CN102508002B - 一种嵌入式双探针等离子体密度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耐高温嵌入式双探针等离子体密度测量装置，用于再入飞行时测量飞行器周围密度为10⁸～10¹¹cm^-3的等离子体，主要包括两根铱电极探针，两个探针电极保护环，氮化硼绝缘底座、两根电极连接导线及检测电路，嵌入式双探针采用金属铱作电极，氮化硼作绝缘电极，设置有探针电极保护环以减小边缘效应，提高测量精度，探针电极保护环与铱电极探针之间的间距小于或等于德拜长度，本发明测量装置能直接安装在再入飞行器表面实时连续测量边界层内等离子体密度，探针抗氧化，不影响飞行器的气动外形，能长时间连续测量，体积小、精度高。

Description

一种嵌入式双探针等离子体密度测量装置

技术领域

本发明属于空间等离子体参数测量领域，涉及一种耐高温嵌入式双探针等离子体密度测量装置，可以用于再入飞行时边界层内密度在10⁸cm^-3～10¹¹cm^-3的空间等离子体参数测量。 

背景技术

无论是载人飞船、回收卫星还是洲际导弹，再入大气层后的末相系统均有许多命令，如语言通讯，电子对抗，末制导等，均要求信号实时传输。对于不同类型的再入飞行器，其等离子体鞘的形态和参数不同，理论研究只能给出方向性的结论，根据这些结论所提出的设计必需进过飞行试验的最终校验。地面试验一个重大的缺陷是不能提供电讯号衰减测量全部的模拟条件，包括高焓、高速、气体组分、无限大自由空间的介电环境等。因此飞行试验对于再入通讯研究具有特殊的重要性。弹载再入等离子体鞘诊断装置的研制应运而生。目前测量方法主要有：波导天线探针、静电探针、射频电导率探针、电声探针、电阻线探针、微波辐射计、隔离狭缝天线等。弹载传感器需要能在全再入过程中连续的测定等离子体鞘的全部参数；再入环境条件(特别是热环境)十分严酷，需要保证传感器不被烧坏；制作简易方便，数据处理简单易行；尺寸小、重量轻。目前静电探针(朗缪尔探针)的主要缺点是有效收集面积难以确定、抗高温与氧化性差、影响飞行器气动外形。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种耐高温嵌入式双探针等离子体密度测量装置，该测量装置能够安装在再入飞行器表面，与飞行器表面齐平，不破坏飞行器的气动外形，并且耐高温、体积小、测 量精确高。 

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的： 

一种耐高温嵌入式双探针等离子体密度测量装置，包括氮化硼绝缘底座、两根铱电极探针、两个探针电极保护环和两根电极连接导线，其中两根铱电极探针嵌入到氮化硼绝缘底座中，第一探针电极保护环环绕在第一铱电极探针周围，第二探针电极保护环环绕在第二铱电极探针周围，且探针电极保护环与铱电极探针之间的间距小于或等于德拜长度，并保证两根铱电极探针的端面、两个探针电极保护环的表面和氮化硼绝缘底座的表面在同一个平面上，所述平面可安装在再入飞行器表面，与再入飞行器表面齐平，其中探针电极保护环与铱电极探针之间的间距为探针电极保护环圆环内径R与铱电极探针半径r的差值；第一探针保护环与第一铱电极探针连接，第二探针保护环与第二铱电极探针连接，第一电极连接导线连接第一铱电极探针，第二电极连接导线连接第二铱电极探针，且两根电极连接导线从氮化硼绝缘底座中穿过，与检测电路连接。 

在上述耐高温嵌入式双探针等离子体密度测量装置中，检测电路包括可调电阻器、扫描电压源和固定电阻，其中两根电极连接导线中的一根电极连接导线直接与可调电阻器连接，另外一根电极连接导线串联固定电阻后与可调电阻器连接，可调电阻器与扫描电压源并联连接。 

