CN111432540A

CN111432540A - 一种插拔式静电探针

Info

Publication number: CN111432540A
Application number: CN201911049138.XA
Authority: CN
Inventors: 柴忪; 邬润辉; 孟刚; 刘佳琪; 刘鑫; 刘洪艳; 谭熠; 刘文斌; 王彬彬; 崔逸纯
Original assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Aerospace Changzheng Aircraft Institute
Current assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Aerospace Changzheng Aircraft Institute
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2020-07-17

Abstract

本申请实施例涉及等离子体试验技术领域，具体地，涉及一种插拔式静电探针。该插拔式静电探针包括至少一个探针、与每个探针一一对应的探针插座、探针骨架以及销钉；其中：探针插座为管状结构，设置有沿其轴向延伸的管腔和沿其径向延伸的限位孔；探针骨架设置有与每个探针插座一一对应的通孔以及与通孔垂直相交的锁定孔；探针插座插入对应的通孔中，并通过插入于限位孔与锁定孔中的销轴安装于探针骨架；探针插接配合于探针插座的管腔内，探针背离探针插座的一部分露出于探针骨架的外部。该插拔式静电探针具有安装和拆卸方便、快速的特点，能够满足快速更换的试验要求。

Description

一种插拔式静电探针

技术领域

本申请涉及等离子体测试技术领域，具体地，涉及一种插拔式静电探针。

背景技术

等离子体是由大量带电粒子组成的“准中性”非束缚态宏观体系，广泛存在于核爆炸、放射性同位素涉嫌、高超音速飞行器的激波、火箭和喷气式飞机的射流等中。随着等离子体源技术的发展，人工产生的等离子体又可用于磁流体力学(MHD)能量变换、离子推进、隐身、逆向喷流减阻等航天工程领域。等离子体诊断，即测量等离子体中的电子密度、电子温度、等离子体电位等参数的时空分布，是获取等离子体特征的基本方法，也是评估等离子体源有效性的重要依据。

朗缪尔探针(Langmuir Probe)，通常称为静电探针，是一种有效的测量等离子体温度和密度的手段，其理论基础相对成熟，广泛应用于各种等离子体装置中。通过观察静电探针的电位电压和离子饱和电流，可以以低成本简单有效地给出高时间分辨率的等离子体温度和密度参数。静电探针的数据还可以提供更多种类的信息，例如电场，湍流事件等。

现有的用于航天飞行器的等离子体源装置大多使用局部单探针进行电子密度估算，在使用过程中，固体工质发生器中的碱金属对探针的腐蚀性强，需要频繁更换探头以保证单探针正常工作，但是现有探针存在更换不方便的缺陷。

发明内容

本申请实施例中提供了一种插拔式静电探针，该插拔式静电探针在探针与探针插座之间、以及探针插座和探针骨架之间均采用插拔式结构，具有安装和拆卸方便、快速的特点，能够满足快速更换的试验要求。

