CN115119375B - 一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统及方法，包括四根朗缪尔探针、模式切换系统、采集电路和数据采集及控制系统，能够切换单探针、双探针和三探针各自单独探测模式、单探针和三探针同时探测、单探针和单探针高时空分辨率模式同时探测模式中的一个模式，将单探针、双探针和三探针三种探测工具集成到同一探测载荷系统，在减轻卫星总体重量的同时，实现了对电离层等离子体的电子密度、电子温度、离子密度和空间电位等多种参数的同时探测，并且极大提升了采样率和空间分辨率，满足探测精细的电离层等离子体不均匀体结构的要求，同时在理论计算公式的选择上做了改善，使探测数据的反演参数更加可信。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体探测技术领域，尤其涉及一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统及探测方法。
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。
电离层是地球上空60到1000公里的区域，是地球大气被太阳辐射部分电离的区域，是日地能量传输链中的重要一环，是空间天气的重要组成部分，也是最为贴近空间物理应用层面的地球空间区域。作为人类无线电波传播的主要媒介和航天活动的重要场所，电离层的状态变化能直接影响人类的通讯、导航、遥感定位和航空航天活动等。
电离层的状态变化主要体现在其等离子体密度、温度等的变化上。因此，电离层等离子体密度和温度探测十分重要。
目前用于探测电离层电子密度和温度的星载设备主要是朗缪尔探针系统，它几乎是所有卫星空间环境探测包的必备载荷之一。朗缪尔单探针技术是最常用的电离层等离子体诊断手段之一，通过分析单探针的I-V特性曲线，我们可以得到等离子体电子密度、电子温度、离子密度、空间电位以及电子能量分布函数等众多等离子体参数。这种方法得到的等离子体参数可信度较高，但是，获取一条完整的单探针I-V特性曲线需要测量成百上千个电流电压数据，在短时间内无法完成测量，尤其是在电离层中，卫星飞行速度约为7.5km/s，导致朗缪尔探针探测精度、采样率都难以满足卫星的载荷需求。例如我国张衡一号等离子体探测载荷(朗缪尔探针)的有效数据分辨率为1-2秒中，即探测一条曲线需要1-2秒钟，此时卫星已飞出7.5km，已非严格意义上原位测量而是7.5km的平均效果，在探测一些等离子体不均匀体的结构时，空间分辨率明显不足。
为解决数据分辨率低的问题，挪威的奥斯陆大学研制的针型朗缪尔探针系统采用基于OML(轨道运动限制)理论在电子饱和区取两点拟合直线近似求解电子密度的方法，成功把数据时间分辨率1-2秒提升到1毫秒(1-2Hz提升到1KHz)，即将探测的空间分辨率提升至7.5米。但是这种方案仍具有局限性，首先，其无法获取电离层中的电子温度这一极其重要的参数；其次，其无法获取电离层中等离子体空间电位，进而无法确定电子饱和区，从而无法确定所选取的两个固定偏压值，进而影响电子密度计算的准确性；最后，这种求解电子密度的方法是在满足OML理论条件下进行计算，然而OML理论计算电子密度较拐点法有着较为严苛的适用条件，例如探针半径rp和德拜长度λD需要在特定的范围内，拟合区间需要尽可能的接近拐点电位，探针上的固定偏压过大会使探针上收集的饱和电子电流偏离OML理论计算公式等，用这种理想化的模型计算出的电离层中的电子密度有着较大的误差与不可信度，现已通过地面电离层等离子体模拟实验室证实，这种方法与经典的朗缪尔探针利用过渡区和拐点电位求解电子密度的方法有着较大的误差。综上，如何合理有效的提高卫星载荷朗缪尔探针的采样率与计算结果的可信度，仍是亟待解决的问题。
此外，地面实验室等离子体诊断研究也对社会发展有着极为重要意义，不管是在工业、农业、国防、医疗等方面，还是在新型材料制备过程中，等离子体物理都得到了广泛的应用。特别是对于薄膜的制备过程中，物理气相沉积，化学气相沉积，刻蚀等方面均需要对等离子体进行研究。在研究等离子体性能和特点的物理进程中，利用朗缪尔探针诊断技术获取不同等离子体的特性参数具有关键性意义。
