栅极腐蚀在线测量技术建议书.docx
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栅极腐蚀在线测量技术建议书
ALTA公司栅极腐蚀在线测量系统
技术建议书
北京和德宇航技术有限公司
2013年5月
1
Introduction引文
1.1Scope范围
AttheendofMay2013HeadAerospacehasrequestedAltatoprovideaformalquotationforanErosionMeasuringSystem（EMS）tobeimplementedinanewvacuumchamberoftheCustomer,theLanzhouInstituteofPhysics（LIP）,tobeusedtoassesserosionofGriddedIonEngines.
2013年5月底和德公司要求Alta为可应用于510（LIP）所新型真空灌的腐蚀测量系统（EMS）给出正式报价，该系统用于评估栅极离子发动机（GriddedIonEngines）的腐蚀情况。
1.2Applicabledocuments适用文件
Thefollowingisthecompletelistofdocumentstobeconsideredapplicabletothisproposal:
下表列出了可适用于该投标的所有文件：
1.3Acronymsandabbreviations首字母缩略词与缩写词
首字母缩略词/缩写
Meaning
含义
ATP
AuthorizationToProceed
授权进行
CO
Close-Out
完结
DAQ
DataAcQuisition
数据采集
EP
ElectricPropulsion
电推进
EMS
ErosionMeasuringSystem
腐蚀测量系统
FFP
FirmFixedPrice
固定总价
FMEA
FailureModeandEffectsAnalysis
失效模式与影响分析
FSO
FullScaleOutput
全量程输出
GIE
GriddedIonEngine
栅极离子发动机
HET
HallEffectThruster
霍尔效应推进器
HW
Hardware
硬件
I/F,IF
InterFace
接口
IR
InfraRed
红外线
LIP
LanzhouInstituteofPhysics
510所
MAI
Manufacturing,Assembly,Integration
制造，部装，集成
NDA
Non-DisclosureAgreement
保密协议
QM
QualificationModel
鉴定样机
RPA
RetardingPotentialAnalyzer
减速电势分析仪
SW
Software
软件
TBC
ToBeConfirmed/TobeClarified
留待确定
TBD
TobeDetermined/Defined
留待决定
TC
ThermoCouple
热电偶
VDC
VoltDirectCurrent
直流电压
2Introduction简介
Thepresentsectiondescribesthetele-microscopyanderosionfacilityimplementedinAltaIV-4facility.
本章将介绍AltaIV-4设备所采用的远程显微镜和腐蚀测量设备。
2.1Tele-microscopySystemforGriddedIonEngines栅极离子发动机远程显微镜系统
AltaprovidesaninnovativediagnosticstomeasuretheerosionofthegridholesinGriddedIonEngines（GIE）.
Alta为栅极离子发动机网格空腐蚀情况的测量形成了一种新型的诊断方法。
TheTelemicroscopydiagnosticsystemconsistsofaspecialcameramountedonamovablestructureplacedinsidethevacuumfacility.Thesystemismaintainedinaparkingpositionwhilethethrusterisfiring（Figure1-bottom）,sothatitdoesnotinterferewiththeplasmaplume.Whenthethrusterstopsfiring,theTelemicroscopysystemismovedinfrontofthethrustertoperformtheerosionmeasurement.Fourledlightsoralaserlinebeamilluminatethethrusterduringtheimageacquisition.Themotionofthediagnosticsystemisobtainedthroughtwoseparatesteppermotorsonegoverningthearmrotation,theothercontrollingthearmtranslation.