在上述耐高温嵌入式双探针等离子体密度测量装置中，两个探针电极保护环与两根铱电极探针的材料相同且同电位。 

在上述耐高温嵌入式双探针等离子体密度测量装置中，两根铱电极探针的尺寸相同且材料相同。 

在上述耐高温嵌入式双探针等离子体密度测量装置中，两根铱电极探针的直径≤3.2mm，且两根铱电极探针的长度为直径的2～10倍。 

在上述耐高温嵌入式双探针等离子体密度测量装置中，等离子体密度测量装置用于再入飞行器再入飞行时，边界层内密度在10⁸cm^-3～10¹¹cm^-3 的空间等离子体参数测量。 

本发明与现有技术相比具有如下有益效果： 

(1)本发明等离子体密度测量装置中铱电极探针的端面、探针电极保护环的表面和氮化硼绝缘底座的表面在同一个平面上，使得测量装置能够安装在再入飞行器表面，与飞行器表面齐平，不破坏飞行器的气动外形； 

(2)本发明等离子体密度测量装置中探针材料为金属铱材料，可承受长时间温度不高于2000℃环境，且不容易氧化； 

(3)本发明等离子体密度测量装置中采用探针电极保护环结构减小了边缘效应，保证探针的有效收集面积，提高了测量的精确度，此外本发明通过大量实验给出了探针电极保护环与电极探针之间的最佳间距，进一步提高了测量的精确度； 

(4)本发明等离子体密度测量装置采用氮化硼作耐热绝缘材料，其可加工性、高温下绝缘性好； 

(5)本发明等离子体密度测量装置可以用作再入飞行器飞行时等离子体密度实时连续测量的一种手段，体积小、测量精确高，可以配合微波等离子体诊断提高精确的等离子体形貌测量，为无线电通讯提供传播特性参数。 

附图说明

图1为本发明等离子体密度测量装置的结构示意图； 

图2为本发明探针电极保护环与电极探针结构示意图； 

图3为本发明等离子体密度测量装置中检测电路示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述： 

如图1所示为本发明等离子体密度测量装置的结构示意图，由图可知测量装置包括氮化硼绝缘底座1、两根铱电极探针2、5、两个探针电极保护环3、4和两根电极连接导线6、7。其中绝缘底座1选用的是氮化硼，其绝缘电阻高达10¹⁴Ω-cm，此外具有高的热导系数与可加工性。 

两根铱电极探针2、5嵌入氮化硼绝缘底座1中，第一探针电极保护环3环绕在第一铱电极探针2周围，第二探针电极保护环4环绕在第二铱电极探针5周围，且探针电极保护环与铱电极探针之间的间距小于或等于德拜长度，探针电极保护环与铱电极探针之间的间距＝R-r，其中R为探针电极保护环3、4的内圆半径，r为铱电极探针2、5的半径，如图2所示为本发明探针电极保护环与电极探针结构示意图。 

两个探针电极保护环3、4与两根铱电极探针2、5的材料相同且同电位，且两根铱电极探针2、5的尺寸相同且材料相同，铱电极探针2、5的长度远大于直径，长度至少为其直径的2倍。探针材料选用的是金属铱，其熔点为2453℃，功函数、溅射率、二次发射系数高、抗氧化性好。 

两根铱电极探针2、5的端面、两个探针电极保护环3、4的表面和氮化硼绝缘底座1的表面在同一个平面上，该平面可安装在再入飞行器表面，与再入飞行器表面齐平，不破坏飞行器的气动外形。 

本实施例中电极探针直径为3.2mm，探针电极保护环尺寸外径为8mm，探针与保护环的间距为0.1mm(根据本实施例等离子环境中的德拜长度确定)，与电极探针同轴安装，电极探针长度为8mm。两探针中心距离为10mm，绝缘基座的直径为20mm。 

第一探针保护环3与第一铱电极探针2连接，第二探针保护环4与第二铱电极探针5连接，第一电极连接导线7连接第一铱电极探针2，第二电极连接导线6连接第二铱电极探针5，且两根电极连接导线6、7从氮化硼绝缘底座1中穿过，与检测电路连接。 

