CN114900934A - 一种加装了补偿电极的朗缪尔探针及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种加装了补偿电极的朗缪尔探针及探测方法，包括收集电极、补偿电极和探针底座；所述补偿电极，为敷盖在探针底座上的金属导电电极，补偿电极的背面引出第二导线；本发明在传统朗缪尔探针的安装底座上加装一个金属电极，并且在此金属电极上施加一个负偏压，使其吸收空间等离子体中的离子，补偿电子电流，减小因为对电极面积不足而产生的探测数据误差，而且不占用额外的空间，特别适用于搭载微小卫星的空间电离层探测。

Description

一种加装了补偿电极的朗缪尔探针及探测方法

技术领域

本发明属于等离子体科学与技术领域，尤其涉及一种加装了补偿电极的朗缪尔探针及探测方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

电离层是地球大气被太阳辐射部分电离的区域，是最为贴近空间物理应用层面的地球空间区域；电离层的存在形式为等离子态，等离子体是由带正电的离子和带负电的电子构成的宏观呈现中性的流体；电离层的状态变化主要体现在其等离子体密度、温度等物理参量的变化上，因此，电离层等离子体密度和温度探测十分重要。

朗缪尔探针是由美国化学家朗缪尔发明的一种等离子体原位探测装置，由于具有结构简单、结果可靠等优点，已经被广泛运用在电离层等离子体和实验室人工等离子体诊断中；无论是在太空环境还是实验室的模拟环境中，朗缪尔探针均可以就位测量等离子体的电子密度(Ne)、电子温度(Te)等特性参量，但是必须找到相应的导体充当对电极。为了获得相对准确的Ne和Te探测结果，一般要求对电极的面积是探针收集电极面积的1000倍以上；若不能满足此条件，离子电流的饱和会限制电子电流的收集，给I–V特性曲线造成形变，从而给等离子体参数的获得造成误差，如图1所示，当对电极面积与收集电极的面积比n＝200时，探针收集电极收集到的饱和电子电流急剧减少，约为正常值的1/8。

在实验室进行等离子体诊断时，通常在一低气压容器中利用辉光放电等方式激发出人工等离子体，并提前将朗缪尔探针安装在容器内，探针电极通过导线引出容器外，连接到控制电路上；控制电路相对于容器给探针施加一个扫描电压，这时，整个容器的导体部分充当朗缪尔探针的对电极；由于容器的内表面积相对于探针收集电极的表面积一般能达到10000倍以上，此时一般不考虑两个电极面积比的要求；但是当应用到空间等离子体探测中，特别搭载微小卫星时，很难满足面积比的要求，不能精确探测等离子体，从而限制了朗缪尔探针的空间应用。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种加装了补偿电极的朗缪尔探针及探测方法，在朗缪尔探针的安装底座上加装金属电极，并且在金属电极上施加一个负偏压，使其吸收空间等离子体中的离子，补偿电子电流，可以搭载微小卫星且获得准确的探测数据，降低了朗缪尔探针工作中对于对电极的面积要求，大大降低了卫星充电对朗缪尔探针工作的影响。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种加装了补偿电极的朗缪尔探针；