总之，截止目前，国内外并没有一种能够综合考虑以上问题，既能实现实验室等离子体探测，也能同时探测电离层等离子体的电子密度、电子温度、离子密度和空间电位等多种参数，并实现高采样率，高时空分辨率的一体化载荷探测系统。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统及探测方法，由四根朗缪尔探针、模式切换系统、采集电路和数据采集及控制系统组成，模式切换系统通过控制继电器开关实现多个电路通断，进一步实现多个探测模式，将单探针、双探针和三探针三种探测工具集成到同一探测载荷系统，在减轻卫星总体重量的同时，实现了对电离层等离子体的电子密度、电子温度、离子密度和空间电位等多种参数的同时探测，并且极大提升了采样率和空间分辨率，满足探测精细的电离层等离子体不均匀体结构的要求。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，提出了一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统，包括朗缪尔探针、模式切换系统和数据采集及控制系统；
朗缪尔探针包括四根单探针；将其中一根探针连接扫描偏压并接地，组成单探针测量回路；将另外三根探针分别施加第一固定偏压，组成单探针高时空分辨率测量回路；针对上述三根探针，将该三根探针与地悬浮，其中两根探针之间施加第二固定偏压，同时测量另外一根探针与施加正偏压的探针之间的电压，组成三探针测量回路；将施加扫描偏压的单探针与地断开，同时与三探针中未施加第二固定偏压的探针相连，组成双探针测量回路；
模式切换系统，用于控制单探针测量回路、单探针高时空分辨率测量回路、三探针测量回路、双探针测量回路通断、单探针测量回路的通断，或单探针测量回路与单探针高时空分辨率测量回路同时导通、单探针测量回路与三探针测量回路同时导通。
第二方面，提出了一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统的单探针探测方法，包括：
通过模式切换系统控制单探针测量回路导通，其余电路断开；
通过数据采集及控制系统获取单探针测量回路中电流和电压数据，并根据电流电压数据获得电子温度、电子密度和等离子体的电子能量分布。
第三方面，提出了一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统的双探针探测方法，包括：
通过模式切换系统控制双探针测量回路导通，其他测量回路断开；
通过数据采集及控制系统获取双探针回路中的电流电压数据，并根据电流电压数据获得电子温度和离子密度。
第四方面，提出了一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统的单探针高时空分辨率探测方法，包括：
通过模式切换系统将单探针高时空分辨率测量回路导通，其余测量回路断开；
通过数据采集及控制系统获取三根单探针上的电流数据，并根据电流数据获得电子密度。
第五方面，提出了一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统的三探针探测方法，包括：
通过模式切换系统将三探针测量回路导通，其余测量回路断开；
通过数据采集及控制系统获取三探针测量回路的电流电压数据，并根据电流电压数据获得电子温度和离子密度。
第六方面，提出了一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统的单探针和单探针高时空分辨率同时探测方法，包括：
通过模式切换系统将单探针测量回路和单探针高时空分辨率测量回路同时导通，其余测量回路断开；
通过数据采集及控制系统获取单探针测量回路的电流电压数据，及高时空分辨率测量回路的电流数据，根据电流电压数据获得电子温度、电子密度和等离子体的电子能量分布。
第七方面，提出了一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统的单探针和三探针同时探测方法，包括：
通过模式切换系统单探针测量回路与三探针测量回路同时导通；其余测量回路断开；
通过数据采集及控制系统获取单探针测量回路与三探针测量回路的电流电压数据，根据电流电压数据获得电子温度、电子密度、离子密度和等离子体的电子能量分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明由四根朗缪尔探针、模式切换系统、采集电路和数据采集及控制系统组成，模式切换通过控制继电器开关实现多个电路通断，进一步实现多个探测模式，包括：单探针、双探针和三探针各自单独探测模式、单探针高时空分辨率模式和单探针三探针同时探测模式，将单探针、双探针和三探针三种探测工具集成到同一探测载荷系统，在减轻卫星总体重量的同时，实现了对电离层等离子体的电子密度、电子温度、离子密度和空间电位等多种参数的同时探测，并且极大提升了采样率和空间分辨率，满足探测精细的电离层等离子体不均匀体结构的要求。
2、本发明可实现在同一个载荷上获取电离层等离子体的电子密度、电子温度、离子密度和空间电位等多种参数，实现了一体化，避免了因功能不全而造成的载荷重复安装，可减轻卫星总体重量。
