一种空间电场探测仪地面等离子体模拟环境实验测试系统

摘要

本发明提供一种空间电场探测仪地面等离子体模拟环境实验测试系统，主要由等离子体实验舱，位于实验舱内的朗缪尔探针、阻滞势等离子体分析仪、电场探测仪传感器、固定台架、可移动台架，及位于实验舱外的稳定的离子源、太阳模拟器、空间电场探测仪信号处理单元、空间电场探测仪地检设备组成；两个电场探测仪传感器安装在固定台架上，另外两个电场探测仪传感器安装在可移动台架上；一个朗缪尔探针等间距悬吊于固定台架上的两传感器之间，另一个朗缪尔探针和阻滞势等离子体分析仪悬吊于可移动台架上的两个传感器之间；稳定的离子源位于实验舱的一端，太阳模拟器位于实验舱的侧壁上。该方法能够实现空间电场探测仪地面实验验证、性能测试与分析评估。

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间电场探测仪地面等离子体模拟环境实验测试系统及方法，特别是针对电离层(ionosphere)卫星平台应用空间电场探测仪地面等离子体模拟环境实验验证与测试方法，属于空间物理研究与空间环境探测领域。

背景技术

空间电场是研究空间物理、空间天气学和空间环境的重要参量。空间电场探测仪用以监测空间电场状态,不仅能为地震监测、电波传播、雷暴监测等应用领域提供准确的基础数据和背景，提高对重大自然灾害的监测预警与评估能力，而且可以为日地物理研究、空间天气研究、气象预报等领域提供观测数据,并为航天活动提供空间电磁环境状态数据。

空间电场探测仪是通过传感器(物理部分)感知探取等离子体环境电势或电场信息，通过信号处理单元(电子学部分)测量获得电势或电场信息。为保证空间电场探测仪探测与获取所在轨道环境电场及其变化信息的准确真实性，不仅其电子学性能指标和物理偏差需要在地面预先测试、量化标定和分析评估；同时，作为电离层卫星平台应用的有效载荷，空间电场探测仪的工作原理、运行模式、功能和性能也必须在地面模拟轨道等离子体环境条件下得到实验验证、测试与分析评估。

发明内容

有鉴于此，本发明基于卫星轨道电离层等离子体环境和地面模拟试验技术，依据空间电场探测仪工作原理和功能性能要求等，提出了一种空间电场探测仪地面等离子体模拟环境实验测试方法，该方法能够实现空间电场探测仪地面实验验证、性能测试与分析评估。

本发明的方法的技术解决方案是：

一种空间电场探测仪地面等离子体模拟环境实验测试系统，主要由大尺度等离子体实验舱，位于实验舱内的朗缪尔探针、阻滞势等离子体分析仪、电场探测仪传感器、固定台架、可移动台架，及位于实验舱外的稳定的离子源、太阳模拟器、空间电场探测仪信号处理单元、电场探测仪电缆、空间电场探测仪地检设备组成；其中，

两个空间电场探测仪传感器沿实验舱径向对称安装在固定台架上，另外两个空间电场探测仪传感器沿实验舱径向对称安装在可移动台架上，四个空间电场探测仪传感器沿实验舱径向相互错开，且在垂直方向上高度相同；一个朗缪尔探针等间距悬吊于固定台架上的两个空间电场探测仪传感器之间，另一个朗缪尔探针和阻滞势等离子体分析仪悬吊于可移动台架上的两个空间电场探测仪传感器之间；

所述稳定的离子源位于实验舱的一端，太阳模拟器位于实验舱的侧壁上，空间电场探测仪传感器通过电场探测仪电缆与空间电场探测仪信号处理单元相连，空间电场探测仪信号处理单元进一步与空间电场探测仪地检设备相连。

进一步地，本发明所述实验舱径向有效尺寸大于60λ_D，纵向有效尺寸大于100λ_D，其中λ_D为等离子体德拜长度。

进一步地，本发明所述安装于固定台架上的两传感器的间距大于20λ_D，安装于可移动台架上的两个传感器的间距大于30λ_D，可移动台架可沿实验舱纵向移动40λ_D。

进一步地，本发明悬吊于固定台架上的两个空间电场探测仪传感器之间的朗缪尔探针与两传感器之间的间距大于10λ_D，在垂直方向上与两传感器的高度相同。

进一步地，本发明悬吊于可移动台架上的朗缪尔探针及阻滞势等离子体分析仪之间的间距大于10λ_D，且与其相邻的之间的间距均大于10λ_D。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明基于地面模拟实验舱内等离子体及其空间电位分布规律，构建空间电场探测仪地面等离子体模拟环境实验测试系统，该系统能够有效解决了空间电场探测仪地面等离子体模拟环境实验验证、性能测试与分析评估等关键问题。

