CN117560835A - 用于探测高密度等离子体的高分辨率探针系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于探测高密度等离子体的高分辨率探针系统及方法，四根朗缪尔探针与电子电路连接，所述电子电路与外接参考电极连接，所述四根朗缪尔探针安装在底座上，底座安装在航天器的内部，工作时，底座被航天器推到等离子体环境中，四根朗缪尔探针对等离子体环境进行探测；所述四根朗缪尔探针，其中一根朗缪尔探针上施加扫描偏压，用于采集离子和电子电流，获取等离子体的特性曲线，获取等离子体参数；另外三根朗缪尔探针采用固定负偏压，用于采集离子饱和区的电流；通过所述另外三根朗缪尔探针的两两探针之间的电流的平方差与电压差的线性拟合，获取等离子体密度参数。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体探测技术领域，特别是涉及用于探测高密度等离子体的高分辨率探针系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
电离层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，也是作为贴近空间物理应用层面的地球空间区域。当电离层作为电磁波的传播介质时，一方面可以吸收电磁波传播的能量，导致其信号的衰减，另一方面可以引发散射、反射和折射等现象，引起电磁波相位和方向等变化，造成信号的延迟或失真。所以电离层的状态及变化对人类的通讯、导定位航、遥感及超视距雷达探测等有着重要影响。而且由于电离层不稳定结构，即不均匀体体的存在，经常导致无线电在穿过电离层时发生信号闪烁等现象，破坏了无线电的正常传播。这些扰动持续的时间长度也因所处的纬度和季节等因素有所不同。
近年来，各国通过人工干预的手段，开展了人工影响电离层闪烁的主动空间试验。人工扰动电离层技术研究，对于认识和主动控制电离层，保障和保证良好的电磁环境，规避恶劣通信条件，尤其是通信导航领域，具有较大的研究价值和广阔的应用前景。人工扰动电离层住有两种手段，一种是采用高频电波加热电离层方法，另一种是通过化学物质释放扰动电离层环境。以上两种手段，其本质上改变局部的等离子体密度，使其高于背景等离子体密度，形成人工电离层不均匀体，以此来研究其物理机制与对无线电信号传播的影响。
传统的电离层等离子体探测手段多依赖于朗缪尔探针，电离层中等离子体密度大约为109m-3-1012m-3。传统朗缪尔探针尺寸较大，易于设计安装，探测电流为微安到毫安量级，易于采集电路设计，满足电离层等离子体探测需求。然而人工电离层形成的不均匀体密度较大，大约在1015m-3-1019m-3，远高于背景等离子体，使用传统朗缪尔探针探测时会在探针电极上流经几安甚至几百安的电流，金属探针会在短时间内被加热，对周围等离子体造成扰动，同时会导致探针寿命缩短甚至烧毁。此外，后端的采集电路也因此会产生较大功耗，不满足空间探测载荷的搭载需求。
此外，传统朗缪尔探针诊断方法是在探针上施加一个由负到正的扫描偏压，采集探针上的电压电流，获取等离子体的I-V特性曲线，通过分析整条曲线反演出等离子体的各项参数。但是，获取一条完整的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，电子饱和区处的电流较大，尤其是测量较高密度的等离子体时，探针会被加热，对周围等离子体造成扰动，同时会导致探针寿命缩短甚至烧毁。故采用此方案也不能很好的解决探测时空分辨率较低的问题。
