CN115002996B - 一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于等离子体诊断技术领域；公开了一种等离子体密度测量的三探针诊断系统及其使用方法。所述三探针诊断系统包括真空腔室10，所述真空腔室10内装入等离子体13，所述真空腔室10上设置真空泵口12和光学诊断窗口14，所述真空腔室10的尾端设置观察窗口15，所述真空腔室10的首端设置三探针诊断17系统，所述真空腔室10的首端与放电等离子体源系统16相连通。本发明用以解决在高气压、强碰撞放电条件下对于宽范围等离子体密度的诊断问题。
Description
技术领域
本发明属于等离子体诊断技术领域；具体涉及一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统及其使用方法。
背景技术
高超或再入飞行器在临近空间20-100km以超过5马赫以上的速度飞行时，由于气动飞行器头部与空气剧烈摩擦，加热效应会使周围空气进行电离，在飞行器表面形成一层等离子体鞘套，该等离子体鞘套是由大量的粒子，包括电子、离子及中性分子组成，该等离子体鞘套会对通讯用电磁波信号产生衰减，形成电磁通讯黑障现象，当雷达探测时高速飞行器时，由于等离子体鞘套的存在会使返回信号减小甚至发生畸变。由于真实飞行试验数据需要负出昂贵的代价，因此迫切需要一种可在地面对临近空间飞行器再入环境复现并对其中关键参数有效诊断的系统。
在目前公开报道的数据中可以看到，形成电磁通讯黑障的等离子体鞘套，其头部密度通常会超过1019m-3，而在轴线方向的电子密度随着距离的增加而减少，等离子体密度范围宽泛可跨4～5个数量级。而对于常用的等离子体参数诊断方式，如汤姆森散射、朗缪尔探针、发射光谱等方式，都无法提供如此宽范围的诊断能力。
其中汤姆森散射诊断是等离子体中电子对入射电磁波的散射，通常将一束高能的诊断光(如激光)聚集入射到等离子体中，并在某一散射角度收集散射光。相比其他诊断，汤姆森散射诊断的优点在于：1)汤姆森散射是主动诊断，所诊断的空间位置完全由诊断光决定，灵活方便；2)汤姆森散射诊断具有较高的时间和空间分辨；3)可诊断的等离子体参数范围较宽，通常可达到三个数量级，但由于汤姆森散射使用的波长一般在263-1064nm，这使得其对低密度区的等离子体密度诊断精度较高。
另外一种常用于等离子体参数诊断的方式为发射光谱法。发射光谱是一种非侵入式的被动光学诊断技术，不会对等离子体的运行状态造成影响，已经被广泛地用于诊断等离子体参数。在等离子体中，处于高能级的原子、分子、离子或者自由基等粒子会通过自发辐射的方式向低能级跃迁，辐射出不同波长的光，形成发射光谱。根据发射光谱中的特征谱线，可以用来识别等离子体中存在的物种。根据谱线线宽等信息，可以确定等离子体的电子密度。发射光谱法的优点在于：1)灵敏度高；2)非浸入式。此外，除了电子密度与电子温度外，发射光谱还可以用于诊断放电过程中的杂质含量。然而，采用发射光谱诊断等离子体密度，通常需要通过等离子体中痕量H元素Hβ谱线的Stark展宽效应测得，等离子体原子发射光谱的加宽主要由Doppler展宽、仪器展宽和Stark展宽所导致。而在电离能较高的前提下才能获得Hβ谱线，因此发射光谱通常在等离子体密度较高的时具有较好的精确度(大于1012cm-3)。
而朗缪尔探针是在等离子体参数诊断领域中应用最为广泛的一种技术手段，是将一个或者多个金属电极伸入到等离子体中，在电极和放电腔室或者电极间施加偏置电压，记录电极间产生的电流，从而计算等离子体的电子密度。在电子密度较低时，等离子体中粒子间的碰撞概率较低，朗缪尔探针方法具有较高的诊断精度性。通常根据测试原理不同可分为单探针、双探针以及三探针。为了能够得到较为精确的诊断结果，通常朗缪尔探针在使用时要满足几个条件：1)探针头部尺寸足够小，以减少对等离子体的干扰；2)所测量的等离子体为准电中性且各向同性；3)探针附近产生的鞘层为无碰撞鞘层；4)被测等离子体中不存在磁场。基于上述条件，朗缪尔探针往往应用于低气压低碰撞放电等离子体密度诊断。
发明内容