3、本发明可实现两种单探针探测模式：全周期探测模式和高时空分辨率探测模式，两种模式亦可以同时工作。全周期探测模式即对单探针施加扫描偏压，可获取等离子体的整条I-V特性曲线，采样周期长但可获取较为全面且准确的等离子体参数；高时空分辨率探测模式即分别获取三个不同偏置电压对应的探针电流，仅可获取电子密度这一参数，但可实现高采样率和高空间分辨率。全周期探测模式一方面可以验证高时空分辨率探测模式测量密度的准确性，另一方面也获取电子饱和区的饱和电压临界值等关键信息，为确保高时空分辨率探测模式所加的固定偏置电压均位于电子饱和区内提供重要参考。因此这两种模式，不仅能获取高时空分辨率探测数据，还具备自我验证与标校以及动态调整偏置电压等功能。
4、本发明可实现双探针探测功能，无需参考电极，不受空间电位影响，且不受卫星表面导电面积影响，较单探针来说，更适用于搭载到微小卫星上面，在理论上极大减小误差源，使获取到的电子温度和电子密度更加可信。
5、本发明可实现三探针探测功能，无需参考电极，不受空间电位影响，不受卫星表面导电面积影响，较单探针来说，更适用于搭载到微小卫星上面，在理论上极大减小误差源，使获取到的电子温度和离子密度更加可信；无需给探针施加扫描偏压，只需给探针提供一个固定偏压即可实现探测，如此可实现10KHz高采样率，同时将空间分辨率提升至亚米级别，完全满足探测精细的电离层等离子体不均匀体结构的要求；在理论公式上，运用此方法得到的等离子体电子温度与离子密度，较基于OML理论在电子饱和区取两点拟合直线求解电子密度的方法来说更加严谨可信。
6、本发明可实现两种单探针探测模式同时工作的探测模式、单探针与三探针同时工作的探测模式和双探针独立工作的模式，各模式下的探测结果可以相互校正，可排除卫星位移造成的误差及其他外界因素造成的误差，进一步提高载荷探测结果的可信度。
7、本发明可应用于实验室等离子体探测，系统整体尺寸小，便于移动安装，可携带至各个有等离子体诊断需求的实验室进行探测。
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
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，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。
图1为本系统的整体框架示意图；
图2为模式切换系统与偏压采集电路示意图；
图3为两种不同的探针位置安装示意图；
图4为单探针全周期探测模式下采集的I-V特性曲线；
图5为单探针高时空分辨率模式下采集的数据点与拟合直线；
图6为双探针探测模式下采集的I-V特性曲线；
图7为三探针探测模式下0.01s采集的100个电流电压数据。
其中：1、等离子体，2、朗缪尔探针，3、模式切换系统，4、扫描偏压电路，5、固定偏压电路，6、数据采集及控制系统，7、第一开关，8、第一电流采集装置，9、第一电压采集装置，10、扫描偏压，11、第二开关，12、第二电流采集装置，13、第二固定偏压，14、第三开关，15、第二电压采集装置，16、第四开关，17、第五开关，18、第六开关，19、第三电流采集装置，20、第一固定偏压。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
在该实施例中，一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统，用于电离层等离子体探测，如图1所示，包括朗缪尔探针2、采集电路、模式切换系统3和数据采集及控制系统6。
如图3所示，朗缪尔探针2，包括四根单探针，分别为单探针P1、单探针P2、单探针P3和单探针P4，四根单探针平行布置或对角布置；将朗缪尔探针2放置于等离子体1中，用于收集等离子体的电子和电流，其中P1作为单探针，P1和P2组成双探针，P2、P3和P4组成三探针或高时空分辨率单探针组。
探针材质包括但不限于钨、铱、铼、金、铂、氮化钛、石墨等。
采集电路包括扫描偏压电路4和固定偏压电路5，具体的包括将其中一根探针连接扫描偏压10并接地，组成的单探针测量回路；将另外三根探针分别施加不同的第一固定偏压20，组成的单探针高时空分辨率测量回路；针对上述三根探针，将该三根探针与地悬浮，其中两根探针之间施加第二固定偏压13，同时测量另外一根探针与施加正偏压的探针之间的电压，组成的三探针测量回路；将施加扫描偏压10的单探针与地断开，同时与三探针中未施加第二固定偏压13的探针相连，组成的双探针测量回路；且单探针测量回路和单探针高时空分辨率测量回路能够同时导通、单探针测量回路和三探针测量回路能够同时导通。