附图说明

图1是本发明空间电场探测仪地面等离子体模拟环境实验测试系统示意图。

图中：1－离子源、2－等离子体、3－等离子体实验舱、4－太阳模拟器、5－模拟太阳辐照光、6－电场探测仪传感器d、7－朗缪尔探针b、8－阻滞势等离子体分析仪、9－电场探测仪传感器b、10－电场探测仪传感器c、11－朗缪尔探针a、12－电场探测仪传感器a、13－固定台架、14－基准平台、15－可移动台架、16－电场探测仪舱内电缆、17－真空穿墙插座、18－电场探测仪舱外电缆、19－电场探测仪信号处理单元、20－电场探测仪地检设备。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种空间电场探测仪地面等离子体模拟环境实验测试系统，如图1所示，主要由大尺度等离子体实验舱3，位于实验舱内的等离子体诊断朗缪尔探针7,11、阻滞势等离子体分析仪8、电场探测仪传感器6,9,10,12、固定台架13、可移动台架15、基准平台14，及位于实验舱外的稳定的离子源1、太阳模拟器4、空间电场探测仪信号处理单元19、电场探测仪舱内电缆16(4套)、电场探测仪舱外电缆18(2套)、真空穿墙插座17(2只)、空间电场探测仪地检设备20组成；其中，

两个空间电场探测仪传感器10,12沿实验舱径向对称安装在固定台架13上，另外两个空间电场探测仪传感器6,9沿实验舱径向对称安装在可移动台架15上，四个空间电场探测仪传感器6,9,10,12沿实验舱径向相互错开，且在垂直方向上高度相同；一个缪尔探针11等间距悬吊于固定台架13上的两个空间电场探测仪传感器10,12之间，另一个缪尔探针7和阻滞势等离子体分析仪8悬吊于可移动台架15上的两个空间电场探测仪传感器6,9之间；固定平台13和可移动平台15均安装于基准平台14上；

所述稳定的离子源1位于实验舱的一端，用于辐射等离子体，太阳模拟器4位于实验舱的侧壁上，用于模拟太阳辐照光，空间电场探测仪传感器6,9,10,12通过电场探测仪舱内电缆16与真空穿墙插座17相连，真空穿墙插座17通过电场探测仪舱外电缆18与空间电场探测仪信号处理单元19相连，空间电场探测仪信号处理单元19进一步与空间电场探测仪地检设备20相连。

本发明由等离子体源1、等离子体实验舱3、太阳模拟器4等构成空间电场探测仪等离子体环境模拟系统，用以在地面真实客观地模拟创建大尺度、稳定的空间电场探测仪飞行轨道等离子环境(主要参数为等离子密度、电子温度、离子温度)以及太阳辐照(主要参数为太阳光谱、太阳常数)等条件，从而保证空间电场探测仪地面实验验证和测试评估有效性和可靠性。

本发明由空间应用电场探测仪的传感器6,9,10,12、信号处理单元19、电缆16,18等组成探测系统，原位探测获取模拟实验舱内离子体环境的相对电势和电场信息及其变化，从而可在地面实验验证和测试评估空间电场探测仪的功能和性能指标。

本发明改变等离子体环境参数、偏置电流参数、模拟太阳光辐照条件、传感器空间相对位置(相应改变等离子体环境和电场分布)等，实验测试电场探测仪单一传感器、径向对称分布传感器、纵向分布传感器在“当地”等离子体环境的相对耦合电势及其变化，探测获取电场探测仪对“当地”电场信息及其变化的响应，从而全面系统地实验验证和测试评估空间电场探测仪传感器等离子体环境“电势耦合”原理符合性及其对等离子体环境、偏置电流、太阳光辐照等响应一致性，进而实验验证和测试评估电场探测仪对“当地”电场信息及其变化的响应一致性和正确性。

具体为：

本发明在实验舱内安装和构建用以探测“当地电势或电场”信息的空间电场探测仪传感器、传感器对及双探针式原位探测系统。电场探测仪单一传感器可用以实验验证与测试分析其在等离子体环境“电势耦合”原理及其相对“当地电势”、等离子体耦合阻抗与偏置电流效应、太阳辐照光电子发射效应等；电场探测仪一对径向对称分布的传感器可用以实验测试和分析评估其在等离子体环境“电势耦合”等性能一致性；电场探测仪两对纵向分布的传感器构成两组双探针，与舱内外电缆及信号处理单元共同组成两套双探针式电场探测系统，可用以实验验证与测试分析其在等离子体环境“当地电场”及其变化，并可实验测试和分析评估其两对传感器对电场测量的一致性等。