本发明提供了一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统及其使用方法，用以解决在高气压、强碰撞放电条件下对于宽范围等离子体密度的诊断问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统,所述三探针诊断系统包括真空腔室10，所述真空腔室10内装入等离子体13，所述真空腔室10上设置真空泵口12和光学诊断窗口14，所述真空腔室10的尾端设置观察窗口15，所述真空腔室10的首端设置三探针诊断17系统，所述真空腔室10的首端与放电等离子体源系统16相连通。
一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统，所述三探针系统包括三探针1、真空快接法兰2、探针电路矩阵3、信号滤波器4、数据处理器5、探针运动机构7、直通管9、真空腔室10和数据采集器11、真空泵口12；
所述真空腔室10与直通管9之间通过真空快接法兰2相连接，所述三探针1的首端深入真空腔室10内与等离子体13相连接；
所述三探针1的尾端穿过直通管9的中空腔与探针电路矩阵3相连接，所述探针电路矩阵3与信号滤波器4相连接，所述信号滤波器4与数据处理器5相连接，所述数据处理器5与数据采集器11相连接，所述数据采集器11通过电流环19接地，所述数据采集器11与上位机相连接；
所述真空腔室10的底端还设置真空泵口12；
所述三探针1及直通管9均搭置在探针运动机构7上，探针运动机构7为三探针1实现1维方向运动。
一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统，所述直通管9为陶瓷管，三个所述直通管9通过三孔陶瓷片固定相互之间的距离，所述直通管9直径为0.45mm，所述三探针1由三组0.4mm钨丝组成，每组探针穿过一根直通管9。
一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统，所述探针电路矩阵3由4组不同范围的电阻和电容组成，同时4组电阻和电容由刀开关矩阵进行切换，用于对不同密度范围的等离子体进行有效诊断测量。
一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统，根据所测等离子体范围不同，所述探针电路矩阵3会通过开关选取不同的采取电阻。
一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统，所述三探针诊断系统包括三探针1、快接真空法兰2、探针电路矩阵3、信号滤波器4、数据处理器5、直流电源组6、探针运动机构7和探针运动控制系统8；
所述三探针1，用于伸入放电等离子体，获得放电等离子体电势；
所述快接真空法兰2，用于快速连接更换；
所述探针电路矩阵3，用于对不同密度范围的放电等离子体进行信号采集；
所述信号滤波器4，用于去除杂波信号；
所述数据处理器5，用于得到探针电流信号；
所述直流电源组，用于为探针电路矩阵提供驱动电压；
所述探针运动机构7，用于探针1维方向运动；
所述探针运动控制系统，用于调节探针运动机构7，得到探针运动机构7行程线上任意一点位置处的探针电流信号。
一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统的使用方法，所述使用方法具体为，
通过快接真空法兰2将内部三探针1固定在所产生被测等离子体的真空腔室法兰上；
抽真空并产生等离子体；
开启电流电源组输入扫描电压；
通过探针运动控制系统调节探针运动机构7，得到探针运动机构7行程线上任意一点位置处的探针电流信号；
通过数据处理器5得到经过信号滤波4所得到的探针电流信号，并计算得出被测位置处的等离子体密度；结合探针运动机构7得到等离子体密度的在三探针1轴向方向的空间分布。
一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统的使用方法，所述探针电路矩阵3在测试诊断过程中，三探针共测量4个电位，分别标记为V1、V2、V3以及Vf；根据基尔霍夫定律可知在回路中对应的电流相互关系为：
I1＝I2+I3 (1)
其中I2＝(V1-V3)/Rs，I3＝(V2-V3)/Rs
Rs为采样电阻，根据所测不同的等离子体密度范围进行切换选取；
电压间的相互关系为：
流入探针的电流表达为：
