一种用于外场试验的便携式等离子体实验装置

1.本实用新型专利涉及一种等离子体发生装置领域，尤其涉及一种用于外场试验的便携式等离子体实验装置。


背景技术：

2.当航天飞行器以极高的速度再入空间大气层时，会与稠密的高层大气发生摩擦和强大的挤压，飞行器表面的温度会激增至3000k以上，进而导致大气分子的电离，被电离的大气会在目标表面及其周围形成致密的等离子体。此外，由于目标本身防热材料会在高温环境下发生烧蚀电离，其周围的电子密度会大幅度上升，形成了包围在飞行器周围有一定厚度的等离子体，即所谓的“等离子体鞘套”。等离子体鞘套会直接影响飞行器的热传导、气动过程和无线电通讯等问题，鞘套的形成对目标信号的有效传输产生严重的威胁。
3.目前，国际军事强国在大力探索和发展解决等离子体鞘套的研究方案。但是由于缺乏有效等离子体诊断方法，导致我们对鞘套等离体参数的认知度很低。在没有进行空间在线诊断探测前，主要开展了相关的鞘套理论计算模型。但是随着研究的不断深入，人们发现理论计算模型和真实面临的等离子体鞘套问题存在较大差异。因此，国家未来航空航天事业的发展迫切需要真实的等离子体参数实验数据来进行校验。平装探针作为诊断等离子体的一种有效工具，已在稳定等离子体环境和复杂等离子体环境下进行了参数的诊断。
4.搭载实验成本高昂，在仪器安装完成后，需要提供一个真实的等离子体环境，对平装探针采集系统的安装和数据测量进行检查。等离子体标定装置涉及到真空获得系统、真空室、真空测量、等离子体放电等多种技术，一般体积庞大，不适合外场试验。虽然目前能够产生等离子体的装置有很多，但现有的等离子体发生装置应用在外场实验存在诸多困扰，主要体现在：
5.(1)装置的真空度
6.高密度等离子体的产生，一方面需要满足较高的真空度，因为装置的本底真空度影响激发等离子体的电离度和放电源的耦合效率，进而影响等离子体的电子密度。在同样的耦合功率情况下，粗真空情况下的电子密度范围要远远低于高真空的情况。因为本底真空中杂质存在双原子分子如n2、o2、co2等粒子，对应的电离能远远高于氩的电离子能(15.76ev)和氩原子的激发能(11.5ev)，并存在旋转振动等能级，同时存在的原子自由基还会与等离子体高能电子发生激发，复合，猝灭等复杂物理过程，进而消耗等离子体中的激发态带电粒子。因此会导致等离子体和放电源功率耦合效率降低。另一方面等离子体装置与载体探针所在位置的连接处真空密封存在难点，无法通过实验室环境下常用的密封结构进行有效密封。故在简化真空二三级泵浦系统的情况下，该连接处的密封环节是一个需要重点关注的地方，设计不仅要考虑到装置的便携性，同时也要考虑到不影响载体目标结构的安全。
7.(2)等离子体源的筛选
8.等离子体的电子密度参数范围严重依赖于等离子体的激发方式。目前激发等离子
体的放电方式有直流辉光放电、氧化物阴极放电、射频放电(电容、电感和螺旋波)，微波放电以及介质阻挡放电，射流等放电方式。虽然除了直流辉光放电外，其他放电方式均可以产生较高的电子密度范围，但是有几种放电方式由于自身放电特性的要求并不能满足设计需求。虽然氧化物阴极能够产生大面积的等离子体分布和较高的等离子体电子密度参数，但其相对苛刻和复杂的放电要求，如电极结构复杂，不能暴露于大气中，且不可用于化学物质混合放电以及放电前后电极升降温等特性，使得其无法应用在我们的标校装置中，因为该装置中在进行搭载校准实验时候，必然要裸露于大气中。而射频放电中的螺旋波放电需要额外的磁场线圈，且较高的中心约束磁场(如常见的为300-800g)会额外增加成本和装置的尺寸。电容耦合放电电子密度极限在10次方左右，且常用的工频射频频率为13.56mhz，该频率对探针的饱和流收集以及探针的电磁学系统存在射频干扰问题，会影响收集系统的稳定性。而射流和介质阻挡放电无法产生大面积的高密度等离子体区域，无法消除探针的边缘效应。因此，目前适合装置的放电方式为高频交流(百khz)电感，而前期实验理论研究也表明，交流放电不会影响双平装探针的正常工作，因为双平探针的收集流满足基尔霍夫电流定律，整个i-v曲线在正负扫描偏压下对称。
