CN110022637A - 一种等离子体参数的探测装置及探测系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种等离子体参数的探测装置及探测系统，其中，所述等离子体参数的探测装置中具有三个探测电极，其中作为参数探针的两个探测电极用于探测待测等离子体的电子和离子，以根据探测的电子和离子获取所述待测等离子体的伏安特性曲线；作为悬浮探针的探测电极用于探测所述待测等离子体的空间电位，并且由于所述绝缘套朝向飞行器外侧的表面以及三个所述探测电极朝向飞行器外侧的表面与所述飞行器表皮形成光滑表面，避免了突出裸露的电极在高速飞行器表面或黑障等特殊区域内容易烧毁的问题，实现了在黑障区域中进行等离子体参数探测的目的。
Description
技术领域
本申请涉及航空航天技术领域，更具体地说，涉及一种等离子体参数的探测装置及探测系统。
背景技术
20世纪20年代初，美国科学家朗缪尔等人发明了一种新的诊断技术——静电探针诊断。该诊断技术通过探针手机的伏安特性曲线可以得出等离子体的参数信息(如：等离子体的电子密度、温度和空间电位等)。朗缪尔探针由于制作简单，分辨率高，且实验平台容易搭建，因此被广泛应用于等离子体参数诊断，是等离子体诊断的主要手段之一。
然而传统的朗缪尔探针在一些特殊的等离子体环境下并不能正常使用。如飞行器的再入过程中会产生黑障现象，而黑障的产生会导致通讯信号的中断。要想解决黑障，首先要了解黑障区域等离子体鞘套中的参数信息。
但是传统的朗缪尔探针由于存在易烧毁和极易对飞行器的飞行安全产生不良影响的问题，不能用于对等离子体鞘套参数的诊断。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请提供了一种等离子体参数的探测装置及探测系统，以解决传统朗缪尔探针不能用于黑障区域中等离子体参数探测的问题。
为实现上述技术目的，本申请实施例提供了如下技术方案：
一种等离子体参数的探测装置，包括：
绝缘套，所述绝缘套包括三个彼此分离的电极孔；
位于所述绝缘套外侧的外壳；
分别位于三个所述电极孔中的三个探测电极，其中两个探测电极作为参数探针，所述参数探针用于探测待测等离子体的电子和离子，以根据探测的电子和离子获取所述待测等离子体的伏安特性曲线；另外一个所述探测电极作为悬浮探针，所述悬浮探针用于探测所述待测等离子体的空间电位；
所述绝缘套设置于飞行器的探测孔中，所述绝缘套朝向飞行器外侧的表面以及三个所述探测电极朝向飞行器外侧的表面与所述飞行器表皮形成光滑表面。
可选的，还包括：
连接所述探测电极远离所述飞行器外侧一端的电极螺线杆，其中，连接所述参数探针的电极螺线杆远离所述探测电极一端与所述外壳连接；
连接所述悬浮探针的电极螺线杆远离所述探测电极一端悬置。
可选的，所述探测电极远离所述飞行器外侧的一端具有连接凹槽；
所述电极螺线杆通过所述连接凹槽与所述探测电极连接。
可选的，所述绝缘套、外壳、探测电极和电极螺线杆构成探测结构；
所述等离子体参数的探测装置还包括：
连接所述探测结构远离飞行器外侧一端与固定支杆的转接头。
可选的，所述探测电极朝向所述飞行器外侧的一端与所述飞行器表皮共形。
可选的，所述探测电极为钨金属电极或钼金属电极或钨钼合金电极。
可选的，所述外壳为导电材料外壳。
一种等离子体参数的探测系统，包括：
如上述任一项所述的等离子体参数的探测装置；
与所述等离子体参数的探测装置的外壳连接的伏安检测装置，所述伏安检测装置用于为所述等离子体参数的探测装置的参数探针提供工作电压，并根据所述参数探针探测的电子和离子，获取待测等离子体的伏安特性曲线；
与所述等离子体参数的探测装置的悬浮探针和飞行器外壳连接的电位检测装置，用于获取所述待测等离子体的空间电位。
