隨著人類對外太空環境認識的不斷深入，電推進已成為通向未知空間領域的重要技術途徑。空間電推進對航天器防護結構、能源系統、敏感有效載荷系統均產生不同影響。介紹了基于阻滯勢分析儀的電推進等離子體參數探測方法，通過阻滯勢分析儀研制和相應的地面模擬實驗，計算得到了推力器40cm處的粒子能量、離子密度和離子溫度等參數，相關研究為我國電推進航天器的深空應用和發展提供技術參考。

0、引言

　　阻滯勢分析儀(RetardingPotentialAnalyzer，RPA)是一種用于探測低能帶電粒子的儀器，主要功能是分析小于100eV的離子能量。而深空電推進系統產生的空間等離子體環境中，離子能量一般小于100eV。電推進帶電離子羽流環境嚴重改變航天器周圍的等離子體環境，造成諸如衛星表面帶電、沉積污染、干擾力矩、電磁干擾等一系列效應。從20世紀60年代開始發展阻滯勢分析儀技術，將其廣泛應用于空間等離子體探測領域。美國在空間和地面上的各種等離子體實驗中應用阻滯勢分析儀探測空間離子的能量分布，如在軌地球物理觀測衛星系列、氣象探索衛星，海盜號火星探測器、先鋒號金星探測器，極軌環境衛星系統等，都采用了阻滯勢分析儀及相關的探測技術。

　　總之，阻滯勢分析儀無論在空間環境科學探測領域，還是在航天工程應用領域都有廣泛的應用價值。針對深空電推進系統返流區域離子，開展了離子能量、離子速度和離子溫度探討，設計了一種四層“漢堡包冶結構的阻滯勢分析儀，試驗分析電推力器返流區域的離子能量分布及參數狀況。

1、阻滯勢分析儀的結構原理

　　阻滯勢分析儀的基本結構是一個漢堡包微弱電流收集結構，內部包含入口柵極、初級電子阻擋柵極、離子能量掃描柵極和二次電子阻擋柵極等四層柵網電極，達到對帶電粒子阻滯分析的測量目的，收集極收集離子電流。阻滯勢分析儀結構如圖1所示。

圖1 阻滯勢分析儀結構圖

1.外殼；2.入口柵極；3.初級電子阻欄柵極；4.離子能量掃描柵極；5.二次電子阻擋柵極；6.收集極；7.電流收集測試

　　(1)入口柵極

　　入口柵極將阻滯勢分析儀內部與外部空間隔離開來。通過入口柵極后，等離子體密度將由空間等離子體密度變成阻滯勢分析儀內部等離子體密度。對于阻滯勢分析儀，由于存在空間電荷效應，因而對進入阻滯勢分析儀內部的等離子體密度有限制；當被測等離子體密度較高時，可采用雙層入口柵極結構大幅度降低等離子體密度。

　　(2)初級電子阻擋柵極

　　初級電子阻擋柵極施加特定負偏置電壓，可排斥掉所有返流區等離子體中的電子，通過該柵后，進入阻滯勢分析儀后的粒子均為離子。

　　(3)離子掃描柵極

　　給離子掃描柵極施加可變正偏置電壓，實現有選擇性地過濾離子。對于給定的柵極勢，只有能荷比(E/q)大于柵極電壓的離子才能通過該柵到達收集極。

　　(4)二次電子阻擋柵極

　　要用于阻擋來源于離子與收集極之間碰撞產生的二次發射電子。阻滯勢分析儀通過給柵網上施加電壓，濾除電子和低于特定能量的離子；收集大于特定能量的離子電流。為了減小對被測等離子體的干擾，入口柵處于懸浮狀態；初級電子阻擋柵處于負偏置狀態以阻止電子通過；離子掃描柵通過掃描電源使其處于正偏置狀態，可以有效阻滯能量小于偏置電勢的離子，使得只有能量大于偏置電勢的離子通過，從而達到篩選離子的目的；二次電子阻擋柵極處于比收集極電勢低的負偏置狀態，這樣可以使得離子和收集極表面碰撞產生的二次電子回到收集極，消除二次電子電流帶來的干擾。

4、結論

　　設計了阻滯勢分析器，利用該設備對推力器返流區的離子能量分布進行了實驗研究，研究了距推力器束流平面出口中心位置40cm處，推力器正常實驗狀態下的離子能量參數分布、離子密度和溫度等，得如下結論:

　　(1)阻滯勢分析儀測試曲線與理論曲線趨勢一致；測試后認為推力器返流區離子主要為電荷交換碰撞產生的低能量離子，離子能量小于10eV；

　　(2)經阻滯勢分析儀測試，與束流中心相比推力器返流區離子密度非常低，在105個/立方厘米量級，離子溫度在104K量級。

　　(3)經試驗驗證，阻滯勢分析器設計滿足深空環境衛星返流區等離子體能量、離子密度及溫度的測試需求，再適當設計改進后，可飛行搭載，獲取衛星在軌數據。