一种耐高温嵌入式双探针等离子体密度测量装置

摘要

本发明涉及一种耐高温嵌入式双探针等离子体密度测量装置，用于再入飞行时测量飞行器周围密度为108～1011cm-3的等离子体，主要包括两根铱电极探针，两个探针电极保护环，氮化硼绝缘底座、两根电极连接导线及检测电路，嵌入式双探针采用金属铱作电极，氮化硼作绝缘电极，设置有探针电极保护环以减小边缘效应，提高测量精度，探针电极保护环与铱电极探针之间的间距小于或等于德拜长度，本发明测量装置能直接安装在再入飞行器表面实时连续测量边界层内等离子体密度，探针抗氧化，不影响飞行器的气动外形，能长时间连续测量，体积小、精度高。

说明书

技术领域

本发明属于空间等离子体参数测量领域，涉及一种耐高温嵌入式双探 针等离子体密度测量装置，可以用于再入飞行时边界层内密度在 10⁸cm^-3～10¹¹cm^-3的空间等离子体参数测量。

背景技术

无论是载人飞船、回收卫星还是洲际导弹，再入大气层后的末相系统 均有许多命令，如语言通讯，电子对抗，末制导等，均要求信号实时传输。 对于不同类型的再入飞行器，其等离子体鞘的形态和参数不同，理论研究 只能给出方向性的结论，根据这些结论所提出的设计必需进过飞行试验的 最终校验。地面试验一个重大的缺陷是不能提供电讯号衰减测量全部的模 拟条件，包括高焓、高速、气体组分、无限大自由空间的介电环境等。因 此飞行试验对于再入通讯研究具有特殊的重要性。弹载再入等离子体鞘诊 断装置的研制应运而生。目前测量方法主要有：波导天线探针、静电探针、 射频电导率探针、电声探针、电阻线探针、微波辐射计、隔离狭缝天线等。 弹载传感器需要能在全再入过程中连续的测定等离子体鞘的全部参数；再 入环境条件(特别是热环境)十分严酷，需要保证传感器不被烧坏；制作 简易方便，数据处理简单易行；尺寸小、重量轻。目前静电探针(朗缪尔 探针)的主要缺点是有效收集面积难以确定、抗高温与氧化性差、影响飞 行器气动外形。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种耐高温嵌入式 双探针等离子体密度测量装置，该测量装置能够安装在再入飞行器表面， 与飞行器表面齐平，不破坏飞行器的气动外形，并且耐高温、体积小、测 量精确高。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种耐高温嵌入式双探针等离子体密度测量装置，包括氮化硼绝缘底 座、两根铱电极探针、两个探针电极保护环和两根电极连接导线，其中两 根铱电极探针嵌入到氮化硼绝缘底座中，第一探针电极保护环环绕在第一 铱电极探针周围，第二探针电极保护环环绕在第二铱电极探针周围，且探 针电极保护环与铱电极探针之间的间距小于或等于德拜长度，并保证两根 铱电极探针的端面、两个探针电极保护环的表面和氮化硼绝缘底座的表面 在同一个平面上，所述平面可安装在再入飞行器表面，与再入飞行器表面 齐平，其中探针电极保护环与铱电极探针之间的间距为探针电极保护环圆 环内径R与铱电极探针半径r的差值；第一探针保护环与第一铱电极探针 连接，第二探针保护环与第二铱电极探针连接，第一电极连接导线连接第 一铱电极探针，第二电极连接导线连接第二铱电极探针，且两根电极连接 导线从氮化硼绝缘底座中穿过，与检测电路连接。

在上述耐高温嵌入式双探针等离子体密度测量装置中，检测电路包括 可调电阻器、扫描电压源和固定电阻，其中两根电极连接导线中的一根电 极连接导线直接与可调电阻器连接，另外一根电极连接导线串联固定电阻 后与可调电阻器连接，可调电阻器与扫描电压源并联连接。

在上述耐高温嵌入式双探针等离子体密度测量装置中，两个探针电极 保护环与两根铱电极探针的材料相同且同电位。

在上述耐高温嵌入式双探针等离子体密度测量装置中，两根铱电极探 针的尺寸相同且材料相同。

在上述耐高温嵌入式双探针等离子体密度测量装置中，两根铱电极探 针的直径≤3.2mm，且两根铱电极探针的长度为直径的2～10倍。

在上述耐高温嵌入式双探针等离子体密度测量装置中，等离子体密度 测量装置用于再入飞行器再入飞行时，边界层内密度在10⁸cm^-3～10¹¹cm^-3 的空间等离子体参数测量。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明等离子体密度测量装置中铱电极探针的端面、探针电极保护 环的表面和氮化硼绝缘底座的表面在同一个平面上，使得测量装置能够安 装在再入飞行器表面，与飞行器表面齐平，不破坏飞行器的气动外形；