从上述技术方案可以看出，本申请实施例提供了一种等离子体参数的探测装置及探测系统，其中，所述等离子体参数的探测装置中具有三个探测电极，其中作为参数探针的两个探测电极用于探测待测等离子体的电子和离子，以根据探测的电子和离子获取所述待测等离子体的伏安特性曲线；作为悬浮探针的探测电极用于探测所述待测等离子体的空间电位，并且由于所述绝缘套朝向飞行器外侧的表面以及三个所述探测电极朝向飞行器外侧的表面与所述飞行器表皮形成光滑表面，避免了突出裸露的电极在高速飞行器表面或黑障等特殊区域内容易烧毁的问题，实现了在黑障区域中进行等离子体参数探测的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为绝缘套的俯视结构示意图；
图2为图1沿AA线的剖面结构示意图；
图3为探测电极的俯视结构示意图；
图4为探测电极的剖面结构示意图；
图5为外壳的俯视结构示意图；
图6为图5沿AA线的剖面结构示意图；
图7为等离子体参数的探测装置的结构示意图；
图8为电极螺线杆的俯视结构示意图；
图9为电极螺线杆的主视图；
图10为转接头的俯视结构示意图；
图11为图10沿AA线的剖面结构示意图；
图12和图13为在固定放电气压不变，只改变放电功率的情况下，所述等离子体参数的探测装置与传统朗缪尔探针诊断电子密度的结果对比；
图14和图15为固定放电气压不变，只改变放电功率的情况下，所述等离子体参数的探测装置与单探针诊断有效电子温度结果对比；
图16和图17为在固定放电气压不变，只改变放电功率的情况下，所述等离子体参数的探测装置与单探针诊断等离子体空间电位结果对比；
图18为本申请的一个实施例提供的一种等离子体参数的探测系统的结构示意图；
图19为等离子体参数的探测系统测得的伏安特性曲线的示意图。
具体实施方式
正如背景技术所述，传统的朗缪尔探针在一些特殊的等离子体环境下并不能正常使用，例如飞行器的再入过程。
飞行器的再入过程，是指飞行器进入高度100km以下大气层的过程。在这个过程中，飞行器在以超高速进入大气层时会产生激波，形成包围飞行器的高温等离子体壳层，这个壳层称为等离子体鞘套。等离体子鞘套使返回舱表面与周围气体分子呈黏滞和燃烧状态，温度不易散发，形成一个温度高达几千摄氏度的高温区，这个高温区成为黑障(Ionization Blackout)区，这种现象称为黑障现象。黑障的产生会导致通讯信号的中断，要想解决黑障导致的通讯信号中断，首先要了解黑障区域等离子体鞘套中的参数信息。
但是传统的朗缪尔探针由于存在易烧毁和极易对飞行器的飞行安全产生不良影响的问题，不能用于对等离子体鞘套参数的诊断。
为了解决这一问题，发明人综合了双探针和平装探针的优势，提出了双平装探针的理论构型，该构型充分集成了双探针和平装探针本身所具有的的独特优势，例如：可以在无辅助电极区域内使用、流入探针内部的电子流很小对等离子体本身几乎无干扰以及可以在高温区域正常工作等。
但是，发明人研究发现，双平装探针并不能测量等离子体中的空间电位，有鉴于此，本申请实施例提供了一种等离子体参数的探测装置，包括：
绝缘套，所述绝缘套包括三个彼此分离的电极孔；
位于所述绝缘套外侧的外壳；
分别位于三个所述电极孔中的三个探测电极，其中两个探测电极作为参数探针，所述参数探针用于探测待测等离子体的电子和离子，以根据探测的电子和离子获取所述待测等离子体的伏安特性曲线；另外一个所述探测电极作为悬浮探针，所述悬浮探针用于探测所述待测等离子体的空间电位；
所述绝缘套设置于飞行器的探测孔中，所述绝缘套朝向飞行器外侧的表面以及三个所述探测电极朝向飞行器外侧的表面与所述飞行器表皮形成光滑表面。
所述等离子体参数的探测装置中具有三个探测电极，其中作为参数探针的两个探测电极用于探测待测等离子体的电子和离子，以根据探测的电子和离子获取所述待测等离子体的伏安特性曲线；作为悬浮探针的探测电极用于探测所述待测等离子体的空间电位，并且由于所述绝缘套朝向飞行器外侧的表面以及三个所述探测电极朝向飞行器外侧的表面与所述飞行器表皮形成光滑表面，避免了突出裸露的电极在高速飞行器表面或黑障等特殊区域内容易烧毁的问题，实现了在黑障区域中进行等离子体参数探测的目的。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种等离子体参数的探测装置，如图1-图7所示，包括：