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，既能实现高密度等离子体探测，获取人工扰动电离层不均匀体的电子密度、电子温度、离子密度和空间电位等多种参数，并实现高时空分辨率的探测系统。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了用于探测高密度等离子体的高分辨率探针系统及方法；
一方面，提供了用于探测高密度等离子体的高分辨率探针系统；
用于探测高密度等离子体的高分辨率探针系统，包括：四根朗缪尔探针和外接参考电极；
所述外接参考电极安装在航天器外壳的外表面，且不与航天器外壳导通，所述外接参考电极表面不做绝缘处理，与等离子体环境导通；
所述四根朗缪尔探针与电子电路连接，所述电子电路的接地端与外接参考电极连接，所述四根朗缪尔探针安装在底座上，底座安装在航天器的内部，工作时，底座被航天器推到等离子体环境中，四根朗缪尔探针对等离子体环境进行探测；
所述四根朗缪尔探针，其中一根朗缪尔探针上施加扫描偏压，用于采集离子和电子电流，获取等离子体的特性曲线，获取等离子体参数；另外三根朗缪尔探针采用固定负偏压，用于采集离子饱和区的电流；通过所述另外三根朗缪尔探针的两两探针之间的电流的平方差与电压差的线性拟合，获取等离子体密度参数。
另一方面，提供了用于探测高密度等离子体的高分辨率探针方法；
用于探测高密度等离子体的高分辨率探针方法，包括：
工作时，四根朗缪尔探针的底座被航天器推到等离子体环境中，四根朗缪尔探针对等离子体环境进行探测；所述四根朗缪尔探针，其中一根朗缪尔探针上施加扫描偏压，用于采集离子和电子电流，获取等离子体的特性曲线，获取等离子体参数；另外三根朗缪尔探针采用固定负偏压，用于采集离子饱和区的电流；通过所述另外三根朗缪尔探针的两两探针之间的电流的平方差与电压差的线性拟合，获取等离子体密度参数。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：
本发明可实现探测高密度等离子体，通过对探测方法创新并缩小探针尺寸，采集数量级较小的离子电流，从而减小了探针电极流经的电流，减轻了探针的发热与对被测等离子体的扰动，增加了探测量程的同时，延长了探针的使用寿命。同时配备一根可以采集完整I-V特性曲线的传统朗缪尔探针，可以获取全面的等离子体参数，所述全面等离子体参数，包括电子密度、电子温度、离子密度和空间电位。
本发明可实现等离子体的高时空分辨率探测，本发明提出了一种新的探测方法，采用三根探针采用固定负偏压，用于采集离子饱和区的电流，通过两两之间电流的平方与电压的线性拟合，获取等离子体密度，无需扫描完整的I-V特性曲线，把数据时间分辨率1-2秒提升到1毫秒(1-2Hz提升到1KHz)，相应的空间分辨率从千米量级提升至米量级。
本发明提出在探测空间等离子体时，额外增加外接参考电极，所述外接参考电极与电子电路的负极连接，可嵌于航天器外壳表面且不与航天器外壳导通，外接参考电极表面不做绝缘处理，与等离子体环境导通，外接参考电极可采用不锈钢材质，外接参考电极的导电面积需大于四根探针表面积总和的1000倍，以保证数据采集的准确性。避免因航天器表面导电面积不足造成的曲线偏移，也避免了航天器外壳噪声信号引入，影响探测结果。
本发明改进了传感器结构，将四根探针集成，便于安装，支撑结构由航空级别铝合金一体加工成型，能适应航天器发射时严苛的力学要求，本发明采用离子电流计算等离子体密度，可以提高测量密度
本发明配备了自研设计的高精度低噪声电子学电路，搭配传感器形成了一套完整的适用于各种航天器的空间等离子体探测载荷，同时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。