其中S为探针伸入到等离子体中的表面积，Je为电子饱和流密度，Ji为离子饱和流密度，其表达式为：
Je＝nee(kTe/2πme)1/2 (4)
其中ne为电子密度，e为元电荷量，k为玻尔兹曼常数，me为电子质量；由探针伏安特性曲线可知，与电子饱和流密度相比，离子饱和流密度的变化较小，其变化量可以忽略不计。
一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统的使用方法，公式(3)中的表达式为：
Te为电子温度；
通过公式(5)得出：
将其代入公式(3)中可得离子饱和流密度表达式为：
由此得到离子饱和流密度Ji。
一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统的使用方法，由于在高气压强碰撞放电条件下电子温度远高于离子温度，即Te>>Ti，因此在探针表面的等离子体鞘套边界位置处的离子速度与离子流密度为：
vis＝(2eV0/mi)1/2＝(kTe/mi)1/2 (8)
Jis＝enis(kT/mi)1/2 (9)
将其代入公式(4)与公式(7)，最终得到探针表面电子饱和流密度与离子饱和流密度为：
并最终反演得到所需测量诊断电子密度ne。
本发明的有益效果是：
本发明只需要普通的电子元件，即可实现在高气压、强碰撞条件对宽范围的放电等离子体密度进行有效诊断。
本发明提升了等离子体密度的准确度，同时使得本发明可以在高气压、强碰撞放电条件下使用。
本发明使得探针系统可以在临近高气压条件下(100-1000Pa)对放电等离子体密度进行精准诊断。
本发明所测的结果与在相同条件下的汤姆森散射法、光谱诊断法诊断结果相比，具有较好的一致性。
附图说明
图1是本发明示例实验装置主视图。
图2是本发明示例实验装置左视图。
图3是本发明的三探针结构示意图。
图4是本发明的探针电路矩阵图。
图5是本发明的采集到的电压电流波形图，其中，图5-(a)，图5-(b)，图5-(c)。
图6是本发明与发射光谱在相同条件下测量值图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统,所述三探针诊断系统包括真空腔室10，所述真空腔室10内装入等离子体13，所述真空腔室10上设置真空泵口12和光学诊断窗口14，所述真空腔室10的尾端设置观察窗口15，所述真空腔室10的首端设置三探针诊断系统，所述真空腔室10的首端与放电等离子体源系统相连通。
一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统，所述三探针系统包括三探针1、真空快接法兰2、探针电路矩阵3、信号滤波器4、数据处理器5、探针运动机构7、直通管9、真空腔室10和数据采集器11、真空泵口12；
所述真空腔室10与直通管9之间通过真空快接法兰2相连接，所述三探针1的首端深入真空腔室10内与等离子体13相连接；所述快接真空法兰根据所连接真空腔室法兰尺寸不同进行更换，具体为KF40或CF40，达到快速连接更换的目的；
所述三探针1的尾端穿过直通管9的中空腔与探针电路矩阵3相连接，所述探针电路矩阵3与信号滤波器4相连接，所述信号滤波器4与数据处理器5相连接，最终通过数据处理器5连接进行采集信号输出，所述数据处理器5与数据采集器11相连接，所述数据采集器11通过电流环19接地，所述数据采集器11与上位机相连接；
所述真空腔室10的底端还设置真空泵口12；
所述三探针1及直通管9均搭置在探针运动机构7上，探针运动机构7由步进电机和丝杆组成，为探针实现1维方向运动。
一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统，所述直通管9为陶瓷管，三个所述直通管9通过三孔陶瓷片固定相互之间的距离，所述直通管9直径为0.45mm，所述三探针1由三组0.4mm钨丝组成，每组探针穿过一根直通管9。
一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统，所述探针电路矩阵3由4组不同范围的电阻和电容组成，同时4组电阻和电容由刀开关矩阵进行切换，用于对不同密度范围的等离子体进行有效诊断测量。