本发明在实验舱内创建模拟稳定的空间电场探测仪飞行轨道等离子体环境，采用舱外太阳模拟器模拟轨道太阳辐照环境条件(仅应用于电场探测仪单传感器实验验证与测试)。

本发明利用朗缪尔探针和阻滞势等离子体分析仪实时诊断并获得实验舱内电场探测仪传感器附近等离子体环境参数及其变化。

本发明对于单个空间电场探测仪传感器，改变等离子体环境(参数)、偏置电流参数、模拟太阳光辐照条件等，利用空间电场探测仪信号处理单元和空间电场探测仪地检设备，实验测试其在等离子体环境相对耦合电势和等离子体鞘层阻抗及其变化、结合所诊断的等离子体环境参数，验证分析其在等离子体环境“电势耦合”原理符合性、偏置电流效应、太阳光辐照光电子发射效应等。

本发明对于空间电场探测仪径向对称分布的双传感器，改变等离子体环境(参数)、偏置电流参数等，利用空间电场探测仪信号处理单元和空间电场探测仪地检设备，实验测试其在等离子体环境相对耦合电势和等离子体鞘层阻抗及其变化，并结合所诊断的等离子体环境参数，验证分析其电势耦合和鞘层阻抗及其变化等功能和性能一致性。

本发明对于电场探测仪纵向分布的两对传感器，通过可移动台架改变纵向分布传感器间的相对位置，从而改变传感器周围等离子体环境(参数)和电场分布，并改变偏置电流参数等，利用电场探测仪信号处理单元和地检设备，实验测试其在等离子体环境所探测得到的“当地电场”信号及其变化，并结合所诊断的等离子体环境参数，验证分析电场探测仪对“当地电场”及其变化的响应；并比对验证两对传感器对“当地电场”及其变化响应的一致性。

本实施例空间电场探测仪地面等离子体模拟环境实验测试系统的构建及具体实验过程为：

(1)构建大尺度、稳定的地面离子体环境模拟实验测试环境，一般地，要求模拟实验舱的径(横)向有效尺寸大于60λ_D(λ_D为等离子体德拜长度)，纵向有效尺寸大于100λ_D；离子源具有良好的时间稳定性，在2h内时间尺度内，实验舱内等离子体密度或电子温度的标准偏差(RMS)小于2％；太阳模拟器光谱为AM1.0，辐照强度可达1个太阳常数，有效口径大于上述等离子体德拜长度λ_D由下式表示：

式中，ε₀为真空介电常量，T_e为等离子体电子温度，e为电子电荷量，n为鞘层外等离子体密度。

(2)构建空间电场探测仪原位探测系统。在模拟实验舱内，将电场探测仪2个传感器(传感器a和传感器c)沿径向(Y方向)对称安装在固定台架上，其间距大于20λ_D；另2个传感器(传感器b和传感器d)其间距大于30λ_D；固定台架与可移动台架上相对应传感器径向错位安装，且其纵向(X方向)间距大于30λ_D；4个传感器(球心)在垂直方向(Z方向)高度相同，均位于实验舱对称水平横截面上；移动台架可沿纵向移动40λ_D以上。电场探测仪信号处理单元和地检设备则置于实验舱外。纵向分布的传感器a和传感器b构成一组双探针，而相对应的传感器c和传感器d构成另一组双探针，与舱内外电缆及信号处理单元共同组成双探针式“当地”电场探测系统。

(3)构建等离子体环境诊断系统。在模拟实验舱内，将朗缪尔探针a等间距悬吊于(或置于固定台架上)电场探测仪传感器a和传感器c之间，且与两传感器径向间距大于10λ_D，在垂直方向与两传感器高度相同；将阻滞势等离子体分析仪和朗缪尔探针b悬吊于(或置于移动台架上)电场探测仪传感器b和传感器d之间，阻滞势等离子体分析仪与朗缪尔探针b的间距大于10λ_D，且与其相邻传感器b的间距大于10λ_D，朗缪尔探针b与其相邻传感器d的间距大于10λ_D，阻滞势等离子体分析仪和朗缪尔探针b在垂直方向与两传感器高度相同。两只朗缪尔探针和阻滞势等离子体分析仪的信号处理单元均置于实验舱外。

(4)在实验舱内创建模拟空间电场探测仪飞行轨道等离子体环境。开启离子源，采用朗缪尔探针和阻滞势等离子体分析仪诊断实验舱内等离子体环境参数；调节离子源参数，在实验舱内创建模拟稳定的空间电场探测仪飞行轨道等离子体环境。一般地，等离子体环境参数范围为：

