本發(fā)明屬于離子推力器，具體涉及一種離子濺射柵網(wǎng)電極絕緣性能與材料特性的模擬評(píng)估裝置和方法。

背景技術(shù)：

1、離子推力器憑借高比沖和多功能性在太空推進(jìn)方面具有顯著優(yōu)勢，使其在太空任務(wù)中至關(guān)重要，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航天任務(wù)中。離子推力器的柵極組件，用于提取和加速離子從而產(chǎn)生推力，是離子推力器最為關(guān)鍵的部件之一。柵極組件通常包含正一千多伏電壓的屏柵、負(fù)幾百伏的加速柵和接地的減速柵。兩者間距通常小于1?mm，因此存在一個(gè)極高的電場。

2、部分離子從柵間引出加速的過程中，會(huì)因?yàn)殡姾山粨Q轉(zhuǎn)移碰撞等原因撞擊電極，造成電極表面的侵蝕。這一現(xiàn)象是不可避免的，長期的濺射侵蝕破壞了柵極表面形貌，造成了例如表面微凸、毛刺、微粒等缺陷，這些缺陷會(huì)顯著影響柵極間的絕緣。因此在地面模擬實(shí)驗(yàn)和空間實(shí)際應(yīng)用中，柵間非預(yù)期的電擊穿現(xiàn)象都廣泛存在。

3、目前，針對離子轟擊對柵網(wǎng)電極性能影響的研究主要集中在材料侵蝕深度、濺射率等方面，而對于其絕緣性能下降的直接評(píng)估和擊穿機(jī)制的深入研究較少，也缺乏與絕緣相關(guān)的材料指標(biāo)評(píng)估方法。此外，現(xiàn)有的絕緣性能測試方法往往無法準(zhǔn)確反映柵極在真實(shí)工作環(huán)境下的電場分布和擊穿行為，通常采用簡化的球板電極而且柵網(wǎng)電極進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，缺乏針對離子濺射影響下的系統(tǒng)測試手段。同時(shí)，部分研究僅關(guān)注單一離子種類或能量條件，未能全面覆蓋多種離子濺射條件對柵網(wǎng)電極的綜合影響，這限制了研究結(jié)果的適用性和普適性。

4、因此，迫切需要提出一種離子濺射后柵網(wǎng)電極絕緣與材料評(píng)估方法，用于研究離子濺射后柵網(wǎng)電極的絕緣性能變化，并結(jié)合材料表征技術(shù)，對表面損傷特征進(jìn)行綜合分析，從而為離子推力器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能提升提供技術(shù)支持。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種離子濺射柵網(wǎng)電極絕緣性能與材料特性的模擬評(píng)估裝置和方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中，缺少離子濺射后柵網(wǎng)電極絕緣與材料評(píng)估的裝置和方法問題。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

3、一種離子濺射柵網(wǎng)電極絕緣性能與材料特性的模擬評(píng)估裝置，包括：

4、安裝底板；

5、絕緣支架，設(shè)置有兩個(gè)，兩個(gè)絕緣支架相對的固定設(shè)置在安裝底板上；

6、模擬屏柵，固定安裝在一個(gè)絕緣支架上；

7、模擬加速柵，固定安裝在一個(gè)絕緣支架上；

8、所述模擬屏柵和所述模擬加速柵同軸線設(shè)置；

9、所述模擬屏柵上開設(shè)有若干個(gè)第一孔洞，所述模擬加速柵上開設(shè)有若干個(gè)第二孔洞，第一孔洞的直徑大于第二孔洞的直徑，每一個(gè)第一孔洞對應(yīng)有一個(gè)同軸線的第二孔洞。

10、本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：

11、優(yōu)選的，所述兩個(gè)絕緣支架之間設(shè)置有等高板。

12、優(yōu)選的，所述兩個(gè)絕緣支架之間設(shè)置有兩個(gè)等高板，分別設(shè)置在兩個(gè)絕緣支架的上端之間和下端之間。

13、優(yōu)選的，所述模擬屏柵包括從外向內(nèi)設(shè)置的第一連接外圈、第一連接弧面和屏柵區(qū)；所述屏柵區(qū)與第一連接外圈分別在兩個(gè)相互平行的平面，所述第一連接弧面的徑向截面垂直于第一連接外圈的平面。

14、優(yōu)選的，所述模擬加速柵包括從外向內(nèi)設(shè)置的第二連接外圈、第二連接弧面和加速柵區(qū)；所述加速柵區(qū)與第二連接外圈分別在兩個(gè)相互平行的平面，所述第二連接弧面的徑向截面垂直于第二連接外圈的平面。