一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统，根据所测等离子体范围不同，所述探针电路矩阵3会通过开关选取不同的采取电阻。
一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统，所述三探针诊断系统包括三探针1、快接真空法兰2、探针电路矩阵3、信号滤波器4、数据处理器5、直流电源组6、探针运动机构7和探针运动控制系统8；
所述三探针1，用于伸入放电等离子体，获得放电等离子体电势；
所述快接真空法兰2，用于快速连接更换；
所述探针电路矩阵3，用于对不同密度范围的放电等离子体进行信号采集；
所述信号滤波器4，用于去除杂波信号；
所述数据处理器5，用于得到探针电流信号；
所述直流电源组，用于为探针电路矩阵提供驱动电压；
所述探针运动机构7，用于探针1维方向运动；
所述探针运动控制系统，用于调节探针运动机构7，得到探针运动机构7行程线上任意一点位置处的探针电流信号。
一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统的使用方法，所述使用方法具体为，
通过快接真空法兰(2)将内部三探针(1)固定在所产生被测等离子体的真空腔室法兰上；
抽真空并产生等离子体；
开启电流电源组输入扫描电压；
通过探针运动控制系统调节探针运动机构7，得到探针运动机构7行程线上任意一点位置处的探针电流信号；
通过数据处理器5得到经过信号滤波4所得到的探针电流信号，并计算得出被测位置处的等离子体密度；结合探针运动机构7得到等离子体密度的在三探针1轴向方向的空间分布。
一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统的使用方法，所述探针电路矩阵3在测试诊断过程中，三探针共测量4个电位，分别标记为V1、V2、V3以及Vf；根据基尔霍夫定律可知在回路中对应的电流相互关系为：
I1＝I2+I3 (1)
其中I2＝(V1-V3)/Rs，I3＝(V2-V3)/Rs
Rs为采样电阻，根据所测不同的等离子体密度范围进行切换选取；
电压间的相互关系为：
流入探针的电流表达为：
其中S为探针伸入到等离子体中的表面积，Je为电子饱和流密度，Ji为离子饱和流密度，其表达式为：
Je＝nee(kTe/2πme)1/2 (4)
其中ne为电子密度，e为元电荷量，k为玻尔兹曼常数，me为电子质量；由探针伏安特性曲线可知，与电子饱和流密度相比，离子饱和流密度的变化较小，其变化量可以忽略不计。
一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统的使用方法，公式(3)中的表达式为：
Te为电子温度；
通过公式(5)得出：
将其代入公式(3)中可得离子饱和流密度表达式为：
由此得到离子饱和流密度Ji。
一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统的使用方法，由于在高气压强碰撞放电条件下电子温度远高于离子温度，即Te>>Ti，因此在探针表面的等离子体鞘套边界位置处的离子速度与离子流密度为：
vis＝(2eV0/mi)1/2＝(kTe/mi)1/2 (8)
Jis＝enis(kT/mi)1/2 (9)
将其代入公式(4)与公式(7)，最终得到探针表面电子饱和流密度与离子饱和流密度为：
并最终反演得到所需测量诊断电子密度ne。
Claims (8)
1.一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统,其特征在于，所述三探针诊断系统包括三探针(1)、真空快接法兰(2)、探针电路矩阵(3)、信号滤波器(4)、数据处理器(5)、探针运动机构(7)、直通管(9)、真空腔室(10)、数据采集器(11)和真空泵口(12)；所述真空腔室(10)内装入等离子体(13)，所述真空腔室(10)上设置真空泵口(12)和光学诊断窗口(14)，所述真空腔室(10)的尾端设置观察窗口(15)，所述真空腔室(10)的首端与放电等离子体源系统(16)相连通；
所述真空腔室(10)与直通管(9)之间通过真空快接法兰(2)相连接，所述三探针(1)的首端深入真空腔室(10)内与等离子体(13)相连接；