如图2所示，将单探针P1连接扫描偏压10并接地，在单探针P1与扫描偏压10之间设置第一开关7和第一电流采集装置8，在单探针P1与接地之间依次设置第一电压采集装置9和第二开关11，将单探针P2、单探针P3和单探针P4分别施加不同的第一固定偏压20，并在相应的连接电路上分别设置第三电流采集装置19和第六开关18，组成单探针高时空分辨率测量回路，将单探针P2、单探针P3和单探针P4与地悬浮，在单探针P3和单探针P4之间施加第二固定偏压13，并设置第二电流采集装置12和第三开关14，在单探针P2与单探针P3之间连接第二电压采集装置15和第四开关16，第二电压采集装置的一端与第四开关16连接，另一端连接在第三开关与单探针P3连接的电路上，将单探针P2与单探针P1连接，并在单探针P2与单探针P1的连接电路上设置第五开关17，第五开关的一端连接在第四开关与单探针P2连接的电路上，另一端连接在第一电压采集装置9与第二开关11连接的电路上，第二电流采集装置12与单探针p 4之间、第三开关14与单探针P3之间、单探针P2与第五开关17之间均设置第六开关18。
其中，第一开关7、第二开关11、第三开关14、第四开关16、第五开关17和第六开关18可以采用但不限于磁保持继电器。
模式切换系统3，用于控制单探针测量回路、单探针高时空分辨率测量回路、三探针测量回路及双探针测量回路的导通断开；及单探针测量回路和单探针高时空分辨率测量回路同时导通；单探针测量回路和三探针测量回路同时导通。
具体的，当第一开关7、第二开关11导通，其余开关均断开时，单探针测量回路导通，由扫描偏压10为单探针P1施加扫描偏压，由第一电流采集装置8获取单探针测量回路导通时的探针电流，第一电压采集装置9获取单探针测量回路导通时的探针电压。
当第六开关18切换到与三个第三电流采集装置19并联的电路，其余开关断开时，单探针高时空分辨率测量回路导通，由第一固定偏压20分别为单探针P2、P3、P4施加不同的固定偏压，通过第三电流采集装置19获取单探针高时空分辨率测量回路导通时的各探针电流。
当第三开关14、第四开关16闭合，其余开关均断开时，三探针测量回路导通，由第二固定偏压13为单探针P3、P4施加固定偏压，通过第二电流采集装置12获取探针电流，通过第二电压采集装置15获取探针电压。
当第一开关7、第五开关17、第六开关18闭合，其余开关均断开，双探针测量回路导通，通过扫描偏压10为单探针P1、P2施加扫描偏压，由第一电流采集装置8获取双探针测量回路导通时的探针电流，第一电压采集装置9获取双探针测量回路导通时的探针电压。
当第六开关18、第一开关7、第二开关11、第三开关14、第四开关16闭合，其余所有开关断开时，单探针测量回路和三探针测量回路同时导通，通过扫描电源10对单探针P1施加扫描偏压，通过第二固定偏压13为单探针P3、P4施加固定偏压，通过第一电压采集装置9获取单探针P1的电压，通过第一电流采集装置8获取单探针P1的电流，通过通过第二电流采集装置12获取探针电流，通过第二电压采集装置15获取探针电压。
当第六开关18切换到与三个第三电流采集装置19并联的电路，第一开关7、第二开关11闭合，其余所有开关断开时，单探针测量回路和单探针高时空分辨率测量回路同时导通，通过扫描电源10对单探针P1施加扫描偏压，由第一固定偏压20分别为单探针P2、P3、P4施加不同的固定偏压，通过第一电压采集装置9获取单探针P1的电压，通过第一电流采集装置8获取单探针P1的电流，通过第三电流采集装置19获取单探针高时空分辨率测量回路导通时的各探针电流。
数据采集及控制系统，用于向控制模式切换系统发出模式切换触发信号，通过模式切换系统控制单探针测量回路、单探针高时空分辨率测量回路、三探针测量回路及双探针测量回路的导通断开；及单探针测量回路和单探针高时空分辨率测量回路同时导通；单探针测量回路和三探针测量回路同时导通；并获取不同测量回路导通时的电流电压数据，根据电流电压数据获得等离子体参数。
在单探针探测模式下，单探针测量回路导通，数据采集及控制系统，根据获取的电压V、电流I形成如图4所示的I-V特性曲线后，根据以下公式可计算出电子温度Te：
计算出电子密度ne：
计算出等离子体的电子能量分布函数(EEPF)：
上述公式中，e表示元电荷，Vp表示等离子体空间电位，Ies表示探针电子饱和电流，S表示探针表面积，me表示电子质量，ε＝e(Vp-VB)。
在双探针探测模式下，双探针探测回路导通，数据采集及控制系统，根据获取的电压V、电流I形成如图6所示的I-V特性曲线后，进一步可计算出电子温度Te：
计算出离子密度ni：
上述公式中，Iis表示探针离子饱和电流，e表示元电荷，S表示探针表面积，mi表示离子质量。
