用于探测高密度等离子体的高分辨率探针系统及方法

本发明涉及等离子体探测，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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

技术实现思路

1、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；

2、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；

3、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；

4、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；

5、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；

6、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。

7、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；

8、用于探测高密度等离子体的高分辨率探针方法，包括：

9、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、上述技术方案具有如下优点或有益效果：

11、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。

12、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。

13、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。

14、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

15、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。

16、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。