本发明的主要效能和创新之处在探测方法及原理创新、传感器结构的改进和数据处理方法的创新，同时良好配合自研设计的高精度低噪声电子学电路，使得本设计相较于传统朗缪尔探针，减小了探针电极流经的电流，增加了探测量程的同时，延长了探针的使用寿命，并大幅度的提高了等离子体探测的空间分辨率，满足了对高密度等离子体团进行精密探测的需求，对人工影响电离层闪烁的主动空间试验具有重要应用价值。
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为实施例一的系统组成及连线示意图；
图2为实施例一的朗缪尔探针结构示意图；
图3为实施例一的扫描电压加载电路；
图4为实施例一的电路原理图；
图5为实施例一的电子电路接地隔离示意图；
图6为实施例一的传统探针I-V特性曲线；
图7为实施例一的三根探针在离子饱和区采集数据与拟合直线。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例一
本实施例提供了用于探测高密度等离子体的高分辨率探针系统；
如图1所示，用于探测高密度等离子体的高分辨率探针系统，包括：四根朗缪尔探针和外接参考电极；
所述外接参考电极安装在航天器外壳的外表面，且不与航天器外壳导通，所述外接参考电极表面不做绝缘处理，与等离子体环境导通；
所述四根朗缪尔探针与电子电路连接，所述电子电路的接地端与外接参考电极连接，所述四根朗缪尔探针安装在底座上，底座安装在航天器的内部，工作时，底座被航天器推到等离子体环境中，四根朗缪尔探针对等离子体环境进行探测；
所述四根朗缪尔探针，其中一根朗缪尔探针上施加扫描偏压，用于采集离子和电子电流，获取等离子体的特性曲线，获取等离子体参数；另外三根朗缪尔探针采用固定负偏压，用于采集离子饱和区的电流；通过所述另外三根朗缪尔探针的两两探针之间的电流的平方差与电压差的线性拟合，获取等离子体密度参数。
进一步地，所述电子电路包括第一运算放大电路和第二运算放大电路；
其中，第一运算放大电路的输入端与第一根朗缪尔探针连接，第一运算放大电路的输出端与第一差分放大电路的输入端连接，第一差分放大电路的输出端与滤波电路的输入端连接；第一运算放大电路的输入端和第一差分放大电路的输入端还与扫描电压加载电路的输出端连接，扫描电压加载电路的输入端与MCU芯片的DAC输出接口连接；
其中，第二运算放大电路的输入端分别与第二、第三和第四根朗缪尔探针连接，第二运算放大电路的输出端与第二差分放大电路的输入端连接，第二差分放大电路的输出端与滤波电路的输入端连接，第二运算放大电路的输入端和第二差分放大电路的输入端还与稳压电路的输出端连接；稳压电路的输入端与15V供电电源相连接；
所述滤波电路的输出端分别与第一通道的输入端、第二通道的输入端、第三通道的输入端和第四通道的输入端连接；
第一通道的输出端、第二通道的输出端、第三通道的输出端和第四通道的输出端均与MCU芯片连接；MCU芯片还与通讯接口芯片连接。
第一、第二、第三和第四通道均通过ADC芯片来实现。
进一步地，所述外接参考电极，与电子电路的接地端连接；外接参考电极的作用是作为电子电路中的参考地，并且在测量时收集等离子体中的电子离子，形成电流回路。
进一步地，所述外接参考电极，采用不锈钢材质，所述外接参考电极的表面积大于四根朗缪尔探针表面积总和的1000倍。
进一步地，所述扫描电压加载电路，包括：第一运算放大器OPA4196和第二运算放大器OPA4196；
第一运算放大器OPA4196的反相输入端，通过电阻R1与MCU芯片的DAC输出端口连接；
第一运算放大器OPA4196的同相输入端，通过电阻R2与第二运算放大器OPA4196的输出端连接，第二运算放大器OPA4196的反向输入端与第二运算放大器OPA4196的输出端连接，第二运算放大器OPA4196的正向输入端通过电阻R3接地，第二运算放大器OPA4196的正向输入端通过电阻R4与MCU芯片的I/O端口连接；第一运算放大器OPA4196的同相输入端，通过电阻R5接地；