在单探针高时空分辨率探测模式下，单探针高时空分辨率测量回路导通，第一固定偏压20分别对单探针P2、P3、P4施加5V、7V、10V的固定偏压VBn，数据采集及控制系统，根据获取的电流In形成如图5所示的I-V特性曲线后，对三个电流求平方得到In 2，再对In 2与VBn进行线性拟合，所得直线的斜率为k；根据以下公式可计算出电子密度ne：
其中，e表示元电荷，S表示探针表面积，me表示电子质量。
在三探针探测模式下，三探针探测回路导通，数据采集及控制系统根据获取的电压Vd2、电流I形成I-V特性曲线后，如图7所示，三探针探测模式下0.01s采集的100个电流电压数据，进一步可计算出电子温度Te：
离子密度ni可由以下公式计算得出：
上述公式中，mi表示离子质量，e表示元电荷，S表示探针表面积。
本实施例公开的一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统，可应用于空间等离子体探测与地面实验室等离子体探测，系统包括四根朗缪尔探针、模式切换系统、采集电路和数据采集及控制系统，数据采集及控制系统通过发送模式切换指令控制模式切换系统切换到单探针、双探针和三探针各自单独探测模式、单探针高时空分辨率模式和单探针同时探测模式、单探针和三探针同时探测模式其中的一个模式，使探针连接与其模式相对应的偏压采集电路，获取电流电压数据，存入数据采集及控制系统，将单探针、双探针和三探针三种探测工具集成到同一探测载荷系统，在减轻卫星总体重量的同时，实现了对电离层等离子体的电子密度、电子温度、离子密度和空间电位等多种参数的同时探测，并且极大提升了采样率和空间分辨率，满足探测精细的电离层等离子体不均匀体结构的要求，同时在理论计算公式的选择上做了改善，使探测数据的反演参数更加可信。
实施例2
在该实施例中，公开了一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统的单探针探测方法，包括：
通过模式切换系统控制单探针测量回路导通，其余电路断开；
通过数据采集及控制系统获取单探针测量回路中电流和电压数据，并根据电流电压数据获得电子温度、电子密度和等离子体的电子能量分布。
实施例3
在该实施例中，公开了一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统的双探针探测方法，包括：
通过模式切换系统控制双探针测量回路导通，其他测量回路断开；
通过数据采集及控制系统获取双探针回路中的电流电压数据，并根据电流电压数据获得电子温度和离子密度。
实施例4
在该实施例中，公开了一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统的单探针高时空分辨率探测方法，包括：
通过模式切换系统将单探针高时空分辨率测量回路导通，其余测量回路断开；
通过数据采集及控制系统获取三根单探针上的电流数据，并根据电流数据获得电子密度。
实施例5
在该实施例中，公开了一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统的三探针探测方法，包括：
通过模式切换系统将三探针测量回路导通，其余测量回路断开；
通过数据采集及控制系统获取三探针测量回路的电流电压数据，并根据电流电压数据获得电子温度和离子密度。
实施例6
在该实施例中，公开了一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统的单探针和单探针高时空分辨率同时探测方法，包括：
通过模式切换系统将单探针测量回路和单探针高时空分辨率测量回路同时导通，其余测量回路断开；
通过数据采集及控制系统获取单探针测量回路的电流电压数据，及高时空分辨率测量回路的电流数据，根据电流电压数据获得电子温度、电子密度和等离子体的电子能量分布。
实施例7
在该实施例中，公开了一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统的单探针和三探针同时探测方法，包括：
通过模式切换系统单探针测量回路与三探针测量回路同时导通；其余测量回路断开；
通过数据采集及控制系统获取单探针测量回路与三探针测量回路的电流电压数据，根据电流电压数据获得电子温度、电子密度、离子密度和等离子体的电子能量分布。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统，其特征在于，包括朗缪尔探针、模式切换系统和数据采集及控制系统；
朗缪尔探针包括四根单探针；将其中一根探针连接扫描偏压并接地，组成单探针测量回路；将另外三根探针分别施加第一固定偏压，组成单探针高时空分辨率测量回路；针对上述三根探针，将该三根探针与地悬浮，其中两根探针之间施加第二固定偏压，同时测量另外一根探针与施加正偏压的探针之间的电压，组成三探针测量回路；将施加扫描偏压的单探针与地断开，同时与三探针中未施加第二固定偏压的探针相连，组成双探针测量回路；
