CN109688686B - 一种等离子体环境中朗缪尔探针伏安特性模拟装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种等离子体环境中朗缪尔探针伏安特性的模拟装置，按照逆向设计思路，通过两种三极管的伏安特性原理来组合实现，二极管用来选通正负特性曲线区，不同于微型计算机的数字控制方式架构，本发明装置通过纯模拟电路实现，结构简单，易于实现，只需改变部分元件参数就可以模拟出实际等离子体环境中朗缪尔探针伏安特性。

Description

一种等离子体环境中朗缪尔探针伏安特性模拟装置
技术领域
本发明属于空间物理探测技术领域，具体涉及一种等离子体环境中朗缪尔探针伏安特性模拟装置。
背景技术
朗缪尔探针的工作原理是将传感器浸入等离子体中，传感器会收集等离子体中的电子和离子，形成电流.当给传感器外加一个扫描电压，传感器收集形成的等离子体电流会随着外加扫描电压的变化而变化，从而得到传感器与等离子体相互作用的伏安特性曲线。通过分析该伏安特性曲线，可以得到等离子体密度、温度和电位等参数。
在地面使用朗缪尔探针时，需要等离子体环境，而等离子体环境产生装置的使用成本很高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种等离子体环境中朗缪尔探针伏安特性模拟装置，可以在地面模拟等离子体环境中朗缪尔探针的伏安特性，且装置的结构简单，易于实现。
一种等离子体环境中朗缪尔探针伏安特性模拟装置，包括二极管D1、D2，NPN型三极管Q1、PNP型三极管Q2、供电电源U1、U2以及直流式扫描电压源：电源U1正极与三极管Q1基级之间串接电阻R1，三极管Q1发射极串联电阻R2后接地回线，二极管D1负极与三极管Q1集电极连接，二极管D1正极依次串连电阻R4及偏置电源U3后接到直流式扫描电压源；二极管D2负极接在二极管D1的正极以及电阻R4之间，二极管D2正极与三极管Q2集电极连接，三极管Q2基极与电源U2之间串联电阻R3，三极管Q2发射极、电源U1负极和U2正极与外部供电地回线连接；
其中，所述偏置电源U3的电压值为等离子体环境参数悬浮电位Vf；
直流式扫描电压源提供的电压从一个设定的正电压开始逐渐减小开始扫描，直到降到一个设定的负电压值；三极管Q2发射极作为伏安特性曲线的输出端。
较佳的，两个所述三极管的极限电压VCEO≥100V，穿透电流ICEO≥0.35A。
较佳的，电源U1、U2和U3采用电池实现。
较佳的，直流式扫描电压源的扫描电压范围设为-20V～60V。
本发明具有如下有益效果：
本发明的一种等离子体环境中朗缪尔探针伏安特性的模拟装置，按照逆向设计思路，通过两种三极管的伏安特性原理来组合实现，二极管用来选通正负特性曲线区，不同于微型计算机的数字控制方式架构，本发明装置通过纯模拟电路实现，结构简单，易于实现，只需改变部分元件参数就可以模拟出实际等离子体环境中朗缪尔探针伏安特性。
附图说明
图1为本发明的一种等离子体环境中朗缪尔探针伏安特性模拟装置的原理框图。
图2为本发明的一种模拟等离子体环境中朗缪尔探针伏安特性的电路图。
图3为本发明的单朗缪尔探针伏安特性曲线示意图。
图4为本发明的模拟装置电路输出的伏安特性曲线仿真图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
由于朗缪尔探针的伏安特性曲线可分为两部分：正向特性曲线区和负向特性曲线区。本发明按照逆向设计思路，如图1和2所示，本发明的模拟装置通过两种三极管的伏安特性原理来组合实现，二极管用来选通正负特性曲线区。装置电路通过电阻、二极管、三极管分立元件和供电电源组成，具体包括二极管D1、D2，NPN型三极管Q1、PNP型三极管Q2、两个三极管的供电电源U1、U2以及直流式扫描电压源：电源U1正极与三极管Q1基级之间串接电阻R1，三极管Q1发射极串联电阻R2后接地回线，二极管D1负极与三极管Q1集电极连接，二极管D1正极依次串连电阻R4及偏置电源U3后接到直流式扫描电压源；二极管D2负极接在二极管D1的正极以及电阻R4之间，二极管D2正极与三极管Q2集电极连接，三极管Q2基极与电源U2之间串联电阻R3，三极管Q2发射极、电源U1负极和U2正极与外部供电地回线连接。其中，三极管Q2发射极即为伏安特性曲线的输出端。
