：所述放电室的一端通过第一过渡法兰与所述真空舱密封连接，另一端通过第二过渡法兰与所述供气装置密封连接；所述导轨设置在所述运动台架上，所述导轨上设置有多个滑台；所述水冷电磁线圈和所述放电室均通过支撑架固定在所述运动台架的滑台上，并且都能够沿导轨进行滑动；所述放电室的直径≥15cm，外表面设置有天线；所述水冷电磁线圈包括第一水冷电磁线圈和第二水冷电磁线圈，所述第一水冷电磁线圈环绕套设在所述放电室上，位于所述真空舱和所述天线之间；所述第二水冷电磁线圈环绕套设在所述放电室上，位于所述天线和所述供气装置之间。2.根据权利要求1所述的大口径螺旋波离子源磁场位型优化系统，其特征在于，所述第一过渡法兰和所述第二过渡法兰均由两个小法兰、两个密封圈和一个压环经过螺栓挤压的方式形成。3.根据权利要求1所述的大口径螺旋波离子源磁场位型优化系统，其特征在于，所述水冷电磁线圈采用空心铜管绕制而成，内部可以通水冷。4.根据权利要求1所述的大口径螺旋波离子源磁场位型优化系统，其特征在于，所述放电室的材料为石英玻璃。5.根据权利要求1所述的大口径螺旋波离子源磁场位型优化系统，其特征在于，所述天线外围包裹覆盖有铜网。6.根据权利要求4所述的大口径螺旋波离子源磁场位型优化系统，其特征在于，与所述放电室连接固定的支撑架为升降式支撑架，能够实现支撑架高度的自由调节。7.根据权利要求1所述的大口径螺旋波离子源磁场位型优化系统，其特征在于，工作时，所述第一水冷电磁线圈通过滑台沿导轨在所述真空舱和所述天线之间滑动；所述第二水冷电磁线圈通过滑台沿导轨在所述天线和所述供气装置之间滑动。

技术总结
本申请涉及航天空间电推进技术领域，具体而言，涉及一种大口径螺旋波离子源磁场位型优化系统，包括真空舱、放电室、供气装置、运动台架、水冷电磁线圈以及导轨，其中：放电室通过过渡法兰分别与真空舱和供气装置密封连接；导轨设置在运动台架上，导轨上设置有多个滑台；水冷电磁线圈和放电室均通过支撑架固定在运动台架的滑台上，并且都能够沿导轨进行滑动；放电室的直径≥15cm，外表面设置有天线；水冷电磁线圈包括第一水冷电磁线圈和第二水冷电磁线圈。本申请探究了磁场位型对螺旋波离子源放电性能的影响规律，避免了水冷电磁线圈重量体积对真空舱的限制，使得水冷电磁线圈位置调节、不同长径比放电室更换和不同天线构型更换更加方便快捷。更加方便快捷。更加方便快捷。


技术研发人员：吴辰宸 贺亚强 耿海 孙新锋 王紫桐 陈浩 蒲彦旭 吕方伟 郭宁
受保护的技术使用者：兰州空间技术物理研究所
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/10/15