第一运算放大器OPA4196的电源正极通过电阻R6连接第一运算放大器OPA4196的反相输入端；
第一运算放大器OPA4196的输出端与第一运算放大电路的输入端连接，第一运算放大器OPA4196的输出端用于输出扫描电压；
第一运算放大器OPA4196的电源负极连接第一差分放大电路的输入端。
DAC输出端口输出的0～3.3V的扫描电压，I/O端口输出的固定电压经电阻分压成1.65V后输入到算放大器OPA4196的同相输入端，并通过反馈电阻放大6.2倍后输出-10～+10V的扫描电压。
如图5所示，电子电路接地隔离示意图，电子电路的供电回线与电子电路电源接地端1500VDC隔离；电子电路接地端通过屏蔽线缆直接连接外接参考电极，电子电路与航天器系统接地端绝缘。
进一步地，所述四根朗缪尔探针的尺寸是一样的，探针长度均为2毫米，直径均为0.2毫米。
进一步地，所述底座为金属底座，一体成型，所述底座的下表面设有一层绝缘垫片。
进一步地，图4为电路原理图，偏置电压由MCU内置数模转换器DAC(Digital toAnalog Converter)控制输出，通过扫描电压加载电路，将-10V到10V的电压施加在第一根朗缪尔探针上，通过MCU控制DAC输出值，当DAC输出从-10V连续变化到10V时，也就是探针上为-10V到10V的连续电压信号，这时探针工作在扫描偏压模式下，频率为1kSPS；
当MCU控制DAC输出一个固定的电压值时，则另外三根朗缪尔探针上的工作电压也是一个固定值，探针工作在固定偏压模式下，频率至多为10kSPS。
四根朗缪尔探针吸收电子或离子产生微电流，将探针上电流信号转化为电压信号，并实现信号的放大后，经过滤波电路滤波处理；滤波电路处理后的信号分别送入四个通道；
第一通道保存第一根朗缪尔探针采集到的电压信号以及当前的扫描电压值；
第二通道只保存第二根朗缪尔探针采集的电压信号；
第三通道只保存第三根朗缪尔探针采集的电压信号；
第四通道只保存第四根朗缪尔探针采集的电压信号；
电压信号被模数转换器ADC(Analog to digital converter)采集并且转换为数字信号；MCU芯片通过串行外设接口SPI(Serial Peripheral Interface)与模数转换器ADC(Analog to digital converter)通讯，获取转换的数字信号；
四个通道保存的数字信号形成朗缪尔探针的原始数据，原始数据按照设定的数据格式完成打包处理后，通过数据通信总线上传给航天器的中心计算机。
进一步地，另外三根朗缪尔探针采用固定负偏压，用于采集离子饱和区的电流；通过所述另外三根朗缪尔探针的两两探针之间的电流的平方差与电压差的线性拟合，获取等离子体密度参数，具体包括：
对于针型朗缪尔探针在离子饱和区电流Ii与电压VB关系满足：
其中，e为电子带电量，ni为离子密度，A表示探针表面积，K为玻尔兹曼常数,mi为离子质量，Vp表示空间电位。
对公式(1)进行平方，得：
在离子饱和区，选取两个不同电压值VB1和VB2，则有：
通过两式做差的形式将空间电位Vp消去，式(3)和(4)做差得：
整理式(5)，离子密度ni表示为：
三根探针的电压分别为-8V，-9V，-10V，每两个电压一组可计算出一个离子密度ni，三组两两结合，得到三个离子密度，求三个离子密度平均值，将平均值作为最终的离子密度输出。减小测量误差。
图7为实施例一的三根探针在离子饱和区采集数据与拟合直线。在离子饱和区，只需知道两组不同偏压(VB)及其对应的电流值(Ii)即可求解离子密度ni，等离子体中一般认为离子密度等于电子密度。
通过改良传感器结构、探针偏置电位固定在离子饱和区并配合数据处理算法的方法，减小了探针探测电流，实现了对高密度离子体的电子密度、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，可精细探测高密度等离子体团的结构特征。