远程显微诊断系统为一个专用相机固定于可移动结构上，并放置于真空设备内部。
推进器点火时，该系统保持在一个固定位置（图1底部），因此不会接触到等离子羽流。
推进器关闭后，远程显微镜系统移动到推进器前方对腐蚀情况进行测量。
图像采集时有四盏LED灯或激光线束为推进器照明。
诊断系统的移动由两个分开的步进电机控制，一个控制臂的旋转，一个控制臂的移动。
Figure1DiagnosticsystemforGIEerosionmeasurement:
frontview（top）,
Systemplacedinaparkingpositionwhenthethrusterisfiring（bottom）
图1用于GIE腐蚀测量的诊断系统，正面图（上图），推进器点火时系统处于固定位置（下图）
Thesystemconsistsofasupportingstructureandofaninspectionopticalhead.Thesupportingstructureincludesthefollowingmainsubsystems:
系统由一个支持结构和一个光学探头组成。
支持结构主要由以下分系统够成：
●Translationstage移动台
●Rotationstage旋转臂
●Sustainingarm支撑臂
●Protectivebox保护箱
Theopticalheadconsistsofalongworkingdistanceobjectivewiththefollowingcharacteristics:
光学探头具有长工作距离物镜，其特性如下:
Parameter参数
Unit单位
Value数值
Fieldofview视场
mm
5.33
Resolution分辨率
mm
0.005
DepthofField景深
mm
0.408
WorkingDistance工作距离
mm
175
Themeasurementsystemallowstheinspectionoftheaccelerationgrid（measurementoftheholediametervariationacrossadiameterofthegrid）.系统也可进行加速极检测（通过一个网格的直径测量孔径的差异）。
Parameter参数
Unit单位
Value数值
GIEdiameterrangeGIE直径范围
mm
50÷300
Imageresolution图像分辨率
μm
5
Fieldofview视场
mm
5.3
Measurementtype测量种类
-
Holediameter孔径
Griddeformation网格变形
Workingdistance工作距离
mm
175
TheTele-microscopysystemhasbeendesignedwiththeaimofperformingsuccessiveerosionmeasurementsduringGIEtestswithnoneedofre-openingthevacuumchamber.Thisgreatlyreducestheriskofcontaminationandsavesaconsiderableamountoftimeifmultiplemeasurementsaretobetakenalonganendurancetest.Theremarkableadvantageofperformingaseriesofsuccessivemeasurementsliesintheopportunityofrecordingnotonlythetotalerosionafteracertainnumberoffiringhours,butalsoatime-historyoftheerosion（thusprovidinginformationabouthowtheerosionratevariesintime）.
远程显微系统的设计可在GIE测试时进行连续腐蚀测量，而无须再次打开真空灌，这大大减小了污染的风险，并且为耐久试验的多次测量节省了大量的时间。
连续测量的最大优势不仅可以记录工作数小时后的整体腐蚀情况，也可以记录随时间变化的腐蚀情况（因此可以了解随时间变化的腐蚀速率）。
Figure2Calibrationimagestakenonabrandnewgrid
图2全新网格的校准图像
2.2Infrared-CameraSystemforHETTemperatureMeasurement用于HET温度测量的红外照相机
Byusinganinfraredcameraitispossibletomonitorthetemperatureofthethrusterassemblyduringthetest.
Altaprovidesanadvanceddiagnosticsystemwiththeinfraredcamerainstalledrightinsidethevacuumchamberinordertohaveanoptimalviewoftheitemwhosetemperaturehastobemonitored.Besides,inthiswaythecameracanbeplacedclosertothethruster（w.r.t.aninfraredcameraplacedoutsidethechamberandoperatingthroughoneoftheavailableviewports）,resultinginahigherspatialresolutionoftheacquiredimages.
测试过程中推进器部件的温度可通过红外照相机监测。
Alta提供的带有红外照相机的诊断系统科直接安装于真空管内部，以获得被测物体的最佳视图。
此外，相机更加靠近推进器，可获得较高的空间分辨率（放置在真空罐外部的红外相机只能通过一个可用视点照射）。
Theinfraredcamerahasthefollowingcharacteristics:
红外相机具有以下特性：
Parameter参数
Value数值
MeasuringRange测量范围
0-800℃
Error误差
<2%
TemperatureResolution温度分辨率
0.08℃
CCDsizeCCD尺寸
384X288px
WavelengthRange波长范围
8-14μm
Asanoption,thefollowingmoreperformingcameracouldbeprovided:
*Sensor:
microbolometricNON-cooled384x288pixels
*Spectralrange:
8…14micron
*MeasurementRange（s）:
1）0-200°C
2）150-800°C
3）200-1000°C
*Temperatureresolution:
<80mK（range1,30°C,50Hz）
*FieldofView（FOV）:
15°x12°
*Minimalfocaldistance:
0.75m
*Targetimage:
about280x205mm@1mdistance
*Pixelmeasurementspot:
0.8mm@1mdistance
*Differentpossibleacquisitionfrequencies:
selectablebetween50Hz,25Hz,12.5Hz,….