9.(3)高频波(射频)对其他仪器的潜在影响
10.大功率高频(射频)感应加热有可能干扰其他仪器以及平装探针采集电路的正常稳定工作。因此实验过程中放电源的输入功率和频率都要慎重选择。经过前期调研，我们选择百khz频段的交流放电源，该频段的频率远低于工业13.56mhz，对探针测量和其他仪器干扰都比较小，放电过程中功率源的有效输入功率控制在150w以内。


技术实现要素：

11.本实用新型的目的在于研制一套适合外场试验实验校验的便携式等离子体发生装置，同时设计的标校装置不影响其他探测器和传感器工作。在安装完毕的情况下对平装探针的测量状态进行校验，确保供电和采集系统安装正常以及能够稳定测量。
12.本实用新型提供一种用于外场试验的便携式等离子体实验装置；适用于外场试验标定，以解决上述背景技术中提出的问题。所述等离子体实验装置为便携式放电等离子体及平装探针诊断一体装置。
13.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
14.一种用于外场试验的便携式等离子体实验装置，包括平装探针或其它传感器1，机械泵浦2，便携式气压计3，等离子体发生装置4，高频电源5，和气源6；
15.等离子体发生装置4一端设置有三通接口，其中三通接口的第一接口为探针端口7，三通接口的第二接口连接机械泵浦2，三通接口的第三接口连接便携式气压计3；
16.等离子体发生装置4的另一端连接气源6；空心螺线管11缠绕在等离子体发生装置4的外表面上；高频电源5与空心螺线管11相连接。
17.进一步地，所述的等离子体发生装置4的放电腔体为石英玻璃罐10。
18.进一步地，安装于探针杆顶端的所述探针通过探针端口7处的装置口放置于等离子体环境中，位于探针杆上的挡板起到密封的效果，不使用时能够抽出。
19.进一步地，由上述各个部件共同作用使装置运行，机械泵浦2通过卡箍与装置真空口连接降低装置压强，便携式气压计3通过卡箍与装置另一真空口连接，用来监测装置气
压，达到等离子体发生装置4可以工作的目标压强后，气源6向装置内通入放电气体，再开启高频电源5产生等离子体。
20.进一步地，所述的等离子体发生装置4包括依次设置的探针端口7，304不锈钢挡板a8，固定o型密封圈的不锈钢板a9，石英玻璃罐10，固定o型密封圈的不锈钢板b12，304不锈钢挡板b13和进气口14；空心螺线管11缠绕在石英玻璃罐10的外表面上。
21.放电功率源
22.百khz频段交流源加热等离子体主要是通过带电粒子和振荡电场相互作用来实现的，对应的轻质带电粒子，一般是电子，通过跟随电场振荡进行能量加热耦合，并在加热过程中和中性粒子发生碰撞电离，并通过碰撞电离激发产生等离子体，并改变电子能量分布。由此可以看出，影响电子密度的两个主要参数是等离子体电子-中性粒子碰撞频率和放电功率源的频率。电子的能量分布函数依赖于两者的比值。高频率的射频源虽然可以有效的加速电子振荡，但是存在较大系统干扰的问题，因此我们拟采取低频交流放电方式，对应的频率范围在百khz量级，采取这种百khz频率范围放电的原因是：一方面，当频率降低时候，对应的等离子体电子能量分布变化并不明显，如等离子体碰撞频率在0.65pa氩气放电时候对应的值为1.2
×