一种加装了补偿电极的朗缪尔探针，包括收集电极、补偿电极和探针底座；

所述补偿电极，为敷盖在探针底座上的金属导电电极，补偿电极的背面引出第二导线。

进一步的，所述收集电极的第一端裸露在等离子体中，收集电极的第二端通过第一导线引出。

进一步的，还包括绝缘层、保护电极、短支撑杆、长支撑杆。

进一步的，收集电极的外侧通过绝缘层与保护电极电气绝缘。

进一步的，所述绝缘层包覆有聚酰亚胺材质。

进一步的，所述保护电极与短支撑杆套接，短支撑杆与长支撑杆套接，长支撑杆的底部固定在探针底座上。

本发明第二方面提供了一种加装了补偿电极的朗缪尔探针探测系统。

一种加装了补偿电极的朗缪尔探针探测系统，包括第一方面所述的加装了补偿电极的朗缪尔探针，以及对电极、控制电路；

所述控制电路包括可控电压源、直流电压源、电流表；

所述朗缪尔探针、电流表、可控电压源和对电极依次相连，构成一个电流回路；

所述朗缪尔探针中的补偿电极通过直流电压源接入可控电压源和对电极的电流回路中。

进一步的，所述朗缪尔探针通过第一导线连接可控电压源的正极，所述对电极连接可控电压源的负极；所述补偿电极通过第二导线连接直流电压源的负极。

进一步的，所述可控电压源，用于对朗缪尔探针的收集电极施加相对于对电极的由负到正的电压；

所述直流电压源，用于对补偿电极施加相对于对电极的负电压，形成离子补偿电流流入所述的电流回路，弥补对电极吸收离子电流的不足；

所述电流表用于采集收集电极上的微电流信号，得到电流–电压(I–V)特性曲线，进而得出等离子体的物理参量。

本发明第三方面提供了一种加装了补偿电极的朗缪尔探针探测方法，包括：

将加装了补偿电极的朗缪尔探针的收集电极浸入到等离子体中；

利用控制电路在收集电极上相对于对电极施加一个由负到正的扫描电压，

给补偿电极施加相对于对电极的负电压；

采集收集电极上的微电流信号，结合可控电压源给探针收集电极施加的扫描电压，得到电流–电压(I–V)特性曲线，进而结合诊断理论得出等离子体的物理参量。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明通过增加补偿电极，并在补偿电极上施加一个负偏压，使得搭载微小卫星的朗缪尔探针载荷，能吸收空间等离子体中的离子，补偿电子电流，减小因为对电极面积不足而产生的探测数据误差，提高等离子体探测的精确性，而且不占用额外的空间，特别适用于搭载微小卫星的空间电离层探测。

降低了朗缪尔探针工作中对于对电极的面积要求，大大降低了卫星充电对朗缪尔探针工作的影响。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为不同的收集电极与对电极面积比下的I–V特性曲线；

图2为带有补偿电极的朗缪尔探针结构图；

图3为加装补偿电极的朗缪尔探针电路原理图；

图4为补偿电极处于不同电压下的补偿效果对比。

图中，1-收集电极，2-绝缘层，3-保护电极，4-短支撑杆，5-长支撑杆，6-补偿电极，7-探针底座。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

朗缪尔探针作为卫星载荷进行等离子体探测时，卫星外表面的导体充当对电极；圆柱形朗缪尔探针长25mm，直径为0.5mm，表面积约为0.4cm²，所以一支朗缪尔探针要求对电极的最小面积约为400cm²，而且一颗卫星上至少搭载两支探针，因此要求对电极面积至少为800cm²；但是，随着卫星研发技术的发展，卫星尺寸越来越小，且近年来立方星(体积为几个立方分米的卫星)发射数量越来越多；1U(体积为1dm³)的立方星外表面积为600cm²；然而，为了保证卫星内部温度相对恒定，卫星本体外面多覆盖有以聚酰亚胺为主的多层隔热材料，此材料不导电，不能充当对电极，整个卫星只有一小部分导体面积裸露在外，因此对于微小卫星来说很难满足1000倍以上面积比的要求，从而造成探测到的等离子体参数与真实值相差较大，限制了朗缪尔探针的空间应用。

为了满足朗缪尔探针的探测要求，在对电极面积一定条件下，只能通过降低探针收集电极的面积，这样会使得探针采集到的电流降低，减小了系统的灵敏度，电流量级将接近皮安水平，增加了信号处理难度，很难达到精确探测电离电子层浓度的目的。

针对以上问题，本发明设计了一种带有补偿电极的朗缪尔探针，补偿电极的面积约为探针表面积的40倍，安装在探针底座上，不需要额外占据空间，实验证明带有补偿电极的探针可以一定程度减小因为对电极面积不足而导致的探测数据误差，这种探针适用于无法满足千倍以上对电极面积的情况，特别适用于搭载微小卫星的朗缪尔探针的空间应用。

