T/BEA 40002-2022 微波ECR等离子体发生器校准规范

内容简介

本标准适用于真空环境下使用的新制造（或新购置）和修理后的微波ECR等离子体发生器等离子体参数的校准和周期性校准
1范围1.1主题内容本规范规定了微波ECR等离子体发生器的计量特性、校准条件、校准项目、校准方法、校准结果的处理。1.2适用范围本标准适用于真空环境下使用的新制造（或新购置）和修理后的微波ECR等离子体发生器等离子体参数的校准和周期性校准。2规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包含勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。GJB7363-2011空间等离子体环境效应动态试验方法JJF1001-2011　通用计量术语及定义3术语定义3.1微波ECR等离子体发生器microwaveECRplasmagenerator微波ECR等离子体发生器是一种在真空环境下，利用电子回旋共振与微波耦合，从而产生稳定的等离子体的一种气体电离装置。3.2等离子体电子密度plasmaelectrondensity单位体积内的等离子体的电子数量，用于表征气体被电离成等离子体的程度，单位为个每立方米（/m3）。3.3等离子体电子温度plasmaelectrontemperature当等离子体处于热平衡状态时，用于表征等离子体中电子平均动能的大小，单位为电子伏特（eV）。3.4径向比radialdirectionratio真空腔室内产生的均匀等离子体区域，沿径向方向与等离子体发生器半径的比值大小。4概述4.1用途微波ECR等离子体发生器是一种用于电离气体产生稳定等离子体的一种设备，可用于模拟空间电离层低密度等离子体环境微波ECR等离子体发生器产生推力。4.2原理及结构将频率为2.45GHz的微波经石英玻璃窗注入到等离子体谐振腔（等离子体放电腔）内，放电腔内气体中的自由电子在微波电磁场的加速下撞击气体分子，使其电离产生新的电子，这些电子也加入到与气体分子的碰撞电离中，如此循环往复最终发生雪崩放电。当放电腔的电离与复合达到动态平衡后将会在放电腔内产生密度稳定的等离子体，等离子体按照双极扩散的规律充满真空腔室，形成所需要的等离子体环境。微波ECR等离子体发生器主要由真空腔室、微波电源、微波传输系统、等离子体放电腔以及Langmuir探针组成。根据微波耦合方式的不同，微波ECR等离子体发生器可分为直接耦合型微波ECR等离子体发生器、多极场位形微波ECR等离子体发生器和同轴ECR等离子体发生器。5计量特性5.1外观微波ECR等离子体发生器上的微波电源、真空计、流量计、Langmuir探针应有以下标志：仪器名称、型号、制造厂名及出厂编号、制造日期等。微波ECR等离子体发生器气体管路接口可靠，真空腔室上应留有标准的法兰接口。5.2均匀性微波ECR等离子体发生器沿径向方向，径向比1.5范围内产生等离子体的均匀性误差不大于±15%。5.3电子密度示值误差微波ECR等离子体发生器可产生的等离子体电子密度范围：1×1012/m3~1×1016/m3，示值误差不大于±50%。5.4电子密度重复性微波ECR等离子体发生器的等离子体电子密度重复性，重复性不大于50%。5.5电子温度示值误差微波ECR等离子体发生器可产生的等离子体电子温度范围：1eV~10eV，示值误差不大于±50%。6校准条件6.1环境条件环境温度：（25±5）℃；相对湿度：≤85%；供电电源：(220±22)V，(50±1)Hz；周围无明显振动，无强电、磁场干扰，无腐蚀性气体，无火源，通风良好。6.2校准项目及设备校准项目见下表1。表1校准项目一览表序号　校准项目　校准类别　　首次校准　后续校准　使用中校准1　外观检查√　√　√2　均匀性　√　√　√3　电子密度示值误差　√　√　√4　电子密度重复性　√　√　√5　电子温度示值误差　√　√　√校准所用仪器设备应经过计量技术机构校准，满足校准使用要求，并在有效期内。校准用主要设备及性能要求如下：序号　校准所用设备　主要技术指标或等级1　等离子体发生器校准装置　1)电子密度校准范围：优于1×1012/m3~1×1018/m3，测量结果的不确定度：优于15%(k=2)；2)电子温度校准范围：1eV~10eV，测量结果的不确定度：优于15%(k=2)。