107s-1
,对于频率为460khz的交流源来讲，对应的值为4，而对于高频13.56mhz约为0.15，两者相差并不太明显，即影响电子密度的电子能量分布高能尾巴并没有因为频率的变化出现太大的差异。虽然如此，但是射频放电的电子密度相对于百khz放电对应的电子密度仍然会略微上升。另一方面，百khz放电可以有效的降低电磁场电极边界的各向异性，进而可以获得相对均匀的大面积等离子体。此外，百khz放电也可以有效降低放电电路对地的寄生电容，能够有效的降低容性电场，使得不需要额外的法拉第屏蔽来保护放电装置，相对来说放电装置操作更加简单便携。此外，百khz场的波长相对于线圈尺度要比高频场大，对应的匹配范围更大且更易匹配，因此能够有效的提升功率源的匹配效率。
23.放电腔体
24.图2中，探针端口7经过三通接口的转换使其具备探针安装、抽气、气压测量的功能，集成度高。安装于探针杆顶端的探针也通过位于图2探针端口7处的装置口放置于等离子体环境中，位于探针杆上的挡板起到密封的效果，不使用时即可抽出，操作简单快捷，并且能够保护装置。此外，对于本装置放电过程不需要维持过低的真空环境，放电气压可选择较宽的范围。从放电要求的气压环境、产生等离子体准备时间、及实验便携角度考虑，采用一级泵的设计，体积小，易携带，并且能在数分钟之内获得1pa的实验环境气压。进气口选择在图2中304不锈钢挡板b13处，这主要是考虑进入装置的氩气能够扩散至整个真空环境，保证在螺线圈之间的真空环境有足够的放电气体分子发生碰撞。此外，放电装置的尺寸也会影响真空度，以及壁边界的等离子体复合速率等等，进而会影响等离子体的分布区域和尺度范围。并且放电用的螺线圈绕在石英玻璃上，空间利用率较高，连接高频电源即可使用，较为方便。因此为了满足相对大的探针测量区域范围以及相对便携的特性要求，采用的腔体尺寸为直径7.5cm,长度30cm的石英玻璃腔体(如图2)。采用石英玻璃腔的原因是功率源的振荡电场可以通过石英玻璃罐耦合进等离子体，通过电磁场振荡来加热电子。石英玻璃罐两端通过两个平行的304不锈钢平板与o型橡胶圈密封连接。两端开孔后面将依据实验需求进行更改设计，必须存在的不锈钢真空法兰窗口包含平装探针孔，工作气体注入法兰口以及真空泵浦等三个必要开口。要求装置的集成度尽可能高，对开口进行了方案升级，采用
三通的形式将平装探真孔和真空泵浦通过同一开口进行工作。
25.载体连接密封
26.后端探针安置是依据前期实验室环境进行验证实验而设计的，对于后期试验场所涉及到的边界密封连接，拟采用特殊结构的密封圈进行密封连接，通过装置内外压力差来密封系统，采用特殊设计的密封圈进行密封。
27.优点和积极效果：
28.双便携式平装探针标校实验装置有几个突出的优点：
29.(1)设备整体集成便携
30.等离子体标定装置涉及到真空获得系统、真空室、真空测量、等离子体放电等多种技术，一般体积庞大，不适合外场试验。
31.装置尺寸较小，但构造巧妙。做到了将探针采集，真空获得，压力测量集成化处理。
32.装置集成度较高，在尺寸方面，产生等离子体时无需外加磁场及装置冷却装置，易于安装，便于携带。
33.(2)操作简单
34.便携式的设计，集成化的装置，在装置连接完成后，只需打开高频电源开关，即可产生等离子体。
35.(3)等离子体分布区域满足探针测量
36.探针诊断理论假设等离子体是一个尺度无限大的平面均匀平板等离子体，因此探针测量需要较大的等离子体包裹区域，即大面积均匀的均匀等离子体。诊断理论要求降低等离子体边缘效应，因此只有当等离子体的尺度远远大于探针半径的时候，等离子体才可以看成一个均匀的大面积等离子体。
37.(4)能够长时间稳态工作