15、優(yōu)選的，所述屏柵區(qū)和加速柵區(qū)之間的距離小于第一連接外圈和第二連接外圈之間的距離。

16、優(yōu)選的，所述絕緣支架上開設(shè)有固定槽，固定槽的中心開設(shè)有同軸線的通孔；

17、所述第一連接外圈和固定槽固定連接；

18、所述第二連接外圈和固定槽固定連接。

19、優(yōu)選的，所述固定槽沿通孔的外圍周向等分設(shè)置有若干個(gè)第三螺栓孔；

20、所述第一連接外圈沿周向等分設(shè)置有若干第一螺栓孔，所述第二連接外圈沿周向等分設(shè)置有若干個(gè)第二螺栓孔；

21、第一螺栓孔、第二螺栓孔和第三螺栓孔一一對應(yīng)。

22、一種基于上述的離子濺射柵網(wǎng)電極絕緣性能與材料特性的模擬評(píng)估方法，包括以下步驟：

23、步驟1，將模擬屏柵和模擬加速柵分別固定在兩個(gè)絕緣支架上，獲得模擬評(píng)估裝置，將模擬評(píng)估裝置放置在濺射腔室內(nèi)，所述模擬屏柵朝向離子源方向；

24、步驟2，啟動(dòng)離子源，調(diào)節(jié)離子種類和離子能量，設(shè)置束流密度和濺射時(shí)間，生成高能離子束，對模擬屏柵進(jìn)行轟擊，部分高能離子束穿過第一孔洞，轟擊在模擬加速柵的表面，完成離子劑量累積以模擬實(shí)際工況下的濺射影響；

25、步驟3，通過場致發(fā)射測試，測量模擬屏柵和模擬加速柵的場致發(fā)射電流，并計(jì)算場致增強(qiáng)因子；

26、步驟4，對場致發(fā)射后測試后的模擬屏柵和模擬加速柵施加直流電壓，逐步升高電壓以測量初次擊穿電壓，并通過重復(fù)升壓放電評(píng)估擊穿電壓隨放電次數(shù)變化的趨勢，確定絕緣性能是否能夠恢復(fù)至初始水平；

27、步驟5，使用掃描電子顯微鏡對模擬屏柵和模擬加速柵表面形貌和顆粒分布進(jìn)行觀察，記錄不同材料在濺射后表面的微粒堆積和形貌變化特征，分析濺射對材料性能的影響。

28、步驟6，利用激光掃描共聚焦顯微鏡對模擬屏柵和模擬加速柵表面進(jìn)行三維形貌掃描，測量場致發(fā)射測試和擊穿后的表面粗糙度和微觀缺陷特征。

29、優(yōu)選的，在步驟3前，包括以下步驟：

30、通過掃描電子顯微鏡對模擬屏柵和模擬加速柵的表面進(jìn)行高分辨率觀測，記錄濺射后的模擬屏柵和模擬加速柵表面，通過激光掃描共聚焦顯微鏡對模擬屏柵和模擬加速柵表面進(jìn)行三維形貌掃描，獲取表面粗糙度數(shù)據(jù)。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

32、本發(fā)明公開了一種離子濺射柵網(wǎng)電極絕緣性能與材料特性的模擬評(píng)估裝置，該裝置設(shè)置了兩個(gè)絕緣支架，兩個(gè)絕緣支架分別用于安裝模擬屏柵和模擬加速柵，模擬屏柵和模擬加速柵上設(shè)置有對應(yīng)的孔洞，能夠真實(shí)的模擬屏柵和加速柵。該裝置通過絕緣支架，使得模擬屏柵和模擬加速柵孔位精確對準(zhǔn)，以防止在離子濺射過程中，因?yàn)榭讓ξ徊粶?zhǔn)產(chǎn)生的濺射偏移、離子局部集中等誤差。通過該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)以下三個(gè)功能：

33、（1）模擬真實(shí)工作條件的濺射處理

34、通過設(shè)計(jì)柵網(wǎng)電極模擬結(jié)構(gòu)，成功模擬了實(shí)際離子推力器工況下的柵網(wǎng)電極表面濺射損傷。這種方法能夠生成與實(shí)際使用環(huán)境相似的微觀缺陷（如表面粗糙度增加、微凸和毛刺等），顯著提高了后續(xù)測試的實(shí)驗(yàn)相關(guān)性和結(jié)果可靠性。

35、（2）科學(xué)的絕緣性能評(píng)估方法

36、通過測量初次擊穿電壓及隨放電次數(shù)變化的擊穿電壓，能夠評(píng)估電極的耐電壓性能及絕緣恢復(fù)能力，同時(shí)通過場致發(fā)射測試計(jì)算場致增強(qiáng)因子，揭示了濺射后表面形貌變化對電場分布的影響。這種評(píng)估方法不僅提供了傳統(tǒng)擊穿測試無法獲得的動(dòng)態(tài)絕緣性能數(shù)據(jù)，還為優(yōu)化電極設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。

37、（3）多維度材料表征技術(shù)

38、結(jié)合掃描電子顯微鏡和激光掃描共聚焦顯微鏡的優(yōu)勢，本發(fā)明能夠定量分析濺射后電極表面的微粒分布、粗糙度和三維形貌特征。掃描電子顯微鏡觀察提供了表面微粒沉積及形貌細(xì)節(jié)，激光掃描共聚焦顯微鏡則進(jìn)一步揭示了表面微凸、毛刺和裂縫等缺陷的空間分布及深度信息。這種多維度表征方法有效彌補(bǔ)了單一表征技術(shù)的局限性。