其中朗缪尔探针为传感器，需要安装在推出装置上，探测时由推出装置驱动伸入到等离子体中。电子电路通过连接线缆与探针、外接参考电极连接。外接参考电极嵌于航天器外壳表面且不与航天器外壳导通，其表面不做绝缘处理，与等离子体环境导通，可采用不锈钢材质，外接导体面积需大于四根探针表面积总和的1000倍，以保证数据采集的准确性。电子学系统机壳与安装面绝缘，表面可采用铬酸阳极化做绝缘处理。螺丝孔可以加聚四氟乙烯材料的绝缘套，保证电子学系统外壳与航天器良好绝缘。工作时，朗缪尔探针被推出到等离子体环境当中，至少推出距离航天器表面20厘米，以保证探针不处于航天器表面鞘层中，对电子电路上电，等离子体可视为导体，朗缪尔探针、等离子体、外接参考电极和电子电路组成一个探测回路，开始对周围等离子体环境进行探测，加电后5s内能够稳定输出测量数据。
如图2所示，传感器由四根朗缪尔探针及支撑结构组成，探针位于传感器最上端，传统探针长度为25mm，直径为0.5mm，本发明探针长度为2mm，直径为0.2mm，尺寸更小，可探测更高密度等离子体。探针材质包括但不限于钨、铱、铼、金、铂、氮化钛、石墨等。
传感器中段部分采用聚酰亚胺材质，用来支撑探针，并与金属底座绝缘。金属底座由航空铝合金切割而成，一体成型，抗震性更好，能适应航天器发射时严苛的力学要求。
为使探针底座与伸出机构形成良好绝缘，在探针底部的安装面加装了一层绝缘垫片，为聚四氟乙烯材质。传感器总体质量不超过0.25kg，最大外廓尺寸：长L:80mm；宽B:80mm；高H:72mm，安装孔数：4，安装孔尺寸：Φ5.5mm(通孔)。
硬件系统通过控制器及偏置电压电路在探针上施加偏置电压，探针收集到的电流信号被捕获后被转化为有效的电压信号，电压信号经过滤波处理后再被控制器采集，如图3所示为扫描电压加载电路，可大致分为信号采集模块，采集与控制模块，偏压输出模块，通讯模块。
传统朗缪尔探针诊断方法是在探针上施加一个由负到正的扫描偏压，获取等离子体的I-V特性曲线，故需要测量成百上千个电流电压数据，采集周期最快为1-2S，时空分辨率低。前人采用在电子饱和区取两点拟合直线近似求解电子密度的方法，成功把时间分辨率提升到1毫秒。但电子饱和区处的电流较大，在测量较高密度的等离子体时，探针会被加热，对周围等离子体造成扰动，同时会导致探针寿命缩短甚至烧毁。
第一根探针采用传统的扫描偏压，用于获取完整的电流I-电压V特性曲线，以获取全面的等离子体参数，如图4所示；第二、第三和第四根探针，采用固定负偏压，分别为-8V、-9V、-10V，用于采集离子饱和区的电流，通过两两之间电流的平方与电压的线性拟合，获取等离子体密度参数，图6为传统探针I-V特性曲线。区别于前人提出的电子饱和区取固定偏压拟合电子密度，本发明提出了一种离子饱和区取固定偏压拟合离子密度的探测方法。
实施例二
本实施例提供了用于探测高密度等离子体的高分辨率探针方法，包括：
工作时，四根朗缪尔探针的底座被航天器推到等离子体环境中，四根朗缪尔探针对等离子体环境进行探测；所述四根朗缪尔探针，其中一根朗缪尔探针上施加扫描偏压，用于采集离子和电子电流，获取等离子体的特性曲线，获取等离子体参数；另外三根朗缪尔探针采用固定负偏压，用于采集离子饱和区的电流；通过所述另外三根朗缪尔探针的两两探针之间的电流的平方差与电压差的线性拟合，获取等离子体密度参数。
进一步地，另外三根朗缪尔探针采用固定负偏压，用于采集离子饱和区的电流；通过所述另外三根朗缪尔探针的两两探针之间的电流的平方差与电压差的线性拟合，获取等离子体密度参数，具体包括：
对于针型朗缪尔探针在离子饱和区电流Ii与电压VB关系满足：
