CN101051039B - 小球探头型单极性带电粒子浓度的测试方法 - Google Patents

Abstract

小球探头型单极性带电粒子浓度的测试方法属于气体放电物理、大气压等离子体物理和气体动力等技术领域。其特征是采用小球型传感器测试单极性带电粒子浓度，球型探头直径在2mm-20mm之间，测试携带单极性带电粒子的风流速度可为400m/s，测试带电粒子浓度可为3.1×10⁹/cm³。对球型探头施加单极性直流电压，使传感器周围形成静电场，在风力及电场的作用下，带电粒子的驱进速度与气流速度一致，趋向球面，其电荷被球型探头收集成为微电流信号，进而指示出带电粒子浓度。本发明的效果和益处是探头体积小，对流场影响低，精度高，可广泛用于测量高流速的单极性带电粒子流的浓度。

Description

小球探头型单极性带电粒子浓度的测试方法

技术领域

本发明属于气体放电物理、大气压等离子体物理和气体动力学等技术领域，涉及小球探头型单极性带电粒子浓度的测试方法。

背景技术

目前，对大气压下非平衡等离子体的物理研究已经成为新的研究热点，但对等离子体的产生及运动机理的研究并不完善，因而在现阶段的研究中，等离子体测试手段便越来越显示其重要性。当前测量低温等离子体浓度的主要方法有Langmuir探针法、平行板式电荷收集法。这两种方法的测量过程都是与等离子体直接接触的主动诊断。Langmuir探针法主要是通过向等离子体中插入一个只有尖端部绝缘的金属针，并在其尖端加以电压，从等离子体中引出一个电流，从I-V特性曲线的指数部分可以推断在边缘的等离子体参数，国外学者早在六、七十年代，就对探针法的应用做过许多研究。Lockte-Holtgreven W.与Swift J.D等人分别于1968年、1970年研究了如何使用静电探针分析等离子体特性；而国内的研究则较晚一些，1990年，冯玉国等人做了关于Langmuir探针测量等离子体内参数的实验研究；1995年，陈宗柱等人研究了稳态放电等离子体参数的双探针测量法。但探针法只适用于低气压及其真空条件下氩气产生的等离子体，对高气压下产生的等离子体浓度无法测量。现在用的平行板式电荷收集法，是根据空气离子专家Beckett推荐的Wesix平行板式空气离子收集原理研制，采用电容式收集器收集电荷，通过微电流计将电荷转换的电流信号进行表征，最后通过计算得出离子浓度值。在实际应用中，平行板由于其构造的局限性，采用的是与离子驱进速度垂直的外加电场，导致风速成为捕获离子的阻力，因而使测量对象的风速受到了较大的限制，取样空气的流速最大约为1.80m/s，且平行板式离子测量仪的传感器体积太大了，不适用于等离子体速度流场的测量。

发明内容

本发明的目的是为解决等离子体高速度流场中的带电粒子浓度测试问题，提供了单极性带电粒子浓度的测试方法。该方法结合了探针及平行板式测量方法的特点研制了小型化球探头型单极性离子浓度测试仪，特别针对大气压下空气放电产生的等离子体浓度进行有效测量。采用球形传感器并根据带电粒子在电场作用下碰撞吸附原理收集电荷，克服了平行板式测量方法的缺陷，使风速成为离子收集的动力，而非阻力，大幅度提高了离子的驱进速度，增大了捕集效率，从而提高了测量精度；另外，设计的球形传感器体积小，直径仅为4～10mm，便于局部定点的测量，对分析研究等离子体参数的时空演变规律提供了条件，也为在飞行器隐身及减阻的风洞实验中，高风速(20m/s-400m/s)测量等离子体浓度的日控参量提供了较理想的测试仪。

本发明的技术方案是：采用金属小球作为传感器探头，并对小球探头施加单极性直流电压，使传感器产生发散的静电电场，单极性带电粒子在电场力作用驱向球面，带电粒子的驱进速度与气流速度是一致的，使其带电粒子与球面碰撞，它所携带的电荷将被小球探头有效的收集后转化成为表征离子浓度的微电流信号，进而表征出带电粒子浓度。

本发明采用球状探头为传感器，主要用于测试大气压下高风速下等离子体浓度。本发明的探测仪主要由小球型探头、电源、微电流检测仪、信号变换器及离子浓度指示器等组成。探头直径可在2mm至20mm范围内选择。测试过程中，对球形探头施加单极性直流电压，使传感器产生发散的静电电场，在风力及电场力的作用下带电粒子的驱进速度与气流速度一致，从而趋向球面运动，克服了平行板结构中由于电场形成的离子驱进速度方向与气流速度方向垂直而造成的捕集不全所带来的测量误差问题，以及不能测试远大于带电粒子驱进速的气流风速，解决平行板式只可测低于1.8m/s风速的离子。

