栅极腐蚀在线测量技术项目研究建议书.docx

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栅极腐蚀在线测量技术项目研究建议书

ALTA公司栅极腐蚀在线测量系统

技术建议书

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,“ThermographicInvestigationof3.2mmdiameterorificedS.Mazouffre,J.PerezLuna,D.Gawron,P.Echegut,M.Dudeck,“AninfraredthermographystudyonthethermalloadexperiencedbyahighpowerHalleffectthruster”,29thIEPC,Princeton,NJ,paper63（2005）.

●R.E.Stevens,M.T.Domonkos,"MethodologyandFeasibilityofIn-SituErosionM.T.Domonkos,R.E.Stevens,"AssessmentofSpectroscopic,Real-TimeIonThrusterGridErosion-RateandExhibit,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

●37thAIAA/ASME/SAE/ASEEJointPropulsionConferenceandExhibit,,2001

●J.Tomaszewski.R.Branam,W.Hargus,“CharacterizationofaHallEffectThrusterUsingThermographicCustomerrequirements用户需求

2.4Introduction引文

TheLanzhouInstituteofPhysicsaimsatthemeasurementofthegriderosionproducedon1kW-classionenginestobeplacedinadedicatednewvacuumchamberandsubjectedtolongdurationtests.Accuracy,easinessofuse,andreliabilityofthesystemarethekeyrequirementsthatwillbedetailedinthenextsections.

510所旨在测量其专有的新型真空灌内1kW级等离子发动机所产生的栅极腐蚀，并进行长期测试。

操作的精确、可靠、简易和系统的可靠是关键要求，详见一下章节。

2.5Detailedcustomerrequirements客户详