实施例一

本实施例公开了一种加装了补偿电极的朗缪尔探针；

如图2所示，一种加装了补偿电极的朗缪尔探针，所述朗缪尔探针包括收集电极1、绝缘层2、保护电极3、短支撑杆4、长支撑杆5、补偿电极6和探针底座7等。

其中收集电极1的第一端裸露在等离子体中，收集电极1的外侧通过包覆有聚酰亚胺材质的绝缘层2与保护电极3电气绝缘，收集电极1的第二端通过第一导线引出；保护电极3与短支撑杆4套接，短支撑杆4与长支撑杆5套接，长支撑杆5的底部固定在探针底座7上，探针底座7上敷有一定面积的金属导电电极，导电电极的背面引出第二导线。

实验对比

按照本实施例的方案，设计并制造了一个具有补偿电极的朗缪尔探针，如图2所示，探针收集电极的表面积约为0.4cm²，补偿电极的面积为收集电极面积的40倍，即16cm²。

实验中，收集电极相对于对电极施加-15V–15V的扫描电压，以对电极与收集电极的面积比n＝1000作为基准数据，在n＝200的情况下分别比较了补偿电极相对于对电极电压在0V(无补偿电极)，-5V，-10V，-20V，-30V情况下的区别，实验结果如图4所示。

如图4所示，无补偿电极时(0V)，面积比为1000与200采集数据有明显差别，随着补偿电极施加电压不断减小，补偿效果逐渐增强。根据数据计算，当补偿电极施加-10V电压时，相对于无补偿电极可以减少约50％的误差；当施加-30V的电压时，相对于无补偿电极可以减少约80％的误差。

实施例二

本实施例公开了一种加装了补偿电极的朗缪尔探针探测系统；

如图3所示，一种加装了补偿电极的朗缪尔探针探测系统，包括第一实施例的加装了补偿电极的朗缪尔探针，以及对电极、控制电路；

所述控制电路包括可控电压源、直流电压源、电流表；

所述朗缪尔探针、电流表、可控电压源和对电极依次相连，构成一个电流回路；

所述朗缪尔探针中的补偿电极通过直流电压源接入可控电压源和对电极的电流回路中。

进一步的，所述朗缪尔探针通过第一导线连接可控电压源的正极，所述对电极连接可控电压源的负极；所述补偿电极通过第二导线连接直流电压源的负极。

进一步的，所述可控电压源，用于对朗缪尔探针的收集电极施加相对于对电极的由负到正的电压；

所述直流电压源，用于对补偿电极施加相对于对电极的负电压，形成离子补偿电流流入所述的电流回路，弥补对电极吸收离子电流的不足；

所述电流表用于采集收集电极上的微电流信号，结合可控电压源给探针收集电极施加的扫描电压，得到电流–电压(I–V)特性曲线，进而得出等离子体的物理参量。

朗缪尔探针工作时，探针收集电极、等离子体和对电极构成一个电流回路；当对朗缪尔探针收集电极施加一个由负到正的电压时，需要一个电位参考点，对电极充当了这个角色；由负到正的电压施加到探针收集电极上，收集电极从主要吸收带正电离子到主要吸收带负电的电子，且探针吸收离子或者电子都存在饱和；因为离子和电子质荷比的不同，饱和电子电流约为饱和离子电流的四十倍到百倍以上；如果对电极的面积不足，当收集电极相对于对电极呈现较高的电位时，对电极吸收离子形成的离子电流不能达到饱和电子电流的大小，限制了电子电流的收集，表现为I–V特性曲线的形变，影响探测数据的准确性。

根据基尔霍夫第一定律，同一回路的电流大小相同，因此探针收集电极和对电极构成的回路电流大小相同，即收集的离子电流和电子电流大小相等，因此对电极面积不足导致收集到的离子电流不足，影响电子电流的收集，为此我们加装了补偿电极，为了实现相对小面积的电极能够吸引较多的离子，形成较大的离子补偿电流，需要给补偿电极施加相对于对电极的负电压。