电源U1、U2分别为三极管Q1和三极管Q2供电，而偏置电源U3可以设定伏安曲线电流I＝0时的偏置电压值，即图3坐标中的等离子体参数悬浮电位Vf。直流式扫描电压源提供的电压从一个设定的正电压开始逐渐减小开始扫描，直到降到一个设定的负电压值；在电压扫描过程中，当扫描电压为正时，即在伏安特性正向曲线区时，二极管D1导通，D2截止，NPN型三极管Q1工作；当扫描电压为负时，即在伏安特性负向曲线区时，二极管D1截止，D1导通，PNP型三极管Q2工作。选用三极管时极限电压VCEO≥100V，穿透电流ICEO≥0.35A。为了便于携带，电源U1、U2和U3可利用电池实现。以下将推导出不同伏安特性曲线区的电路理论表达式。
正向特性区：
Figure BDA0001898776090000041
IC1＝β1·Ib1
Figure BDA0001898776090000042
负向特性区：
Figure BDA0001898776090000043
Ic2＝β2·Ib2
Figure BDA0001898776090000044
总回路电流：
I＝IC1+IC2
上述表达式中：Ib1、Ib2分别为Q1、Q2的静态基极电流；Ic1、Ic2分别为Q1、Q2的集电极电流；β1、β2分别为Q1、Q2的放大系数；Uce1、Uce2分别为Q1、Q2的集电-发射极电压；Ube1、Ube2分别为Q1、Q2的基极-发射极电压降，取0.7V；UD1、UD2分别为二极管D1和D2管压降，取0.7V。
设计实例：当U1＝5V，U2＝1.5V，U3＝1.5V，R1＝9kΩ，R2＝5Ω，R3＝50kΩ，R4＝150Ω，Q1选用2N5550，Q2选用2N5400，D1、D2选用普通开关二极管。模拟装置外部扫描电压范围设为-20～60V，通过Multisim软件仿真得到的数据波形参见附图4，可明显看出波形曲线与朗缪尔探针伏安特性曲线变化趋势一致。当航天器处于不同的轨道或者空间等离子密度不同时，朗缪尔探针伏安特性会不同，因此，按照不同环境目标，可根据本发明设计的电路架构和电路分析公式调整部分元件参数，即可实现不同伏安特性曲线的模拟。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种等离子体环境中朗缪尔探针伏安特性模拟装置，其特征在于，包括二极管D1、D2，NPN型三极管Q1、PNP型三极管Q2、供电电源U1、U2以及直流式扫描电压源：电源U1正极与三极管Q1基极之间串接电阻R1，三极管Q1发射极串联电阻R2后接地回线，二极管D1负极与三极管Q1集电极连接，二极管D1正极依次串连电阻R4及偏置电源U3后接到直流式扫描电压源；二极管D2负极接在二极管D1的正极以及电阻R4之间，二极管D2正极与三极管Q2集电极连接，三极管Q2基极与电源U2之间串联电阻R3，三极管Q2发射极、电源U1负极和U2正极与外部供电地回线连接；
其中，所述偏置电源U3 的电压值为等离子体环境参数悬浮电位Vf；
直流式扫描电压源提供的电压从一个设定的正电压开始逐渐减小开始扫描，直到降到一个设定的负电压值；三极管Q2发射极作为伏安特性曲线的输出端。
2.如权利要求1所述的一种等离子体环境中朗缪尔探针伏安特性模拟装置，其特征在于，两个所述三极管的极限电压VCEO≥100V，穿透电流ICEO≥0.35A。
3.如权利要求1所述的一种等离子体环境中朗缪尔探针伏安特性模拟装置，其特征在于，电源U1、U2和U3采用电池实现。
4.如权利要求1所述的一种等离子体环境中朗缪尔探针伏安特性模拟装置，其特征在于，直流式扫描电压源的扫描电压范围设为-20V～60V。
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