绝缘套，所述绝缘套包括三个彼此分离的电极孔；
位于所述绝缘套外侧的外壳；
分别位于三个所述电极孔中的三个探测电极，其中两个探测电极作为参数探针，所述参数探针用于探测待测等离子体的电子和离子，以根据探测的电子和离子获取所述待测等离子体的伏安特性曲线；另外一个所述探测电极作为悬浮探针，所述悬浮探针用于探测所述待测等离子体的空间电位；
所述绝缘套设置于飞行器的探测孔中，所述绝缘套朝向飞行器外侧的表面以及三个所述探测电极朝向飞行器外侧的表面与所述飞行器表皮形成光滑表面。
其中，图7为所述等离子体参数的探测装置的结构示意图，图1为所述绝缘套的俯视结构示意图，图2为图1沿AA线的剖面结构示意图；图3为探测电极的俯视结构示意图，图4为所述探测电极的剖面结构示意图；图5为所述外壳的俯视结构示意图；图6为图5沿AA线的剖面结构示意图。
在本实施例中，三个所述探测电极作为所述等离子体参数的探测装置的内电极，外壳作为所述等离子体参数的探测装置的外电极；所述绝缘套中彼此分离的电极孔可以使三个所述探测电极之间彼此分离且绝缘，此外，所述绝缘套还可以使三个所述探测电极与所述外壳之间彼此绝缘。
本申请实施例提供的等离子体参数的探测装置很好的解决了在高速高温等离子体中，传统的静电探针由于电极裸露而易被热的沉积物附着而损坏探针的问题，以及传统静电探针伸出飞行器表面影响飞行安全的问题。由此可见，在一些特殊的等离子体环境中，所述等离子体参数的探测装置可以代替静电探针更好地完成诊断等离子体参数信息的任务。优选的，所述探测电极朝向所述飞行器外侧的一端与所述飞行器表皮共形，即所述探测电极可采用如图所示的圆柱结构电极，并且朝向飞行器外侧的表面根据飞行器外形曲率半径的不同而确定表面曲率，以更好地实现所述绝缘套朝向飞行器外侧的表面以及三个所述探测电极朝向飞行器外侧的表面与所述飞行器表皮形成光滑表面的目的，避免突出的探测电极被高温等离子体损坏或影响飞行器安全的情况出现。
探测电极表面的表面积大小应根据实验中等离子体的电子密度大小和采集系统的自身误差因素(如：温漂移、电漂移和分辨率等)来决定，若后端采集系统采集到的电流很小或者完整的伏安特性曲线上无饱和流，可适当增大电极的表面积和偏置电压幅度，直至可以采集到完整的伏安特性曲线为止。
对于绝缘套而言，绝缘套的材料应该具备绝缘和硬度大的特性，材料可以选用陶瓷类的绝缘材料，目的在于将三个探测电极相互分隔开，以及将探测电极与探针的外壳分隔开。在高温环境下的材料选取还要考虑耐热等因素。
外壳的材料需要根据具体的使用环境考虑(如耐高温和硬度要求等)，可选的，所述外壳为导电材料外壳。
可选的，所述探测电极为钨金属电极或钼金属电极或钨钼合金电极。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，参考图7、图8和图 9，所述等离子体参数的探测装置，还包括：
连接所述探测电极远离所述飞行器外侧一端的电极螺线杆，其中，连接所述参数探针的电极螺线杆远离所述探测电极一端与所述外壳连接；
连接所述悬浮探针的电极螺线杆远离所述探测电极一端悬置。
图8为所述电极螺线杆的俯视结构示意图，图9为电极螺线杆的主视图。
可选的，所述探测电极远离所述飞行器外侧的一端具有连接凹槽；
所述电极螺线杆通过所述连接凹槽与所述探测电极连接。
在上述实施例的基础上，在本申请的另一个实施例中，参考图7、图10 和图11，所述绝缘套、外壳、探测电极和电极螺线杆构成探测结构；
所述等离子体参数的探测装置还包括：
连接所述探测结构远离飞行器外侧一端与固定支杆的转接头。