如图3所示为本发明等离子体密度测量装置中检测电路示意图，由图可知检测电路包括可调电阻器8、扫描电压源9和固定电阻10，其中第二铱电极探针5的电极连接导线6连接至可调电阻器8的中间部位，第一铱电极探针2的电极连接导线7串联固定电阻10后与可调电阻器8的中间部位连接，调节离子收集电流强度，可调电阻器8与扫描电压源9并联连接。 

本发明等离子体密度测量装置的工作过程如下： 

当本发明等离子体密度测量装置随再入飞行器进入轨道后，其处于空间等离子体环境11中(见图3)，此时对静电探针电极连接导线6、7进行加电，按照图3所示检测电路进行扫描加电，扫描电压源9电压从-100V～+100V，扫描频率为1Hz，扫描步阶为100mV～250mV，数据采集频率为100Hz。第二铱电极探针5的电极连接导线6连接至可调电阻器8的中间部位，在第一铱电极探针2与可调电阻器8中间插入一固定电阻10，调节离子收集电流强度。 

通过对铱电极探针进行扫描，能够获取I-V(电流-电压)探针数据记录。根据该数据记录绘制出I-V(电流-电压)探针数据记录曲线。最后，根据该曲线的特征数据点，运用探针连续理论方法推算出等离子体的密度和温度参数。本发明装置能直接安装在再入飞行器表面实时连续测量边界层内等离子体密度，主要用于再入飞行时密度在10⁸～10¹¹cm^-3热等离子体密度测量。 

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。 

Claims (6)

1.一种嵌入式双探针等离子体密度测量装置，其特征在于：包括氮化硼绝缘底座(1)、两根铱电极探针(2、5)、两个探针电极保护环(3、4)和两根电极连接导线(6、7)，其中两根铱电极探针(2、5)嵌入到氮化硼绝缘底座(1)中，第一探针电极保护环(3)环绕在第一铱电极探针(2)周围，第二探针电极保护环(4)环绕在第二铱电极探针(5)周围，且探针电极保护环与铱电极探针之间的间距小于或等于德拜长度，并保证两根铱电极探针(2、5)的端面、两个探针电极保护环(3、4)的表面和氮化硼绝缘底座(1)的表面在同一个平面上，所述平面能够安装在再入飞行器表面，与再入飞行器表面齐平，其中探针电极保护环与铱电极探针之间的间距为探针电极保护环圆环内径R与铱电极探针半径r的差值；第一探针保护环(3)与第一铱电极探针(2)连接，第二探针保护环(4)与第二铱电极探针(5)连接，第一电极连接导线(7)连接第一铱电极探针(2)，第二电极连接导线(6)连接第二铱电极探针(5)，且两根电极连接导线(6、7)从氮化硼绝缘底座(1)中穿过，与检测电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种嵌入式双探针等离子体密度测量装置，其特征在于：所述检测电路包括可调电阻器(8)、扫描电压源(9)和固定电阻(10)，其中两根电极连接导线(6、7)中的一根电极连接导线直接与可调电阻器(8)连接，另外一根电极连接导线串联固定电阻(10)后与可调电阻器(8)连接，可调电阻器(8)与扫描电压源(9)并联连接。

3.根据权利要求1所述的一种嵌入式双探针等离子体密度测量装置，其特征在于：所述两个探针电极保护环(3、4)与两根铱电极探针(2、5)的材料相同且同电位。

4.根据权利要求1所述的一种嵌入式双探针等离子体密度测量装置，其特征在于：所述两根铱电极探针(2、5)的尺寸相同且材料相同。

5.根据权利要求1所述的一种嵌入式双探针等离子体密度测量装置，其特征在于：所述两根铱电极探针(2、5)的直径≤3.2mm，且两根铱电极探针(2、5)的长度为直径的2～10倍。

6.根据权利要求1所述的一种嵌入式双探针等离子体密度测量装置，其特征在于：所述等离子体密度测量装置用于再入飞行器再入飞行时，边界层内密度在10⁸cm^-3～10¹¹cm^-3的空间等离子体参数测量。

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