所述三探针(1)的尾端穿过直通管(9)的中空腔与探针电路矩阵(3)相连接，所述探针电路矩阵(3)与信号滤波器(4)相连接，所述信号滤波器(4)与数据处理器(5)相连接，所述数据处理器(5)与数据采集器(11)相连接，所述数据采集器(11)通过电流环(19)接地，所述数据采集器(11)与上位机(18)相连接；
所述真空泵口(12)设置在真空腔室(10)的底端；
所述三探针(1)及直通管(9)均搭置在探针运动机构(7)上，探针运动机构(7)为三探针(1)实现一维方向运动；
三个所述直通管(9)通过三孔陶瓷片(20)固定相互之间的距离；
所述探针电路矩阵(3)由4组不同范围的电阻和电容组成，同时4组电阻和电容由刀开关矩阵进行切换，用于对不同密度范围的等离子体进行有效诊断测量。
2.根据权利要求1所述三探针诊断系统，其特征在于，所述直通管(9)为陶瓷管，所述直通管(9)直径为0.45mm，所述三探针(1)由三组0.4mm钨丝组成，每组探针穿过一根直通管(9)。
3.根据权利要求1所述三探针诊断系统，其特征在于，根据所测等离子体密度范围不同，所述探针电路矩阵(3)通过开关选取不同的采样电阻。
4.根据权利要求1所述三探针诊断系统，其特征在于，所述三探针诊断系统包括三探针(1)、真空快接法兰(2)、探针电路矩阵(3)、信号滤波器(4)、数据处理器(5)、直流电源组(6)、探针运动机构(7)和探针运动控制系统(8)；
所述三探针(1)，用于伸入放电等离子体，获得放电等离子体电势；
所述真空快接法兰(2)，用于快速连接更换；
所述探针电路矩阵(3)，用于对不同密度范围的放电等离子体进行信号采集；
所述信号滤波器(4)，用于去除杂波信号；
所述数据处理器(5)，用于得到探针电流信号；
所述直流电源组(6)，用于为探针电路矩阵提供驱动电压；
所述探针运动机构(7)，用于探针一维方向运动；
所述探针运动控制系统(8)，用于调节探针运动机构(7)，得到探针运动机构(7)行程线上任意一点位置处的探针电流信号。
5.根据权利要求1或4所述一种适用于临近空间高气压强碰撞宽范围等离子体密度测量的三探针诊断系统的使用方法，其特征在于，所述使用方法具体为，
通过真空快接法兰(2)将三探针(1)固定在真空腔室法兰上；
抽真空并产生等离子体；
开启直流电源组(6)输入扫描电压；
通过探针运动控制系统调节探针运动机构(7)，得到探针运动机构(7)行程线上任意一点位置处的探针电流信号；
通过数据处理器(5)得到经过信号滤波器(4)所得到的探针电流信号，并计算得出被测位置处的等离子体密度；结合探针运动机构(7)得到等离子体密度在三探针(1)轴向方向的空间分布。
6.根据权利要求5所述使用方法，其特征在于，所述探针电路矩阵(3)在测试诊断过程中，三探针共测量4个电位，分别标记为V1、V2、V3以及Vf；根据基尔霍夫定律可知在回路中对应的电流相互关系为：
I1＝I2+I3 (1)
其中I2＝(V1-V3)/Rs，I3＝(V2-V3)/Rs
Rs为采样电阻，根据所测不同的等离子体密度范围进行切换选取；
电压间的相互关系为：
流入探针的电流表达为：
其中S为探针伸入到等离子体中的表面积，Je为电子饱和流密度，Ji为离子饱和流密度，其表达式为：
Je＝nee(kTe/2πme)1/2 (4)
其中Te为电子温度，ne为电子密度，e为元电荷量，k为玻尔兹曼常数，me为电子质量；由探针伏安特性曲线可知，与电子饱和流密度相比，离子饱和流密度的变化较小，其变化量可以忽略不计。
7.根据权利要求6所述使用方法，其特征在于，公式(3)中的表达式为：
Te为电子温度；
通过公式(5)得出：
将其代入公式(3)中可得离子饱和流密度表达式为：
由此得到离子饱和流密度Ji。
8.根据权利要求5所述使用方法，其特征在于，由于在高气压强碰撞放电条件下电子温度远高于离子温度，即Te>>Ti，因此在探针表面的等离子体鞘套边界位置处的离子速度与离子流密度为：
vis＝(2eV0/mi)1/2＝(kTe/mi)1/2 (8)
Jis＝enis(kT/mi)1/2 (9)
将其代入公式(4)与公式(7)，最终得到探针表面电子饱和流密度与离子饱和流密度为：
并最终反演得到所需测量诊断的电子密度ne。
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