本申请实施例提供了一种插拔式静电探针，包括至少一个探针、与每个探针一一对应的探针插座、探针骨架以及销钉；其中：

所述探针插座为管状结构，设置有沿其轴向延伸的管腔和沿其径向延伸的限位孔；

所述探针骨架设置有与每个所述探针插座一一对应的通孔以及与所述通孔垂直相交的锁定孔；

所述探针插座插入对应的所述通孔中，并通过插入于所述限位孔与所述锁定孔中的所述销轴安装于所述探针骨架；

所述探针插接配合于所述探针插座的管腔内，所述探针背离所述探针插座的一部分露出于所述探针骨架的外部。

优选地，所述探针骨架采用氮化硼陶瓷材料制成。

优选地，所述探针采用钨丝制成。

优选地，所述探针的直径为2mm，所述探针露出于所述探针骨架外部的长度为8mm。

优选地，所述至少一个探针为三个；

所述探针骨架上设置有沿直线排列的三个所述通孔和三个所述锁定孔。

优选地，所述通孔之间的间距为6mm～8mm。

优选地，所述探针插座和所述销钉均采用铜材料制成。

优选地，还包括套设于所述探针骨架外侧的外壳，所述外壳采用氮化硼陶瓷材料制成。

优选地，还包括与所述探针一一对应的信号采集线，所述信号采集线与安装于所述通孔内的所述探针插座或所述探针电连接。

优选地，所述信号采集线为真空漆包线。

采用本申请实施例中提供的插拔式静电探针，具有以下有益效果：

上述插拔式静电探针的探针插座采用管状结构，探针插接配合于探针插座的管腔内，使得探针与探针插座之间形成插拔式安装；探针骨架设置有与探针插座配合的通孔，探针插座插装于探针骨架的通孔中，并通过插入对应的探针骨架的锁定孔和探针插座的限位孔中的销钉将探针插座快速地固定安装于探针骨架中，从而实现探针与探针骨架的固定安装；上述插拔式静电探针在探针与探针插座之间、以及探针插座和探针骨架之间均采用插拔式结构，能够实现快速安装和拆卸，因此，能够满足快速更换的试验要求，解决了现有技术中探针更换不方便的缺陷。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种插拔式静电探针的结构示意图；

图2为图1中提供的插拔式静电探针的探针骨架的结构示意图；

图3为图1中提供的插拔式静电探针的探针插座的结构示意图；

图4为图1中提供的插拔式静电探针的工作原理示意图；

图5为单探针的电流-电压特性曲线。

附图标记：

1-插拔式静电探针；2-等离子体装置；3-采样电阻；

11-探针；12-探针插座；13-探针骨架；14-销钉；15-信号采集线；111-第一探针；112-第二探针；113-第三探针；121-管腔；122-限位孔；131-通孔；132-锁定孔；133-减重孔；21-等离子体。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本申请实施例提供的插拔式静电探针可以适用于具有强腐蚀性、高能电子密度的固体工质等离子体放电环境，研究的等离子体特征参数诊断环境包含工作压强范围为10^- ⁴Pa～10²Pa的大气层内外的稀薄气体，等离子体环境还可以具有大尺度、非均匀和超声速喷流的特征；并且等离子体发生器自带工质可以为固体或气体，其中，真空室内诊断系统具有防固体工质腐蚀和高能粒子撞击的防护设计；该插拔式静电探针可测电子密度范围为10¹⁶cm^-3～10²⁰cm^-3，电子温度范围为0.5eV～10eV，并且可连续测量时间不小于30分钟。

如图1结构所示，本申请实施例提供了一种插拔式静电探针1，该插拔式静电探针1包括至少一个探针11、与每个探针11一一对应的探针插座12、探针骨架13以及销钉14；如图1结构所示，该插拔式静电探针1的探针骨架13上设置有三个探针插座12，并安装有三个探针11，在本申请实施例中，仅以在探针骨架13上设置有三个探针11的插拔式静电探针1为例进行说明，但是在实际使用过程中，在探针骨架13上可以设置有一个、两个、三个或多个探针11；其中：

探针插座12为管状结构，设置有沿其轴向延伸的管腔121和沿其径向延伸的限位孔122；如图1和图3结构所示，探针插座12为管状结构，设置有用于容置插针的管腔121，并在一端部设置有用于穿设销轴的限位孔122；探针11可以通过探针插座12的一端插入其管腔121内；

探针骨架13设置有与每个探针插座12一一对应的通孔131以及与通孔131垂直相交的锁定孔132；如图1和图2结构所示，探针骨架13可以为长方体结构，探针骨架13用于为探针11提供安装平台，可以根据探针11的设置数量和分布形式选择合适的探针骨架13，探针骨架13上设置有用于插设探针11和探针插座12的通孔131，通孔131的数量大于或等于探针11的数量，如图1中结构所示，当设置有三个探针11时，探针骨架13上设置有沿竖直方向贯穿的三个通孔131，并在与探针骨架13的底部设置有与通孔131一一对应的锁定孔132，当将探针插座12插入探针骨架13的通孔131内时，将探针插座12的限位孔122与探针骨架13的锁定孔132对其，并插入销轴使探针插座12固定安装于探针骨架13，将探针11安装于探针骨架13；如图2结构所示，在探针骨架13上还可以设置有两个减重孔133，用于减轻探针骨架13的重量；

探针插座12插入对应的通孔131中，并通过插入于限位孔122与锁定孔132中的销轴安装于探针骨架13；如图1结构所示，内部安装有探针11的探针插座12插接于探针骨架13的通孔131中，在将探针插座12的限位孔122与探针骨架13的锁定孔132对齐后，插入销轴，将探针插座12锁定于探针骨架13；