如图3所示，在探针底部增加一小部分面积的导体充当补偿电极，并且相对于对电极施加负电压。由于补偿电极相对于电位参考点(对电极的电位)表现出更低的电位，会吸收更多的离子，形成离子补偿电流流入原来由收集电极和补偿电极构成的电流回路，弥补对电极吸收离子电流的不足，使得收集电极可以收集更大的饱和电流，减小I–V特性曲线因为对电极面积不足而产生的形变。

实施例三

本实施例的目的是提供一种加装了补偿电极的朗缪尔探针探测方法。

一种加装了补偿电极的朗缪尔探针探测方法，包括：

将加装了补偿电极的朗缪尔探针的收集电极浸入到等离子体中；

利用控制电路在收集电极上相对于对电极施加一个由负到正的扫描电压，

给补偿电极施加相对于对电极的负电压；

采集收集电极上的微电流信号，结合可控电压源给探针收集电极施加的扫描电压，得到电流–电压(I–V)特性曲线，进而结合诊断理论得出等离子体的物理参量。

术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种加装了补偿电极的朗缪尔探针，其特征在于，包括收集电极、补偿电极和探针底座；

所述补偿电极，为敷盖在探针底座上的金属导电电极，补偿电极的背面引出第二导线。

2.如权利要求1所述的一种加装了补偿电极的朗缪尔探针，其特征在于，所述收集电极的第一端裸露在等离子体中，收集电极的第二端通过第一导线引出。

3.如权利要求1所述的一种加装了补偿电极的朗缪尔探针，其特征在于，还包括绝缘层、保护电极、短支撑杆、长支撑杆。

4.如权利要求3所述的一种加装了补偿电极的朗缪尔探针，其特征在于，收集电极的外侧通过绝缘层与保护电极电气绝缘。

5.如权利要求4所述的一种加装了补偿电极的朗缪尔探针，其特征在于，所述绝缘层包覆有聚酰亚胺材质。

6.如权利要求3所述的一种加装了补偿电极的朗缪尔探针，其特征在于，所述保护电极与短支撑杆套接，短支撑杆与长支撑杆套接，长支撑杆的底部固定在探针底座上。

7.一种加装了补偿电极的朗缪尔探针探测系统，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的加装了补偿电极的朗缪尔探针，以及对电极、控制电路；

所述控制电路包括可控电压源、直流电压源、电流表；

所述朗缪尔探针、电流表、可控电压源和对电极依次相连，构成一个电流回路；

所述朗缪尔探针中的补偿电极通过直流电压源接入可控电压源和对电极的电流回路中。

8.如权利要求7所述的加装了补偿电极的朗缪尔探针探测系统，其特征在于，所述朗缪尔探针通过第一导线连接可控电压源的正极，所述对电极连接可控电压源的负极；所述补偿电极通过第二导线连接直流电压源的负极。

9.如权利要求7所述的加装了补偿电极的朗缪尔探针探测系统，其特征在于，所述可控电压源，用于对朗缪尔探针的收集电极施加相对于对电极的由负到正的电压；

所述直流电压源，用于对补偿电极施加相对于对电极的负电压，形成离子补偿电流流入所述的电流回路，弥补对电极吸收离子电流的不足；

所述电流表用于采集收集电极上的微电流信号，结合可控电压源给探针收集电极施加的扫描电压，得到电流–电压(I–V)特性曲线，进而得出等离子体的物理参量。

10.一种基于所述权利要求7-9中任一项所述的加装了补偿电极的朗缪尔探针探测系统的探测方法，其特征在于，包括步骤：

将加装了补偿电极的朗缪尔探针的收集电极浸入到等离子体中；

利用控制电路在收集电极上相对于对电极施加一个由负到正的扫描电压，

给补偿电极施加相对于对电极的负电压；

采集收集电极上的微电流信号，结合可控电压源给探针收集电极施加的扫描电压，得到电流–电压(I–V)特性曲线，进而结合诊断理论得出等离子体的物理参量。

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