其中，e为电子带电量，ni为离子密度，A表示探针表面积，K为玻尔兹曼常数，mi为离子质量，Vp表示空间电位。
对公式(1)进行平方，得：
在离子饱和区，任意选取两个不同电压值VB1和VB2，则有：
通过两式做差的形式将空间电位Vp消去，式(3)和(4)做差得：
整理式(5)，离子密度ni表示为：
三根探针的电压分别为-8V，-9V，-10V，每两个电压一组可计算出一个离子密度ni，三组两两结合，得到三个离子密度，求三个离子密度平均值，将平均值作为最终的离子密度输出。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.用于探测高密度等离子体的高分辨率探针系统，其特征是，包括：四根朗缪尔探针和外接参考电极；
所述外接参考电极安装在航天器外壳的外表面，且不与航天器外壳导通，所述外接参考电极表面不做绝缘处理，与等离子体环境导通；
所述四根朗缪尔探针与电子电路连接，所述电子电路的接地端与外接参考电极连接，所述四根朗缪尔探针安装在底座上，底座安装在航天器的内部，工作时，底座被航天器推到等离子体环境中，四根朗缪尔探针对等离子体环境进行探测；
所述四根朗缪尔探针，其中一根朗缪尔探针上施加扫描偏压，用于采集离子和电子电流，获取等离子体的特性曲线，获取等离子体参数；另外三根朗缪尔探针采用固定负偏压，用于采集离子饱和区的电流；通过所述另外三根朗缪尔探针的两两探针之间的电流的平方差与电压差的线性拟合，获取等离子体密度参数。
2.如权利要求1所述的用于探测高密度等离子体的高分辨率探针系统，其特征是，所述电子电路包括第一运算放大电路和第二运算放大电路；
其中，第一运算放大电路的输入端与第一根朗缪尔探针连接，第一运算放大电路的输出端与第一差分放大电路的输入端连接，第一差分放大电路的输出端与滤波电路的输入端连接；第一运算放大电路的输入端和第一差分放大电路的输入端还与扫描电压加载电路的输出端连接，扫描电压加载电路的输入端与MCU芯片的DAC输出接口连接；
其中，第二运算放大电路的输入端分别与第二、第三和第四根朗缪尔探针连接，第二运算放大电路的输出端与第二差分放大电路的输入端连接，第二差分放大电路的输出端与滤波电路的输入端连接，第二运算放大电路的输入端和第二差分放大电路的输入端还与稳压电路的输出端连接；稳压电路的输入端与15V供电电源相连接；
所述滤波电路的输出端分别与第一通道的输入端、第二通道的输入端、第三通道的输入端和第四通道的输入端连接；
第一通道的输出端、第二通道的输出端、第三通道的输出端和第四通道的输出端均与MCU芯片连接；MCU芯片还与通讯接口芯片连接。
3.如权利要求2所述的用于探测高密度等离子体的高分辨率探针系统，其特征是，所述扫描电压加载电路，包括：第一运算放大器OPA4196和第二运算放大器OPA4196；
第一运算放大器OPA4196的反相输入端，通过电阻R1与MCU芯片的DAC输出端口连接；
第一运算放大器OPA4196的同相输入端，通过电阻R2与第二运算放大器OPA4196的输出端连接，第二运算放大器OPA4196的反向输入端与第二运算放大器OPA4196的输出端连接，第二运算放大器OPA4196的正向输入端通过电阻R3接地，第二运算放大器OPA4196的正向输入端通过电阻R4与MCU芯片的I/O端口连接；第一运算放大器OPA4196的同相输入端，通过电阻R5接地；
第一运算放大器OPA4196的电源正极通过电阻R6连接第一运算放大器OPA4196的反相输入端；
第一运算放大器OPA4196的输出端与第一运算放大电路的输入端连接，第一运算放大器OPA4196的输出端用于输出扫描电压；
第一运算放大器OPA4196的电源负极连接第一差分放大电路的输入端。