电子密度n_e≈5×10⁹～5×10¹²ele./m³，电子温度T_e≈500～5000K，静态离子温度T_i≈500～5000K，漂移态氩离子能量kT_i≈12eV(k为波尔兹曼常量)。

(5)电场探测仪传感器实验验证与测试评估。电场探测仪传感器工作原理基于Mott-Smith和Langmuir轨道运动限制理论(Orbital Motion Limited Theory，OML)。依据该理论，在实验舱内模拟等离子体环境中，电场探测仪球形传感器耦合电势和鞘层阻抗可以分别表示为：

式中，V_efd为球形传感器等离子体环境耦合电势，V_p为实验舱内等离子体电势，T_i为等离子体离子温度，m_e、m_i分别为电子和离子质量，u_p为球形传感器迎风面离子束流速度，r为球形传感器半径，I_b为信号处理单元向球形传感器表面施加偏置电流，I_ph为球形传感器表面发射光电子流，R_s为球形传感器等离子体鞘层阻抗。

对于电场探测仪传感器d，改变等离子体环境参数、偏置电流参数、模拟太阳光辐照条件等，利用电场探测仪信号处理单元和地检设备，实验测试其在等离子体环境相对耦合电势以及等离子体鞘层阻抗及其变化，并监测实验舱内传感器周围等离子环境参数及其变化。依据公式(2)、公式(3)，结合所诊断的等离子体环境参数，可以充分验证分析电场探测仪传感器在等离子体环境“电势耦合”原理符合性、偏置电流与鞘层阻抗变化效应、太阳光辐照光电子发射效应等。

(6)电场探测仪传感器一致性实验验证与测试评估。对于实验舱内径向对称分布的电场探测仪传感器a和传感器c(或者传感器b和传感器d)，改变等离子体环境参数、偏置电流参数等，利用电场探测仪信号处理单元和地检设备，实验测试其在等离子体环境相对耦合电势和等离子体鞘层阻抗及其变化，并监测实验舱内传感器周围等离子环境参数及其变化。由于可认为实验舱内等离子体是径向对称分布，结合所诊断的等离子体环境参数，可以充分验证分析径向对称分布的传感器a和传感器c(或者传感器b和传感器d)在等离子体环境中电势耦合和鞘层阻抗及其变化等功能与性能一致性。

(7)电场探测仪电场测量及其一致性实验验证与测试评估。依据等离子体及其双极扩散理论，实验舱内等离子体电势分布可用玻尔兹曼公式表示为：

式中，V_po为参考点处等离子体电势，n_eo为参考点处电子密度，n_e为电子密度。

依据公式(4)，发现当实验舱内等离子体密度分布存在径向或轴向梯度时，必然在实验舱内等离子体空间电势分布存在相应的径向或轴向梯度，即存在准静态的电场分布。这也可以采用发射探针或朗缪尔探针测试验证。此外，由于地面等离子体模拟实验系统也是一个稳定的电磁系统，在实验舱内等离子体环境中也存在若干固定频率的交流电磁信号。因此，在实验舱内所创建模拟的等离子体环境中存在“直流”和“交流”电场分布。

由纵向分布的电场探测仪传感器a和传感器b构成一组双探针，而相对应的传感器c和传感器d构成另一组双探针，与舱内外电缆及信号处理单元共同组成双探针式电场探测系统。双探针(双传感器)间连线方向电场可由以下公式给出：

式中，为传感器a和传感器b间连线方向电场，为传感器c和传感器d间连线方向电场，V_efd-a、V_efd-b、V_efd-c、V_efd-d分别为传感器a、传感器b、传感器c和传感器d等离子体环境耦合电势，L_a→b为传感器a和传感器b间距离，L_c→d为传感器c和传感器d间距离。

改变偏置电流参数、传感器空间相对位置(移动台架，相应改变等离子体环境和电场分布)等，采用所构建的双探针式电场原位探测系统，实验测试电场探测仪对实验舱内等离子体环境双传感器间连线方向(传感器a→传感器b，传感器c→传感器d)的“当地电场”信息及其变化的响应。由于实验舱内等离子体是径向对称分布，结合所诊断的等离子体环境参数和相对位置参数，可以系统地实验验证和测试评估电场探测仪功能和性能指标。同时，通过比对测试两组探针(传感器对)对“当地电场”信息及其变化的响应，充分实验验证和测试评估双探针式空间电场探测仪对电场探测等性能一致性。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。