图10为所述转接头的俯视结构示意图，图11为图10沿AA线的剖面结构示意图。
所述转接头在材料选取上应遵从硬度大，高温下也应导入耐热因素
为了说明本申请实施例提供的等离子体参数的探测装置的实际应用效果，我们在低温等离子体环境下进行了校准试验。由于等离子体参数的探测装置的探测电极的半径远大于探测电极的长度，有明显的鞘层扩张效应。基于此我们提出了等离子体参数的探测装置的鞘层理论修正模型，对原有的理论进行修正。并将所得结果与传统朗缪尔探针进行对比。所得结果如下：
参考图12和图13，图12和图13为在固定放电气压不变，只改变放电功率的情况下，所述等离子体参数的探测装置与传统朗缪尔探针(也称单探针，即single probe，简称“SP”，下同)诊断电子密度的结果对比，其中，ni TFP 为等离子体参数的探测装置未进行修正前的结果，ni1 TFP为等离子体参数的探测装置修正后的结果，ne SP表示单探针探测结构，所得结果相对误差不超过 17％
参考图14和图15，图14和图15为固定放电气压不变，只改变放电功率的情况下，所述等离子体参数的探测装置与单探针诊断有效电子温度结果对比，相对误差不超过23％。
参考图16和图17，图16和图17为在固定放电气压不变，只改变放电功率的情况下，所述等离子体参数的探测装置与单探针诊断等离子体空间电位结果对比，相对误差不超过31％。
图14-图17中，TFP表示等离子体参数的探测装置的探测参数，SP表示单探针探测参数。
根据上面的试验结果可以得出，所述等离子体参数的探测装置诊断等离子体密度，有效电子温度和空间电位的结果与传统朗缪尔探针几乎一致。因此，可以将平装三探针作为一种诊断工具在复杂的等离子体环境中工作。该发明不仅扩大了探针的类型，也在一定程度上极大的扩展了探针的诊断区域范围。
相应的，本申请实施例还提供了一种等离子体参数的探测系统，如图18 所示，包括：
如上述任一实施例所述的等离子体参数的探测装置；
与所述等离子体参数的探测装置的外壳连接的伏安检测装置，所述伏安检测装置用于为所述等离子体参数的探测装置的参数探针提供工作电压，并根据所述参数探针探测的电子和离子，获取待测等离子体的伏安特性曲线；
与所述等离子体参数的探测装置的悬浮探针和飞行器外壳连接的电位检测装置，用于获取所述待测等离子体的空间电位。
在图18中，电流表A、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电压表V和电压源W构成了所述伏安检测装置；第二电压表V1构成了所述电位检测装置。
当电压源W在两个与外壳连接的探测电极提供工作电压(正偏压或负偏压)时，这两个探测电极就会收集电子或离子，在第一电压表V和电流表A 中得到相应的电流和电压信号。第一电阻R1上的电流即为测得的电流信号，第二电阻R2和第三电阻R3上的电压之和即为测得的电压信号(第一电阻R1 与第二电阻R2和第三电阻R3之和的比值一般为1:1000)。将电流信号作为纵坐标，电压信号作为横坐标，即可得到如图19所示的伏安特性曲线，图19 中的横坐标探针偏压表示测得的电压信号。
通过上面的伏安特性曲线就可以得出等离子体的相关参数信息。
而由于鞘层扩张效应，需要对等离子体参数的探测装置的离子流进行修正。
下面对等离子体参数的探测装置的鞘层理论修正模型进行简单说明：
在传统无碰撞情况下离子饱和流公式为：其中修正系数α与气压和探针形状有关，由能量守恒方程和指数方程 ns＝niexp(-eΔVp/kTe)可以推出。在对等离子体参数的探测装置的鞘层扩张效应进行理论模拟后，可以得出等离子体参数的探测装置离子饱和流公式：其中系数a,b，ηp分别对应不同参数的修正。空间电位公式为Vp＝Vf+kTe。其中Vp为空间电位，Vf为悬浮电位，及电压表V1测得的数据， k为气体系数，Te为电子温度。
