一种射频离子推力器电离室内壁面溅射清洗系统及清洗方法技术方案

本发明专利技术提出一种射频离子推力器电离室内壁面溅射清洗系统及清洗方法，系统由气体分配器、电势控制线、射频线圈、电离室、屏栅、加速栅、正直流电压源、射频电源、负直流电压源及导电胶带组成。方法包括：一、射频离子推力器启动，电离室内形成等离子体；二、给屏栅施加正电压，离子被栅极系统引出，推力器进入工作状态；三、当导电薄膜较厚、功率馈入削弱时，关闭正直流电源，推力器无离子引出；四、打开负直流电源，向电势控制线缓慢施加负电压离子撞击电离室内壁面的能量增加；五、电离室内壁面的导电薄膜在离子的轰击下，溅射出粒子，粒子呈中性，在中性粒子流的作用下被排出电离室外，实现电离室内壁面的清洗。离室内壁面的清洗。离室内壁面的清洗。

【技术实现步骤摘要】
一种射频离子推力器电离室内壁面溅射清洗系统及清洗方法


[0001]本专利技术属于空间电推进
和等离子体清洗领域，尤其是涉及一种射频离子推力器电离室内壁面溅射清洗系统及清洗方法。

技术介绍

[0002]射频离子推力器是一种电推力器，用于空间电推进(或称航天等离子体推进)，具有比冲高、推力变化范围广、结构简单、技术成熟等优点，目前已被广泛应用于航天器的姿态和轨道控制。
[0003]离子推力器在结构和原理上与离子源具有很高的相似性，是一种专用于空间电推进领域的离子源，其特点是使用由大量小孔组成栅网状结构的栅极系统加速排出离子以获得推力。双栅极离子推力器的栅极系统由屏栅和加速栅组成，离子经过屏栅后，大部分通过加速栅被排出推力器，小部分离子因过聚焦、欠聚焦等因素轰击到加速栅上，加速栅表面的金属粒子被溅射、反流至电离室内部，粒子与电离室内壁面相互作用，被壁面吸附，被吸附的粒子逐渐增多，依次形成岛状
‑
网状
‑
层状薄膜结构，此为栅极材料在电离室内壁面的沉积过程。
[0004]电离室内壁面沉积的薄膜与加速栅的材料相同，为导电材料(常见为钼、复合碳材料、不锈钢等)。随着薄膜厚度的增加，薄膜对于射频线圈的屏蔽效果逐渐增强，这将大大降低射频线圈效率，产生功率馈入难、推力器点火难和等离子体维持难的“三难”问题，影响推力器寿命。因此，需要开发一种射频离子推力器电离室内壁面的溅射清洗方式。
[0005]目前，尚未发现已公开射频离子推力器内壁面的清洗方式，但在等离子体溅射、基片表面溅射清洗等领域有类似的工艺：
[0006]1.霍尔离子源溅射清洗。预抽真空至5.0
×
10
‑3Pa，温度升高至250℃，通入氩气，打开霍尔离子源产生氩离子束流，对基片进行离子束溅射清洗。通过控制真空度分别为0.5Pa，0.1Pa和0.05Pa，分别产生400V，
[0007]800V和1200V的放电电压，随后依次进行不同放电电压下的离子束轰击。如图1所示，为不同放电电压下，被溅射清洗的基片的形貌变化，显然氩离子束流的清洗可以大幅降低基片材料的接触角，且接触角降低的幅度随放电电压升高而增大
[1]。
[0008]2.基于离子推力器的材料表面处理。离子推力器具有加速电压易调节的优点，通过改变屏栅的电势，即可获得不同的加速电压。图2为典型的离子束清洗装置示意图，从上到下依次为离子源、栅极系统、钨丝阴极、离子束流和被清洗基片。典型的工况如下：栅极系统孔径2mm，栅间距0.3
–
1.2mm，加速电压400
–
2300V，束流电流100
–
500mA
[2],[3]。
[0009]3.电容耦合式等离子清洗系统。容性耦合等离子体源具有结构简单、易产生等离子体、经济性好、实用性强等优点。典型的等离子体清洗流程如下：启动电源，启动真空泵，打开隔断阀，当真空度小于50Pa时打开充气阀，调节流量，待压强稳定在30Pa时打开射频电源，到达清洗时间后关闭射频电源。试验过程中发现，随着射频功率的增大，同等清洗时间下清洗效果逐渐优化；但清洗效果上限受到功率的制约，即低功率下达不到高功率下同样
的清洗效果
[4],[5]。
[0010][1]钟利,但敏,沈丽如,金凡亚,陈美艳,刘彤,邓稚.霍尔源溅射清洗工艺对离子镀TiN涂层结合性能的影响[J].真空,2020,57(06):5
‑
10.
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‑
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244.
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‑
31.
[0015]目前，尚未发现已公开射频离子推力器内壁面的溅射清洗方式。在已有的技术中，霍尔离子源和离子推力器式清洗装置中的等离子体与被清洗表面不直接接触，等离子体经过加速后轰击被清洗面，实现材料表面的清洁；容性耦合式等离子清洗系统采用等离子体包裹被清洗面的方式，依靠等离子体与被清洗面间的鞘层加速，使离子冲击被清洗面，实现清洁效果。
[0016]现有技术的缺点和问题如下：
[0017]1.等离子体与被清洗面分离，此种方法无法实现电离室壁面的清洗。
[0018]2.若等离子体与被清洗面直接接触，离子仅依靠等离子体与被清洗表面的鞘层加速，无法调节加速电压，导致离子能量低，降低了清洗效率，影响了清洗效果。
[0019]3.当被清洗面为金属薄膜或合金薄膜时，需要较高的加速电压，才能实现良好的清洗效果，在现有的技术中无法实现加速电压的调节。
[0020]4.离子源往往只有产生等离子体的作用，功能单一。
[0021]综上，当前射频离子推力器电离室内壁面的溅射清洗方式存在空缺，具有较多缺点和问题，应当发展一种粒子加速电压可调、清洗效果好的溅射清洗方式。