(2)本发明等离子体密度测量装置中探针材料为金属铱材料，可承受长 时间温度不高于2000℃环境，且不容易氧化；

(3)本发明等离子体密度测量装置中采用探针电极保护环结构减小了边 缘效应，保证探针的有效收集面积，提高了测量的精确度，此外本发明通 过大量实验给出了探针电极保护环与电极探针之间的最佳间距，进一步提 高了测量的精确度；

(4)本发明等离子体密度测量装置采用氮化硼作耐热绝缘材料，其可加 工性、高温下绝缘性好；

(5)本发明等离子体密度测量装置可以用作再入飞行器飞行时等离子体 密度实时连续测量的一种手段，体积小、测量精确高，可以配合微波等离 子体诊断提高精确的等离子体形貌测量，为无线电通讯提供传播特性参数。

附图说明

图1为本发明等离子体密度测量装置的结构示意图；

图2为本发明探针电极保护环与电极探针结构示意图；

图3为本发明等离子体密度测量装置中检测电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明等离子体密度测量装置的结构示意图，由图可知 测量装置包括氮化硼绝缘底座1、两根铱电极探针2、5、两个探针电极保 护环3、4和两根电极连接导线6、7。其中绝缘底座1选用的是氮化硼， 其绝缘电阻高达10¹⁴Ω-cm，此外具有高的热导系数与可加工性。

两根铱电极探针2、5嵌入氮化硼绝缘底座1中，第一探针电极保护环 3环绕在第一铱电极探针2周围，第二探针电极保护环4环绕在第二铱电 极探针5周围，且探针电极保护环与铱电极探针之间的间距小于或等于德 拜长度，探针电极保护环与铱电极探针之间的间距＝R-r，其中R为探针电 极保护环3、4的内圆半径，r为铱电极探针2、5的半径，如图2所示为本 发明探针电极保护环与电极探针结构示意图。

两个探针电极保护环3、4与两根铱电极探针2、5的材料相同且同电 位，且两根铱电极探针2、5的尺寸相同且材料相同，铱电极探针2、5的 长度远大于直径，长度至少为其直径的2倍。探针材料选用的是金属铱， 其熔点为2453℃，功函数、溅射率、二次发射系数高、抗氧化性好。

两根铱电极探针2、5的端面、两个探针电极保护环3、4的表面和氮 化硼绝缘底座1的表面在同一个平面上，该平面可安装在再入飞行器表面， 与再入飞行器表面齐平，不破坏飞行器的气动外形。

本实施例中电极探针直径为3.2mm，探针电极保护环尺寸外径为 8mm，探针与保护环的间距为0.1mm(根据本实施例等离子环境中的德拜 长度确定)，与电极探针同轴安装，电极探针长度为8mm。两探针中心距 离为10mm，绝缘基座的直径为20mm。

第一探针保护环3与第一铱电极探针2连接，第二探针保护环4与第 二铱电极探针5连接，第一电极连接导线7连接第一铱电极探针2，第二 电极连接导线6连接第二铱电极探针5，且两根电极连接导线6、7从氮化 硼绝缘底座1中穿过，与检测电路连接。

如图3所示为本发明等离子体密度测量装置中检测电路示意图，由图 可知检测电路包括可调电阻器8、扫描电压源9和固定电阻10，其中第二 铱电极探针5的电极连接导线6连接至可调电阻器8的中间部位，第一铱 电极探针2的电极连接导线7串联固定电阻10后与可调电阻器8的中间部 位连接，调节离子收集电流强度，可调电阻器8与扫描电压源9并联连接。

本发明等离子体密度测量装置的工作过程如下：

当本发明等离子体密度测量装置随再入飞行器进入轨道后，其处于空 间等离子体环境11中(见图3)，此时对静电探针电极连接导线6、7进行 加电，按照图3所示检测电路进行扫描加电，扫描电压源9电压从 -100V～+100V，扫描频率为1Hz，扫描步阶为100mV～250mV，数据采集 频率为100Hz。第二铱电极探针5的电极连接导线6连接至可调电阻器8 的中间部位，在第一铱电极探针2与可调电阻器8中间插入一固定电阻10， 调节离子收集电流强度。

通过对铱电极探针进行扫描，能够获取I-V(电流-电压)探针数据记录。 根据该数据记录绘制出I-V(电流-电压)探针数据记录曲线。最后，根据该 曲线的特征数据点，运用探针连续理论方法推算出等离子体的密度和温度 参数。本发明装置能直接安装在再入飞行器表面实时连续测量边界层内等 离子体密度，主要用于再入飞行时密度在10⁸～10¹¹cm^-3热等离子体密度测 量。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并 不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内， 可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知 技术。