*Measureuncertainty:
2K（T<100°C）or2%ofthemeasuredvaluein°C
*Repeatability:
<1%ofthereading
*Measuringdistance:
from75cmto“infinity”
*Workingtemperature:
-10…50°C
*Interface:
FastEthernet（real-time50Hzmax）
*4I/Odigitalports:
digitalinputs（trigger）,digitaloutput（alarm）
*PowerInput:
10…36Vcc,5VA
*Weight:
about1.6kg
*Dimensions（mm）:
85x175x107mm
*Protection:
IP54
以下性能较高的相机作为可选项目提供：
Ø传感器：
微测辐射热非冷却382x288pixels
Ø光谱范围：
8…14微米
Ø测量范围：
1）0-200°C
✓2）150-800°C
✓3）200-1000°C
Ø温度分变率：
<80mK（range1,30°C,50Hz）
Ø视场（FOV）：
15°x12°
Ø最小焦距：
0.75m
Ø靶像：
约280x205mm@1m距离
Ø像素测量点：
0.8mm@1m距离
Ø不同采集频率：
可选频率50Hz，25Hz，12.5Hz…
Ø测量不确定度：
所测值的2K（T<100°C）或2%，单位℃
Ø可重复性：
显示的1%
Ø测量距离：
75mm到无限远
Ø工作温度：
-10…50°C
Ø接口：
快速以太网（最大值实时50Hz）
Ø种I/O数字分类：
数字输入（触发），数字输出（警报）
Ø电源输入：
10…36Vcc,5VA
Ø重量：
约1.6kg
Ø外形尺寸（mm）：
85x175x107mm
Ø保护：
IP54
InFigure3aschemeoftheinfrared-camerasystemisdisplayed.Thecameraiscontainedinasealedbox,whereatmosphericpressureismaintained（sincethecameracannotoperateinvacuum）.
图3为红外相机系统示意图，相机处于密封箱内，可保持大气压强（相机不能再真空环境工作）。
Figure3:
Infrared-cameradiagnosticsystem
图3红外相机诊断系统
Theopticalwindowoftheprotectingboxismadeofgermanium,amaterialwhichistransparenttowavelengthsintherangeofinterestforinfraredmeasurements（8-14m）.Whenthecameraisturnedoff,ashutter（actuatedbyasteppermotor）protectsthegermaniumwindowfromthesputteredparticlesthatcouldimpingeonit.Imagesacquiredwiththeinfraredcameraareelaboratedviaain-housedevelopedsoftware（asamplescreenshotispresentedinFigure4）.
保护箱的光学窗口由锗制成，可透过红外波长测量范围（8-14μm）。
相机关闭后，步进电机控制的遮光器可保护锗窗，以防溅射颗粒的影响。
红外相机采集的图像通过自主研制软件分析（图4是该软件的一个截图）。
Figure4Softwareforhandlingtheimagesacquiredwiththeinfraredcamera
图4红外相机图像处理软件
Thelistofcomponentsofthesystemis:
系统组件清单：
1）Pressuresensors压力传感器
2）Glasslenses玻璃镜头
3）StepperMotors步进电机
4）Drivers驱动器
5）Visualcamera（s）可视相机
6）IRCameraIR相机
7）Structure（adaptedtothechosenvacuumfacilitydiameter）结构（适用所选真空设备直径）
8）Sledge,Guides,Bearings,Gearsetc.拖运器，说明书，轴承，传动装置
9）Cablesandconnectors电缆与连接器
10）Feed-throughs馈入装置
11）Electronics电子仪器
12）ControlComputer控制计算机
13）Microswitch微型开关
14）Software软件
2.3Literatureoverview文献查阅
Alistofpapersavailableinliteratureontheproblemoferosionmeasurementisgivenbelow.
以下列出的是关于腐蚀测量的参考文献。
●M.T.Domonkos,A.D.Gallimore,“ThermographicInvestigationof3.2mmdiameterorificedhallowcathodes”,AIAA-98-3793
●S.Mazouffre,J.PerezLuna,D.Gawron,P.Echegut,M.Dudeck,“AninfraredthermographystudyonthethermalloadexperiencedbyahighpowerHalleffectthruster”,29thIEPC,Princeton,NJ,paper63（2005）.
●R.E.Stevens,M.T.Domonkos,"MethodologyandFeasibilityofIn-SituErosionMeasurementsinCarbon-BasedIonThrusterGridsbyLaserInducedFluorescence,"IEPC-01-311
●M.T.Domonkos,R.E.Stevens,"AssessmentofSpectroscopic,Real-TimeIonThrusterGridErosion-RateMeasurements,"AIAA2000-3815,36thAIAA/ASME/SAE/ASEEJointPropulsionConferenceandExhibit,2000.
●E.J.Beiting,“PrecisionMeasurementsofIon-EngineGridsforErosionStudies”
●J.E.Polk,J.R.Anderson,J.R.Brophy,V.K.Rawlin,M.J.Patterson,J.Sovey,“InSitu,Time-Resolved
●AcceleratorGridErosionMeasurementsintheNSTAR8000HourIonEngineWearTest“,AIAA97-1114
●L.S.Mason,R.S.Jankovsky,“1000hoursoftestingona10kilowattHalleffectthruster“,AIAA-2001-3773,
●37thAIAA/ASME/SAE/ASEEJointPropulsionConferenceandExhibit,,2001
●R.S.Jankovsky,“PreliminaryEvaluationofa10kWHallThruster“,AIAA-99-0456
●J.Tomaszewski.R.
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