利用激光诱导荧光光谱诊断磁化高功率电推进等离子体中的离子速度

《Acta Astronautica》：Diagnostics of ion velocity in magnetized high-power electric propulsion plasmas by laser-induced fluorescence spectroscopy

　　

磁化高功率电推进（EP）等离子体具有高等离子体密度、强磁场和强烈发射背景的特征，这给用于离子速度测量的可靠激光诱导荧光（LIF）诊断带来了重大挑战。为了应对这些挑战，研究人员开发并实验验证了一个集成的LIF诊断框架。该框架包含四个关键组成部分：针对有限光学接入的优化光学配置、窄带光学滤波器的定量品质因数、包括塞曼（Zeeman）效应在内的主导光谱展宽机制评估，以及基于去卷积的信号重建方法。实验测量的脉冲响应函数被用于校正锁相放大器处理引入的时间延迟和仪器展宽。去卷积将不同时间常数下的系统速度差异降低到200 m/s以内，并提高了重建离子速度分布函数（IVDFs）的一致性。研究人员采用一台20 kW级的磁场施加型磁等离子体动力推进器（AF-MPDT）作为代表性高功率磁化等离子体源，以评估测量可靠性并展示该框架的能力。在施加50 mT和75 mT的磁场下，获得了羽流中的二维离子速度分布。结果表明，通过优化的光学配置和验证的信号重建，LIF诊断能够在磁化高功率EP等离子体中提供可靠的离子速度测量，估计不确定度约为200–700 m/s。这扩展了LIF在更极端等离子体环境中的适用性，并使得在高功率MPDT羽流中离子加速和速度分布特性的详细研究成为可能。

随着深空探测、空间运输和大总速度增量任务需求的增长，电推进（EP）系统因其高比冲和效率成为未来空间任务的关键技术。在向更高功率发展的过程中，霍尔推进器和磁等离子体动力推进器（MPDT）等装置面临等离子体密度、热通量、光发射强度和磁场强度显著增强的挑战，导致强耦合的极端等离子体环境，对可靠诊断构成严重限制。离子速度是直接控制动量通量和推力产生的基本参数，离子速度分布函数（IVDF）用于识别多物种离子流、非平衡加速和磁化等离子体中的各向异性输运。然而，传统侵入式探针诊断（如阻滞势分析仪（RPA）、马赫探针、E×B探针）在高功率下受等离子体扰动、磁场效应和二次电子发射影响而局限性显著；被动光谱诊断受谱线分辨率限制且存在视线积分导致谱线增宽；时间分辨断层重建依赖模型简化。激光诱导荧光（LIF）光谱作为一种非侵入、高空间分辨和高速度精度的标准诊断工具，已在亚千瓦至多千瓦级霍尔推进器中广泛应用，但在高功率MPDT等离子体中直接、空间分辨的LIF测量仍然稀缺。本研究旨在开发和验证一个用于高功率磁化EP等离子体离子速度测量的集成LIF诊断框架，通过系统级集成优化光学设计、背景抑制、光谱展宽评估和基于去卷积的IVDF重建，将LIF诊断的适用性扩展到功率相关等离子体参数日益极端的运行区间。论文采用20 kW级磁场施加型磁等离子体动力推进器（AF-MPDT）作为代表性实验平台，以评估在真实高功率条件下该框架的测量可靠性和能力，填补了高功率MPDT环境中LIF诊断系统验证的空白。该研究发表在《Acta Astronautica》。

研究人员为开展研究主要采用了四个关键关键技术方法：（1）优化光学配置：针对有限光学接入的羽流环境，设计光纤耦合收集系统，使用窄带干涉滤波器抑制强烈发射背景；（2）窄带光学滤波器的定量品质因数：通过测量滤波器的透射光谱，量化其对荧光信号与背景光的抑制效果；（3）光谱展宽机制评估：考虑多普勒展宽、塞曼（Zeeman）分裂、压力展宽和自然展宽等主导机制，评估各因素对谱线轮廓的贡献，尤其针对强磁场下Zeeman效应与多普勒展宽可比拟的情况；（4）基于去卷积的信号重建：实验测量系统（包括光电倍增管（PMT）和锁相放大器）的脉冲响应函数，对锁相放大器输出信号进行去卷积处理，校正时间延迟和仪器展宽，重建真实荧光光谱。实验平台为20 kW级AF-MPDT（北京航空航天大学），使用氩气工质，施加磁场强度为50 mT和75 mT。

研究结果部分保留以下小标题并说明结论：

**5.1 Experimental validation of the deconvolution-based signal reconstruction**：通过实验验证了基于去卷积的信号重建方法。研究人员在不同锁相放大器时间常数（30 ms、100 ms、300 ms）下获取原始LIF光谱，并应用基于实验测量脉冲响应函数的去卷积处理。去卷积后的光谱在不同时间常数下表现出高度一致性，证明该方法有效消除了锁相放大器时间常数引起的谱线展宽和时间延迟。速度差异从原始光谱中最高约1500 m/s降低至200 m/s以内，显著提高了IVDF重建的准确性和一致性。

**5.2 Assessment of velocity uncertainty**：通过重复测量和误差传播分析评估了速度测量不确定度。研究人员考虑了频率校准误差、信号噪声、去卷积残差和磁场引起的Zeeman分裂效应等因素，得出在典型实验条件下速度不确定度约为200–700 m/s。该不确定度随信号强度和磁场强度变化，在低信噪比或强磁场区域略有增大，但整体满足高功率EP等离子体诊断需求。

**5.3 Two-dimensional ion velocity distribution measurements**：研究人员在50 mT和75 mT的施加磁场下，对AF-MPDT羽流下游多个径向和轴向位置进行二维扫描，获得了二维离子速度分布图。结果显示，在中心轴线区域离子轴向速度较高，径向速度较小；随着磁场强度从50 mT增加到75 mT，离子轴向速度整体增大，表明磁场增强促进了离子加速。速度分布的不均匀性反映了羽流中离子加速机制的空间变化，验证了该诊断框架能够揭示高功率MPDT中的离子加速和能量转换特征。

总结讨论部分：本研究所开发的集成LIF诊断框架成功解决了高功率磁化等离子体中强发射背景、有限光学接入和Zeeman展宽等核心问题，实现了空间分辨的离子速度测量。该工作的主要创新在于系统级整合而非单一方法改进，使得LIF诊断能够应用于极端的等离子体参数区间。研究结论翻译如下：

磁化高功率电推进（EP）等离子体通常具有高等离子体密度、强热流、强磁场和强烈发射背景的特征。这些因素对常规激光诱导荧光（LIF）诊断施加了显著限制，特别是在光学实现、信号提取和光谱展宽控制方面。受这些挑战的驱动，本研究系统地开发并实验验证了一套针对此类极端等离子体环境的基于LIF的离子速度诊断框架。该框架集成优化了光学配置、信号处理和光谱展宽评估。在20 kW级磁场施加型磁等离子体动力推进器（AF-MPDT）上的实验验证表明，通过所提出的信号重建方法，可以可靠地获得羽流中空间分辨的离子速度分布。去卷积后的速度测量不确定度估计约为200–700 m/s，取决于局部等离子体条件。二维离子速度测量进一步展示了该诊断框架用于研究高功率AF-MPDT中离子加速和能量转换机制的能力。本研究的工作为将LIF诊断扩展到运行参数日益极端的高功率电推进装置铺平了道路。