4.如权利要求1所述的用于探测高密度等离子体的高分辨率探针系统，其特征是，所述底座为金属底座，一体成型，所述底座的下表面设有一层绝缘垫片。
5.如权利要求1所述的用于探测高密度等离子体的高分辨率探针系统，其特征是，四根朗缪尔探针吸收电子或离子产生微电流，将探针上电流信号转化为电压信号，并实现信号的放大后，经过滤波电路滤波处理；滤波电路处理后的信号分别送入四个通道；
第一通道保存第一根朗缪尔探针采集到的电压信号以及当前的扫描电压值；
第二通道只保存第二根朗缪尔探针采集的电压信号；
第三通道只保存第三根朗缪尔探针采集的电压信号；
第四通道只保存第四根朗缪尔探针采集的电压信号；
电压信号被模数转换器采集并且转换为数字信号；MCU芯片通过串行外设接口与模数转换器通讯，获取转换的数字信号；
四个通道保存的数字信号形成朗缪尔探针的原始数据，原始数据按照设定的数据格式完成打包处理后，通过数据通信总线上传给航天器的中心计算机。
6.如权利要求1所述的用于探测高密度等离子体的高分辨率探针系统，其特征是，另外三根朗缪尔探针采用固定负偏压，用于采集离子饱和区的电流；通过所述另外三根朗缪尔探针的两两探针之间的电流的平方差与电压差的线性拟合，获取等离子体密度参数，具体包括：
对于针型朗缪尔探针在离子饱和区电流Ii与电压VB关系满足：
其中，e为电子带电量，ni为离子密度，A表示探针表面积，K为玻尔兹曼常数,mi为离子质量，Vp表示空间电位；
对公式(1)进行平方，得：
在离子饱和区，选取两个不同电压值VB1和VB2，则有：
通过两式做差的形式将空间电位Vp消去，式(3)和(4)做差得：
整理式(5)，离子密度ni表示为：
三根探针分别为-8V，-9V，-10V，每两个电压一组可计算出一个离子密度ni，三根探针的电压两两结合，计算得到三个离子密度，求三个离子密度平均值，将平均值作为最终的离子密度输出。
7.如权利要求1所述的用于探测高密度等离子体的高分辨率探针系统，其特征是，外接参考电极的作用是作为测量电路中的参考地，并且在测量时收集等离子体中的电子离子，形成电流回路。
8.如权利要求1所述的用于探测高密度等离子体的高分辨率探针系统，其特征是，所述外接参考电极，采用不锈钢材质，所述外接参考电极的表面积大于四根朗缪尔探针表面积总和的1000倍。
9.用于探测高密度等离子体的高分辨率探针方法，其特征是，包括：
工作时，四根朗缪尔探针的底座被航天器推到等离子体环境中，四根朗缪尔探针对等离子体环境进行探测；所述四根朗缪尔探针，其中一根朗缪尔探针上施加扫描偏压，用于采集离子和电子电流，获取等离子体的特性曲线，获取等离子体参数；另外三根朗缪尔探针采用固定负偏压，用于采集离子饱和区的电流；通过所述另外三根朗缪尔探针的两两探针之间的电流的平方差与电压差的线性拟合，获取等离子体密度参数。
10.如权利要求9所述的用于探测高密度等离子体的高分辨率探针方法，其特征是，另外三根朗缪尔探针采用固定负偏压，用于采集离子饱和区的电流；通过所述另外三根朗缪尔探针的两两探针之间的电流的平方差与电压差的线性拟合，获取等离子体密度参数，具体包括：
对于针型朗缪尔探针在离子饱和区电流Ii与电压VB关系满足：
其中，e为电子带电量，ni为离子密度，A表示探针表面积，K为玻尔兹曼常数，mi为离子质量，Vp表示空间电位；
对公式(1)进行平方，得：
在离子饱和区，任意选取两个不同电压值VB1和VB2，则有：
通过两式做差的形式将空间电位Vp消去，式(3)和(4)做差得：
整理式(5)，离子密度ni表示为：
三根探针的电压分别为-8V，-9V，-10V，每两个电压一组可计算出一个离子密度ni，三根探针的电压两两结合，得到三个离子密度，求三个离子密度平均值，将平均值作为最终的离子密度输出。
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