38.飞行器以极高的速度再入空间大气层时，会在高空60km区域与稠密的高层大气发生摩擦，导致黑障效应的出现。在该区域约存在约400s左右的通讯中断，探针采集需要覆盖该区域，因此采集时间必须要求在100s以上，故对应的校验装置稳定放电时间需要包裹探针有效采集时间，装置的稳态放电时间满足100s以上。
39.(5)易于搭建
40.与其它等离子体放电装置相比，该装置的构造相对简单，体积小易于携带。同时也可通过改进装置，适用于其它对等离子体需求的仪器检测或电路测量。此外，装置易于搭建，有利于大规模使用。
附图说明
41.图1为本实用新型的便携式等离子体实验装置的原理结构示意图；
42.图2为本实用新型的便携式等离子体发生装置外观结构示意图。
43.图中；1平装探针或其它传感器，2机械泵浦，3便携式气压计，4等离子体发生装置，5高频电源，6气源，7探针端口，8 304不锈钢挡板a，9固定o型密封圈的不锈钢板a，10石英玻璃罐，11空心螺线管，12固定o型密封圈的不锈钢板b，13 304不锈钢挡板b，14进气口。
具体实施方式
44.下面将结合本实用新型的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
45.请参阅图1，图2，一种用于外场试验的便携式等离子体实验装置，包括平装探针或其它传感器1，机械泵浦2，便携式气压计3，等离子体发生装置4，高频电源5和气源6。等离子体发生装置4的放电腔体为石英玻璃罐10(圆柱形玻璃腔体，直径75mm，长度为300mm)，其一端设置有三通接口，其中三通接口的第一接口为探针端口7，三通接口的第二接口连接机械泵浦2，三通接口的第三接口连接便携式气压计3。经过三通接口的转换使其具备探针安装、抽气、气压测量的功能，集成度高。安装于探针杆顶端的探针也通过探针端口7处的装置口放置于等离子体环境中，位于探针杆上的挡板起到密封的效果，不使用时即可抽出，操作简单快捷，并且能够保护装置。等离子体发生装置4的另一端连接气源6。空心螺线管11缠绕在石英玻璃罐(圆柱形玻璃腔体，直径75mm，长度为300mm)10的外表面上。高频电源5与空心螺线管11相连接。
46.如图2所示，本实用新型的便携式等离子体发生装置外观结构示意图，包括依次设置的探针端口7，304不锈钢挡板a 8，固定o型密封圈的不锈钢板a 9，石英玻璃罐10，固定o型密封圈的不锈钢板b 12，304不锈钢挡板b 13和进气口14。其中，空心螺线管11缠绕在石英玻璃罐10的外表面上。高频电源5与空心螺线管11相连接。石英玻璃罐10的另一端的进气口14通过6mm气管连接气源6。
47.各个部件共同作用使装置运行，机械泵浦2通过卡箍与装置的三通接口的其中一个接口连接降低装置压强，便携式气压计3通过卡箍与装置三通接口的另一个接口连接，用来监测装置气压，达到等离子体发生装置4可以工作的目标压强后，气源6向装置内通入放电气体，再开启高频电源5产生等离子体。
48.百khz频段交流源加热等离子体主要是通过带电粒子和振荡电场相互作用来实现的，对应的轻质带电粒子，一般是电子，通过跟随电场振荡进行能量加热耦合，并在加热过程中和中性粒子发生碰撞电离，并通过碰撞电离激发产生等离子体，并改变电子能量分布。由此可以看出，影响电子密度的两个主要参数是等离子体电子-中性粒子碰撞频率和放电功率源的频率。电子的能量分布函数依赖于两者的比值。高频率的射频源虽然可以有效的加速电子振荡，但是存在较大系统干扰的问题，因此我们拟采取低频交流放电方式，对应的频率范围在百khz量级，采取这种百khz频率范围放电的原因是：一方面，当频率降低时候，对应的等离子体电子能量分布变化并不明显，如等离子体碰撞频率在0.65pa氩气放电时候对应的值为1.2