探针11插接配合于探针插座12的管腔121内，探针11背离探针插座12的一部分露出于探针骨架13的外部；如图1结构所示，探针11的底端插接配合于探针插座12的管腔121内，探针11的长度大于探针插座12的长度，而且探针11的顶端不仅露出探针插座12，而且还有一部分露出探针骨架13的顶部；从而通过露出探针骨架13的部分来对等离子体21进行测量。

上述插拔式静电探针1的探针插座12采用管状结构，探针11插接配合于探针插座12的管腔121内，使得探针11与探针插座12之间形成插拔式安装；探针骨架13设置有与探针插座12配合的通孔131，探针插座12插装于探针骨架13的通孔131中，并通过插入对应的探针骨架13的锁定孔132和探针插座12的限位孔122中的销钉14将探针插座12快速地固定安装于探针骨架13中，从而实现探针11与探针骨架13的固定安装；上述插拔式静电探针1在探针11与探针插座12之间、以及探针插座12和探针骨架13之间均采用插拔式结构，能够实现快速安装和拆卸，因此，能够满足快速更换的试验要求，解决了现有技术中探针11更换不方便的缺陷。

一种具体的实施方式中，在上述插拔式静电探针1中，探针骨架13采用氮化硼陶瓷材料制成；探针11采用钨丝制成；探针插座12和销钉14均采用铜材料制成。

由于上述插拔式静电探针1中的探针骨架13采用耐高温、耐腐蚀、绝缘性好的氮化硼陶瓷材料制成，使得探针骨架13可以用于高温、腐蚀性强、高密度的等离子体21环境中，且绝缘性能好、出气率低、不易产生污染，还能避免温升效应对探针骨架13的影响。

由于探针11采用钨丝制成，钨丝的熔点为3410℃，可耐高温，并具有较好的导电性能和导热性能，有利于沉积热能的快速耗散；采用钨丝制成的探针11与配套的铜材料制成的探针插座12之间可以通过插拔连接，方便探针11更换；铜材料制成的探针插座12通过铜材料制成的销钉14固定在采用氮化硼陶瓷材料制成的探针骨架13上，可以保证探针11在工作和更换时的稳定性。

上述探针11的直径可以为2mm，探针11露出于探针骨架13外部的长度为8mm，使得探针11的有效收集面积约为50mm²，离子饱和流的收集范围为5mA～3A。

如图1和图4结构所示，上述插拔式静电探针1中的至少一个探针11为三个，包括第一探针111、第二探针112和第三探针113；探针骨架13上设置有沿直线排列的三个通孔131和三个锁定孔132。通孔131之间的间距可以为6mm～8mm，具体地，通孔131之间的间距可以为6mm、6.5mm、7mm、7.5mm或8mm。为避免“阴影效应”，三根单探针11依次水平嵌入在探针骨架13中，并且间距优选为7mm。

上述插拔式静电探针1由于设置有三个探针11，基于三探针11原理进行测试，具有较高的时间和空间分辨率，可在各类地面等离子体21试验系统中推广应用。

在上述各种实施例的基础上，上述插拔式静电探针1还可以包括套设于探针骨架13外侧的外壳(图中未示出)以及与探针11一一对应的信号采集线15；外壳采用氮化硼陶瓷材料制成；信号采集线15与安装于通孔131内的探针插座12或探针11电连接；信号采集线15为真空漆包线。

由于上述插拔式静电探针1采用陶瓷材料制成的探针骨架13和外壳，陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀和绝缘性能好的特点，使得上述插拔式静电探针1也具有耐高温和耐腐蚀的特点，适用于具有强腐蚀性、高能电子密度的固体工质等离子体21放电环境。通过与探针11电连接的信号采集线15方便测试数据采集，信号采集线15采用真空漆包线，并由探针插座12底部的接口处引出；多通道的信号采集线15需始终隐藏在探针骨架13内部，避免裸露于等离子体21中，影响信号精度。