设球型传感器带有电荷数为n_i，每个电荷带电量为e在其周围空间内存在发散电场，被作用的粒子密度为n，距离传感器表面单电荷r处的场强E_r为

$E_r=\frac{e}{4\mathrm{\π\ϵ}{r}^2}---\left(1\right)$

ε为介质空间的介电常数，粒子在传感器产生的电场力作用下被极化并吸附，得到的能量密度w为

$w=\frac{1}{2}\mathrm{\ϵ}{E_r}^2---\left(2\right)$

假设电场力作用范围内能量密度均匀，粒子极化半径为a，并且所有的粒子(总数N)都会受到该传感器产生电场的作用，则该电场作用下获得的束缚能量W为

$W=\stackrel{N}{\mathrm{\Σ}}w\×v=\stackrel{N}{\mathrm{\Σ}}\frac{2}{3}\mathrm{\π}{a}^3\mathrm{\ϵ}{E_r}^2---\left(3\right)$

粒子平均所占空间的半径r₀为

$r_0=\frac{1}{2\sqrt[3]{n}}---\left(4\right)$

与传感器表面中的离子距离r可以表示为

r＝xr₀                                            (5)

式中x为系数。进而得到

$W=\stackrel{N}{\mathrm{\Σ}}\frac{2}{3}\mathrm{\π}{a}^3\mathrm{\ϵ}{E_r}^2=\frac{2}{3}\mathrm{\π\ϵa}{\∫}^N\frac{e^2}{16{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\ϵ}}^2{r_0}^4{x}^4}\mathrm{dx}=\frac{2a^3{e}^2{n}^{\frac{4}{3}}}{9\mathrm{\π\ϵ}}{\∫}^N\frac{1}{x^4}\mathrm{dx}---\left(6\right)$

从上式中的系数可以看出，离子浓度越高，产生的束缚力就越大，对高浓度的离子浓度测量越有利。电荷被球型采集器收集后，转化为微电流信号，流经传感器的无规则热运动产生的电子电流为

$I_{\mathrm{eo}}=\frac{1}{4}{N}_{e}e{\mathrm{\υ}}_{e}A---\left(7\right)$

$N_e=\frac{16I_{\mathrm{eo}}}{e{\mathrm{\υ}}_e\mathrm{\π}{d}^2}---\left(8\right)$

上式中，N_e为单位体积空气中离子数目(/cm³)；I_eo为微电流读数(A)；e为基本电荷电量(库伦)；υ_e为取样空气流速(cm/s)；A为球形探头的有效横截面积(cm²)；d为球型传感器直径。在球形收集器产生的偏置电场作用下，等离子体中的电子及离子被球形传感器收集，根据电荷转换的微电流信号大小可以用上式计算出等离子体浓度。

本发明的效果和益处是：采用小球型探头，它对带电粒子的高风速流场分布影响甚小，解决了平行板式的传感器体积庞大带来的缺点，为测试和绘制带电粒子浓度场提供了有效的仪器；解决了平行板式只可测风速低于1.8m/s的离子浓度的问题，可检测到400m/s以下的高流速的离子浓度；解决了平板式测量方法缺陷，使风速成为离子收集的动力，大幅度提高了离子的驱进速度，从而提高了测量精度，为分析研究大气压等离子体参数的时空演变规律提供了条件。

附图说明

图1是平行板式(DLY)空气离子浓度测量仪原理示意图。

图1中：1风速υ₀，2驱进速度ω，3风速与驱进速度的矢量和速度υ，4带电粒子，5收集极板，6高压极板，7直流电源，8电压表，9微电流检测议，10信号变换器，11离子浓度指示器。

图2是小球探头型空气离子浓度测量仪原理示意图。

图2中：1风速υ₀，2驱进速度ω，4带电粒子，7直流电源，8电压表，9微电流检测仪，10信号变换器，11离子浓度指示器，12小球探头。

图3是高风速下测试距离对离子浓度影响关系曲线图。

图4是低风速下测试距离对离子浓度影响关系曲线图。

图5是等离子体源中的激励电场强度对空气离子浓度影响曲线图。

图6是空气风速对离子浓度影响曲线图。

图7是用小球探头型空气离子浓度检测方法的测试数据绘制离子浓度空间分布界面图。

图8是用小球探头型空气离子浓度检测方法的测试数据绘制离子浓度空间分布截面的等浓度图。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图说明详细叙述本发明的具体实施例。

步骤1.图2中直流电源7对金属小球探头12施加直流高电压，在小球周围形成发散静电电场，带异性电荷的粒子在电场作力下，带电粒子4驱向小球的驱进速度ω2与风速υ₀1方向一致，其粒子奔向小球探头是带电粒子驱进速与度风速的代数和。