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107s-1
,对于频率为460khz的交流源来讲，对应的值为4，而对于高频13.56mhz约为0.15，两者相差并不太明显，即影响电子密度的电子能量分布高能尾巴并没有因为频率的变化出现太大的差异。虽然如此，但是射频放电的电子密度相对于百khz放电对应的电子密度仍然会略微上升。另一方面，百khz放电可以有效的降低电磁场电极边界的各向异性，进而可以获得相对均匀的大面积等离子体。此外，百khz放电也可以有效降低放电电路对地的寄生电容，能够有效的降低容性电场，使得不需要额外的法拉第屏蔽来保护放电装置，相对来说放电装置操作更加简单便携。此外，百khz场的波长相对于线圈尺度要
比高频场大，对应的匹配范围更大且更易匹配，因此能够有效的提升功率源的匹配效率。
49.图2探针端口7经过三通接口的转换使其具备探针安装、抽气、气压测量的功能，集成度高。安装于探针杆顶端的探针也通过位于图2探针端口7处的装置口放置于等离子体环境中，位于探针杆上的挡板起到密封的效果，不使用时即可抽出，操作简单快捷，并且能够保护装置。此外，对于本装置放电过程不需要维持过低的真空环境，放电气压可选择较宽的范围。从放电要求的气压环境、产生等离子体准备时间、及实验便携角度考虑，采用一级泵的设计，体积小，易携带，并且能在数分钟之内获得1pa的实验环境气压。进气口选择在图2中304不锈钢挡板b 13的中心处，这主要是考虑进入装置的氩气能够扩散至整个真空环境，保证在螺线圈之间的真空环境有足够的放电气体分子发生碰撞。此外，放电装置的尺寸也会影响真空度，以及壁边界的等离子体复合速率等等，进而会影响等离子体的分布区域和尺度范围。并且放电用的螺线圈绕在石英玻璃上，空间利用率较高，连接高频电源即可使用，较为方便。因此为了满足相对大的探针测量区域范围以及相对便携的特性要求，采用的腔体尺寸为直径7.5cm,长度30cm的石英玻璃腔体(如图2)。采用石英玻璃腔的原因是功率源的振荡电场可以通过石英玻璃罐耦合进等离子体，通过电磁场振荡来加热电子。石英玻璃罐两端通过两个平行的304不锈钢平板与o型橡胶圈密封连接。两端开孔后面将依据实验需求进行更改设计，必须存在的不锈钢真空法兰窗口包含平装探针孔，工作气体注入法兰口以及真空泵浦等三个必要开口。要求装置的集成度尽可能高，对开口进行了方案升级，采用三通的形式将平装探真孔和真空泵浦通过同一开口进行工作。
50.载体(搭载平装探针的飞行器)连接密封
51.后端探针安置是依据前期实验室环境进行验证实验而设计的，对于后期试验场所涉及到的边界密封连接，拟采用特殊结构的密封圈进行密封连接，通过装置内外压力差来密封系统，采用特殊设计的密封圈进行密封。
52.上述的一种用于外场试验的便携式等离子体实验装置在使用时，当需要使用时，开启机械泵浦2，打开便携式气压计3，观察气压计数显表，在数分钟内装置内压强降至1pa，打开气源6，通入适量氩气，使气压计示数在范围5pa-50pa之间。打开高频电源开关按钮，高频功率输出到非谐振感应线圈，即可通过电感耦合产生在10
10-10
11
cm-3
密度范围内的等离子体。然后即可进行仪器的信号测量，检查电路是否正常。
53.该设备设计精巧，结构简单，使用方便，易于携带。并且该装置扩展性较强，比如可以作为教学演示教具和高频等离子体的基础性科学研究，等等。
54.以上所述的实施例仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。