上述插拔式静电探针1的具体工作原理为：

如图4和图5所示，将与等离子体装置2的壁绝缘的钨丝等金属丝伸入等离子体21后，探针11表面将迅速收集等离子体21中的电子，离子流向表面的粒子通量。一般来讲，由于电子质量小，电子热速度远大于离子热速度，单位时间内打到探针11表面的电子数远远超过离子数，探针11表面收集到的主要是电子流，或者说相当于探针11发射正电流，这样很快就会在探针11表面积累起负电荷，使探针11表面电位(V₀)相对于附近未扰动等离子体21电位V_p具有负值，这个负电位将排斥电子吸引离子，从而在探针11表面附近形成一正的空间电荷鞘层(扰动区域)，这层离子鞘逐渐增厚，直到单位时间内打到探针11表面的电子数与离子数相等为止，这时探针11达到的电位称为悬浮电位V_f；通常这个电荷鞘层局限于附近几个德拜长度内，鞘层内电中性被破坏，存在强电场。如图5所示，如果在探针11上外加一个变化的电压V，探针11的收集电流I将随之发生变化；

在V<V_f时，特别是V远小于5kTe/e时，绝大部分电子被探针11表面电场(离子鞘)所排斥，探针11电流几乎是纯离子电流的贡献：

I＝-0.61en_eA_pC_s；

上式中，A_p为探针11的收集面积，C_s为离子声速。

在V>V_p时，电子流被加速，离子流被排斥，在探针11表面附近形成电子鞘层，此时，探针11收集到的离子电流远小于电子电流，电子电流可用随机热运动通量与有效收集面积的乘积来表示：

在V_f<V<V_p时，探针11周围将形成正电荷鞘层，探针11电流由随机热运动进入鞘层的电子所形成的电流与越过鞘边界的离子形成的电流之和决定：

对上式求导，即计算过渡区I-V(电流-电压)特性曲线斜率即可求出等离子体21电子温度Te。

通过单探针11可测量悬浮电位V_f、电子温度T_e以及电子密度n_e。

悬浮电位的测量最为简单，只需将探针11信号分压取出就可；电子温度信号需要在探针11上加载锯齿波扫描电压得到单探针11特性曲线，然后由过渡区半对数曲线斜率给出电子温度T_e，然后由离子饱和流I_si和电子温度T_e，可直接得到电子密度n_e：

单探针11的测量简便但需要于探针11上施加扫描电压，因此时间分辨率有限，在单探针11的基础上，可以使用三探针11方法对等离子体21的悬浮电位、温度和密度同时进行测量。

三个探针11包括三根相同且间距较近的单探针11，其中，如图4结构所示，第三探针113用于测量悬浮电位V_f，在第一探针111和第二探针112之间施加直流偏压V_D(通常要求eV_D＞＞kT_e)，在第一探针111和第二探针112之间串联有采样电阻3，测量正压端的电位V_p与通过第一探针111和第二探针112之间的电流I_si。由于第一探针111和第二探针112形成电流回路，在这种情况下可知，第一探针111和第二探针112的电子电流之和等于离子电流之和。由于第一探针111和第二探针112之间的偏压，相比于正压端，负压端所连接探针11的电子电流可忽略不计。这样正压端电子电流即为离子饱和流的二倍，因此由正压端的电位V_p与第三探针113所测的悬浮电位V_f，可得电子温度为：

然后，由离子饱和流I_si和电子温度T_e，即可得到电子密度n_e。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种插拔式静电探针，其特征在于，包括至少一个探针、与每个探针一一对应的探针插座、探针骨架以及销钉；其中：

2.根据权利要求1所述的插拔式静电探针，其特征在于，所述探针骨架采用氮化硼陶瓷材料制成。

3.根据权利要求1所述的插拔式静电探针，其特征在于，所述探针采用钨丝制成。

4.根据权利要求3所述的插拔式静电探针，其特征在于，所述探针的直径为2mm，所述探针露出于所述探针骨架外部的长度为8mm。

5.根据权利要求1所述的插拔式静电探针，其特征在于，所述至少一个探针为三个；

6.根据权利要求5所述的插拔式静电探针，其特征在于，所述通孔之间的间距为6mm～8mm。

7.根据权利要求1所述的插拔式静电探针，其特征在于，所述探针插座和所述销钉均采用铜材料制成。

8.根据权利要求1-7任一项所述的插拔式静电探针，其特征在于，还包括套设于所述探针骨架外侧的外壳，所述外壳采用氮化硼陶瓷材料制成。

9.根据权利要求1-7任一项所述的插拔式静电探针，其特征在于，还包括与所述探针一一对应的信号采集线，所述信号采集线与安装于所述通孔内的所述探针插座或所述探针电连接。

10.根据权利要求9所述的插拔式静电探针，其特征在于，所述信号采集线为真空漆包线。