步骤2.带电粒子在驱进速度ω2、风速υ₀1的作用下，与小球探头12碰撞后，把所有带的电荷转移给微电流检测仪9形成微电流信号，再经信号变换器10转换成数字信号，使其在离子浓度指示器11显示出离子浓度。

步骤3.从图3、图4可以看出，球形探测仪与DLY测试仪测量的离子浓度均随着测试点至离子源距离的增大而呈下降趋势：在风速为23m/s时，随着测试点距离的增大，球形探测仪测得的离子浓度由2.9×10⁹/cm³减少为6.8×10⁸/cm³，而DLY测得结果是由5.5×10⁸/cm³减少为9.1×10⁷/cm³。在低风速5m/s时，下降趋势一致，不过球形探测仪测得的最高浓度为2.1×10⁹/cm³，而DLY只能测得2.8×10⁸/cm³，即相同条件下，两者测得的离子浓度相差一个数量级左右，可以看出由于球形探测仪的结构特点，使离子的漂移方向与驱进力一致，使球形探测仪对离子的捕获率较DLY高出很多。另外，两者均在10cm～15cm处呈现较明显的下降趋势，15cm后下降趋势渐缓，这是由于距离增大到15cm处后，在离子的输运过程中，离子浓度扩散及损失率等影响，致使测量数据变小。

步骤4.利用DLY空气离子测量仪与球形探测仪分别测量强电场下电晕放电形式产生的离子浓度，如图5所示，可以看出，在将激励电场从8.4kV/cm调至10.0kV/cm的过程中，两种测量方法测得的离子浓度均呈上升的趋势，其中由球形探测仪测得的离子浓度增加趋势较快，最终可达到3.1×10⁹/cm³，而由DLY测得的离子浓度最大值仅为6.0×10⁸/cm³。从两者的结果可以看出电场强度对离子浓度的影响很大，随着外加电场的增大，电晕放电状态经历了电离起始阶段、流光放电区域、辉光放电区域以及火花击穿区域，电离产生的离子浓度也随之变化，在高风速下，由球形探测仪测得的结果明显高于DLY，且与相同状态下的伏安特性曲线更吻合。

步骤5.不同风速下的测量结果。在不同风速下，分布使用DLY空气离子测量仪与球形探测仪对电晕放电产生的离子浓度进行测量，如图6所示。从图中可以看出，低风速时，两种测量方法测得结果相差不大，分别为1.8×10⁸/cm³及2.7×10⁸/cm³，两者尚属于同一数量级；但当风速逐渐增大时，球形探测仪的测量结果显著升高，在风速为10m/s时，曲率最大，离子浓度产生率最高，测得的离子浓度高达1.4×10⁹/cm³；当风速超过15m/s，直至23m/s时，测量结果持续上升，但趋势渐缓，增加速度较慢，离子浓度最终达到1.1×10⁹/cm³。而在相同条件下，由DLY测得的数据结果虽然趋势与前者相同，但变化程度与测得的具体数据差异较大。从图中可以看出，DLY测得的离子浓度随风速变化情况不明显，整条曲线曲率较小，变化趋势渐缓，风速在6m/s～23m/s范围变化时，测得的离子浓度最高仅为5.0×10⁸/cm³。

步骤6.等离子体浓度的空间分布测量。球形探测仪的构造由于采用球形金属作为探头，因而占用空间小，便于空间等离子体的定点测量。图7、图8是风速为23m/s时，在距等离子体源出口80cm处利用球形探测仪对等离子体浓度空间分布的测量结果。从图中可以看出，空间离子浓度由中心处(顶点处浓度为2.2×10⁹/cm³)逐渐向四周扩散，最终消逝，这一过程是等离子体在风力及其自身重力的作用下所形成的。由于采用的电晕式放电离子源出口截面为9cm×9cm，与DLY空气离子测量仪的入口尺寸相当，因此不便实现等离子体浓度的空间局部测量；而球形探测仪的探头直径仅为6mm，可在较小的空间范围内进行局部定点测量，为进一步研究等离子体的空间分布问题提高了较好的前提条件。

Claims (1)

1.一种小球探头型单极性带电粒子浓度的测试方法，其特征在于采用小球型传感器测试单极性带电粒子浓度，是对球型探头施加单极性直流电压，使传感器周围形成发散式静电场，带电粒子的驱进速度方向与被检测离子流风速方向是一致的，使带电粒子趋向球面，带电粒子的电荷被球型探头收集成为微电流信号，进而变换成带电粒子浓度，其特征是：

a.小球探头的材料为金属，其直径范围为2mm-20mm；

b.测试携带单极性带电粒子的风流速度为400m/s；

c.测试带电粒子浓度为3.1×10⁹/cm³。

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