技术实现思路

[0022]本专利技术的目的是：1、解决等离子体与被清洗面直接接触时，清洗效果差的问题。2、解决粒子加速电压无法直接调控的问题。3、解决离子源仅具有单一用途的问题，实现功能的可切换性。4、解决离子推力器长时间工作后功率馈入难、推力器点火难和等离子体维持难的问题。
[0023]为达上述目的，本专利技术提出了一种射频离子推力器电离室内壁面溅射清洗系统及清洗方法，区别于现有的溅射清洗方式，本专利技术的特点是，电离室内壁面沉积有导电薄膜后，内壁面电势可调，因此粒子加速电压可调，优化了清洗效果，提高了清洗效率。
[0024]本专利技术的离子推力器电离室内壁面清洗系统示意图，如图5所示。由气体分配器1、电势控制线2、射频线圈3、电离室4、屏栅5、加速栅6、正直流电压源7、射频电源8、负直流电压源9、导电胶带10组成。
[0025]气体分配器1呈“T”形，其上有螺纹，与电离室4通过螺栓结构连接(未画出螺母)。电势控制线2为柔性导线，其穿过气体分配器1螺纹面，经过气体分配器1内部进入电离室4，通过导电胶带10与电离室4内壁面连接。屏栅5、加速栅6与电离室4同轴心，两者通过定位销
定位；其中，屏栅5与电离室4的法兰直接接触，屏栅5与加速栅6之间相距1mm。射频线圈3为螺旋结构，共8匝，与电离室4同轴心，与电离室4外壁面相距3mm。正直流电压源7、射频电源8、负直流电压源9为外本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种射频离子推力器电离室内壁面溅射清洗系统，其特征在于：由气体分配器、电势控制线、射频线圈、电离室、屏栅、加速栅、正直流电压源、射频电源、负直流电压源及导电胶带组成；其中，气体分配器呈“T”形，其上有螺纹，与电离室通过螺栓结构连接；电势控制线为柔性导线，穿过气体分配器螺纹面，经过气体分配器内部进入电离室，通过导电胶带与电离室内壁面连接；屏栅、加速栅与电离室同轴心，两者通过定位销定位；正直流电压源、射频电源、负直流电压源为外电路组件。2.根据权利要求1所述的一种射频离子推力器电离室内壁面溅射清洗系统，其特征在于：屏栅与电离室的法兰直接接触，屏栅与加速栅之间相距1mm。3.根据权利要求1所述的一种射频离子推力器电离室内壁面溅射清洗系统，其特征在于：射频线圈为螺旋结构，共8匝，与电离室同轴心，与电离室外壁面相距3mm。4.根据权利要求1所述的一种射频离子推力器电离室内壁面溅射清洗系统，其特征在于：正直流电压源与屏栅和加速栅连接，屏栅施加600
‑
2000V正直流电压，加速栅接地，用于引出电离室内的离子以产生推力。5.根据权利要求1所述的一种射频离子推力器电离室内壁面溅射清洗系统，其特征在于：射频电源及其匹配网络与射频线圈连接，射频线圈两端连接2.0MHz射频电源，用于维持电离室内工质气体的电感耦合放电。6.根据权利要求1所述的一种射频离子推力器电离室内壁面溅射清洗系统，其特征在于：负直流电压源与电...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟宗，董宜承，孔维一，王海波，韩明月，李兴达，
申请(专利权)人：兰州空间技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：