校准所用其他辅助设备包括：a)钢直尺、水平台；b)高纯氮气、氦气、氖气；c)压缩空气。7校准方法7.1外观检查目测检查。7.2安装a)将等离子体发生器校准装置通过真空腔室上的标准法兰接口，对称安装在微波ECR等离子体发生器上。同时，打开真空腔室大门，对校准装置针尖的安装位置与Langmuir探针的针尖相对位置进行测量，确保其满足对称安装的要求；b)关闭真空室舱门，进行通电检查；c)对真空舱室进行抽气，检查真空舱室的气密性是否满足要求。7.3均匀性a)调节微波ECR等离子体发生器真空腔室内的真空度，调节气体流量计，注入放电所需的气体，使得微波ECR等离子体发生器处于可产生气体放电的状态；b)打开微波ECR等离子体发生器的微波电源，预热30min；c)调节被校准微波ECR等离子体发生器的微波电源功率、气体流量，使得微波ECR等离子体发生器的等离子体电子密度分别可稳定在1×1012/m3、1×1014/m3、1×1016/m3共3个测试点上，测试时，在长径比1.5范围内，移动等离子体发生器校准装置径向位置不少于3次，并记录等离子体发生器校准装置的电子密度值，按照式（1）计算均匀性：（1）U=(nmax-nmin)/2nav×100%式中，nmax——同一电子密度下，不同径向位置处测得的电子密度最大值，m-3；nmin——同一电子密度下，不同径向位置处测得的电子密度最小值，m-3；nav——同一电子密度下，不同径向位置处测得的电子密度平均值，m-3。7.4电子密度示值误差a)调节微波ECR等离子体发生器真空腔室内的真空度，调节气体流量计，注入放电所需的气体，使得微波ECR等离子体发生器处于可产生气体放电的状态；b)打开微波ECR等离子体发生器的微波电源，预热30min；c)调节被校准微波ECR等离子体发生器的微波电源功率、气体流量，由低到高，使得微波ECR等离子体发生器的等离子体电子密度分别可稳定在1×1012/m3、3×1012/m3、1×1013/m3、3×1013/m3、1×1014/m3、3×1014/m3、1×1015/m3、3×1015/m3、1×1016/m3共9个测试点上，测试时，每个电子密度测试点的实际值与设定值的偏差不超过设定值的±20%，对于每一个测试点，稳定1min后进行数据记录。分别记录各测试点微波ECR等离子体发生器的电子密度示值n‘和等离子体发生器校准装置的电子密度示值n，按照式（2）计算其示值误差：δ=(n’-n)/n×100%（2）式中，n’——各测试点微波ECR等离子体发生器的示值，m-3；n——各测试点的等离子体发生器校准装置示值，m-3；δ——微波ECR等离子体发生器示值与校准装置示值的最大相对误差。7.5电子密度的重复性按照，按照公式（3）计算每点的重复性误差，并取最大值作为微波ECR等离子体发生器的重复性。b=丨△n-n丨/n（3）式中，b——各校准点的重复性误差，%；△n——各测试点的微波ECR等离子体发生器的电子密度三次测量示值平均值，m-3；n——各测试点的等离子体发生器校准电子密度示值，m-3。7.6电子温度的示值误差调节被校准微波ECR等离子体发生器的微波电源功率、气体流量，由低到高，使得微波ECR等离子体发生器的等离子体电子温度分别可稳定在1eV、2eV、4eV、6eV、8eV、10eV共6个测试点上，测试时，每个电子温度测试点的实际值与设定值的偏差不超过设定值的±20%，对于每一个测试点，稳定1min后进行数据记录。分别记录各测试点微波ECR等离子体发生器的电子温度示值t‘和等离子体发生器校准装置的电子温度示值t，按照式（4）计算其示值误差：δ=(t‘-t)/t×100%（4）式中，t‘——各测试点微波ECR等离子体发生器的示值，eV；t——各测试点的等离子体发生器校准装置示值，eV；δ——微波ECR等离子体发生器示值与校准装置示值的最大相对误差。8校准结果的处理8.1校准结果的处理经校准的微波ECR等离子体发生器应出具校准证书。校准证书的校准结果记录表格可参照附录A。8.2校准周期建议微波ECR等离子体发生器的复校时间间隔为一年。