模式切换系统，用于控制单探针测量回路、单探针高时空分辨率测量回路、三探针测量回路、双探针测量回路通断、单探针测量回路的通断，或单探针测量回路与单探针高时空分辨率测量回路同时导通、单探针测量回路与三探针测量回路同时导通。
2.如权利要求1所述的一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统，其特征在于，朗缪尔探针包括单探针P1、单探针P2、单探针P3和单探针P4，四根单探针平行布置或对角布置。
3.如权利要求2所述的一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统，其特征在于，将单探针P1连接扫描偏压并接地，在单探针P1与扫描偏压之间设置第一开关和第一电流采集装置，在单探针与接地之间依次设置第一电压采集装置和第二开关，将单探针P2、单探针P3和单探针P4分别施加不同的固定偏压，并在相应的连接电路上分别设置第三电流采集装置和第六开关，将单探针P2、单探针P3和单探针P4与地悬浮，在单探针P3和单探针P4之间施加第二固定偏压，并设置第二电流采集装置和第三开关，在单探针P2与单探针P3之间连接第二电压采集装置和第四开关，第二电压采集装置的一端与第四开关连接，另一端连接在第三开关与单探针P3连接的电路上，将单探针P2与单探针P1连接，并在单探针P2与单探针P1的连接电路上设置第五开关，第五开关的一端连接在第四开关与单探针P2连接的电路上，另一端连接在第一电压采集装置与第二开关连接的电路上，第二电流采集装置与单探针P4之间、第三开关与单探针P3之间、单探针P2与第五开关之间均设置第六开关。
4.如权利要求1所述的一种多模式朗缪尔探针三合一探测系统，其特征在于，数据采集及控制系统，用于向控制模式切换系统发出指令信号，通过控制模式切换系统控制单探针测量回路、单探针高时空分辨率测量回路、三探针测量回路、双探针测量回路通断、单探针测量回路的通断，及单探针测量回路与单探针高时空分辨率测量回路同时导通、单探针测量回路与三探针测量回路同时导通；并获取不同测量回路导通时的电流电压数据，根据电流电压数据获得等离子体参数。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述的多模式朗缪尔探针三合一探测系统的单探针探测方法，其特征在于，包括：
通过模式切换系统控制单探针测量回路导通，其余电路断开；
通过数据采集及控制系统获取单探针测量回路中电流和电压数据，并根据电流电压数据获得电子温度、电子密度和等离子体的电子能量分布。
6.一种基于权利要求1-4任一项所述的多模式朗缪尔探针三合一探测系统的双探针探测方法，其特征在于，包括：
通过模式切换系统控制双探针测量回路导通，其他测量回路断开；
通过数据采集及控制系统获取双探针回路中的电流电压数据，并根据电流电压数据获得电子温度和离子密度。
7.一种基于权利要求1-4任一项所述的多模式朗缪尔探针三合一探测系统的单探针高时空分辨率探测方法，其特征在于，包括：
通过模式切换系统将单探针高时空分辨率测量回路导通，其余测量回路断开；
通过数据采集及控制系统获取三根单探针上的电流数据，并根据电流数据获得电子密度。
8.一种基于权利要求1-4任一项所述的多模式朗缪尔探针三合一探测系统的三探针探测方法，其特征在于，包括：
通过模式切换系统将三探针测量回路导通，其余测量回路断开；
通过数据采集及控制系统获取三探针测量回路的电流电压数据，并根据电流电压数据获得电子温度和离子密度。
9.一种基于权利要求1-4任一项所述的多模式朗缪尔探针三合一探测系统的单探针和单探针高时空分辨率同时探测方法，其特征在于，包括：
通过模式切换系统将单探针测量回路和单探针高时空分辨率测量回路同时导通，其余测量回路断开；
通过数据采集及控制系统获取单探针测量回路的电流电压数据，及高时空分辨率测量回路的电流数据，根据电流电压数据获得电子温度、电子密度和等离子体的电子能量分布。
10.一种基于权利要求1-4任一项所述的多模式朗缪尔探针三合一探测系统的单探针和三探针同时探测方法，其特征在于，包括：
通过模式切换系统单探针测量回路与三探针测量回路同时导通；其余测量回路断开；
通过数据采集及控制系统获取单探针测量回路与三探针测量回路的电流电压数据，根据电流电压数据获得电子温度、电子密度、离子密度和等离子体的电子能量分布。
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