综上所述，本申请实施例提供了一种等离子体参数的探测装置及探测系统，其中，所述等离子体参数的探测装置中具有三个探测电极，其中作为参数探针的两个探测电极用于探测待测等离子体的电子和离子，以根据探测的电子和离子获取所述待测等离子体的伏安特性曲线；作为悬浮探针的探测电极用于探测所述待测等离子体的空间电位，并且由于所述绝缘套朝向飞行器外侧的表面以及三个所述探测电极朝向飞行器外侧的表面与所述飞行器表皮形成光滑表面，避免了突出裸露的电极在高速飞行器表面或黑障等特殊区域内容易烧毁的问题，实现了在黑障区域中进行等离子体参数探测的目的。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种等离子体参数的探测装置，其特征在于，包括：
绝缘套，所述绝缘套包括三个彼此分离的电极孔；
位于所述绝缘套外侧的外壳；
分别位于三个所述电极孔中的三个探测电极，其中两个探测电极作为参数探针，所述参数探针用于探测待测等离子体的电子和离子，以根据探测的电子和离子获取所述待测等离子体的伏安特性曲线；另外一个所述探测电极作为悬浮探针，所述悬浮探针用于探测所述待测等离子体的空间电位；
所述绝缘套设置于飞行器的探测孔中，所述绝缘套朝向飞行器外侧的表面以及三个所述探测电极朝向飞行器外侧的表面与所述飞行器表皮形成光滑表面。
2.根据权利要求1所述的等离子体参数的探测装置，其特征在于，还包括：
连接所述探测电极远离所述飞行器外侧一端的电极螺线杆，其中，连接所述参数探针的电极螺线杆远离所述探测电极一端与所述外壳连接；
连接所述悬浮探针的电极螺线杆远离所述探测电极一端悬置。
3.根据权利要求2所述的等离子体参数的探测装置，其特征在于，所述探测电极远离所述飞行器外侧的一端具有连接凹槽；
所述电极螺线杆通过所述连接凹槽与所述探测电极连接。
4.根据权利要求2所述的等离子体参数的探测装置，其特征在于，所述绝缘套、外壳、探测电极和电极螺线杆构成探测结构；
所述等离子体参数的探测装置还包括：
连接所述探测结构远离飞行器外侧一端与固定支杆的转接头。
5.根据权利要求1所述的等离子体参数的探测装置，其特征在于，所述探测电极朝向所述飞行器外侧的一端与所述飞行器表皮共形。
6.根据权利要求1所述的等离子体参数的探测装置，其特征在于，所述探测电极为钨金属电极或钼金属电极或钨钼合金电极。
7.根据权利要求1所述的等离子体参数的探测装置，其特征在于，所述外壳为导电材料外壳。
8.一种等离子体参数的探测系统，其特征在于，包括：
如权利要求1-7任一项所述的等离子体参数的探测装置；
与所述等离子体参数的探测装置的外壳连接的伏安检测装置，所述伏安检测装置用于为所述等离子体参数的探测装置的参数探针提供工作电压，并根据所述参数探针探测的电子和离子，获取待测等离子体的伏安特性曲线；
与所述等离子体参数的探测装置的悬浮探针和飞行器外壳连接的电位检测装置，用于获取所述待测等离子体的空间电位。
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| CN201910429086.2A CN110022637A (zh) | 2019-05-22 | 2019-05-22 | 一种等离子体参数的探测装置及探测系统 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021073056A1 (zh) * | 2019-10-18 | 2021-04-22 | 南昌大学 | 一种测量等离子体电子非广延参数的方法 |
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2019
- 2019-05-22 CN CN201910429086.2A patent/CN110022637A/zh active Pending
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