太阳辐射通量对星载朗缪尔探针等离子体密度测量精度的影响

本文利用Swarm C卫星和CHAMP卫星搭载的朗缪尔探针测量的电离层就位等离子体密度数据和位于Arecibo及Jicamarca两座非相干散射雷达测量的电子密度数据进行了详细、全面的对比.除此之外,本文还使用了利用GRACE卫星星间测距系统(K-Band Ranging system,KBR)计算得到的星间平均电子密度作为进一步对比.总体上来看,Swarm C、CHAMP和GRACE三颗卫星都与两台地基非相干散射雷达观测数据展现出了良好的线性关系,相关系数分别达到了0.96,0.97,0.96.不同的是,Swarm C卫星与雷达观测间的误差表现出了对太阳辐射通量的依赖,而该依赖关系在CHAMP和GRACE卫星等离子体密度数据中却不明显.结合三颗卫星飞行期间其所处高度及太阳辐射通量的变化,我们认为星载朗缪尔探针的测量结果与探头周围的离子成分有密切关系.比如,在Swarm卫星的数据反演算法中没有考虑离子成分变化对等离子体密度反演精度的影响.在太阳活动低年,较轻的离子(比如H~+)从等离子体层向下扩散到Swarm卫星轨道高度时,其朗缪尔探针就会高估探头周围的等离子体密度.这一影响主要出现在太阳活动低年,且在夜侧要显著大于日侧.与Swarm卫星不同的是,CHAMP卫星的轨道高度随着时间下降(从450 km降至320 km)与太阳辐射通量水平下降的趋势一致,导致CHAMP卫星高度的离子成分变化不明显,其等离子体密度测量误差没有展现出对太阳活动的依赖性.此外,虽然GRACE卫星在2008—2009极低太阳活动年期间,其轨道高度维持在约480 km,但其测量方法并不依赖于卫星周围离子成分的变化,因此其测量结果与雷达观测间的误差也未表现出明显的太阳活动依赖.该对比结果显示了基于GRACE星间测距系统得到的顶部电离层等离子体密度可以为其他基于朗缪尔探针测量的低轨道卫星提供很好的绝对值参考,有助于其他卫星等离子体密度测量的在轨标较.

朗缪尔探针及其可展机构设计

为实现对空间环境等离子体参数的测量,依据某航天任务要求,设计并制作了一种朗缪尔探针及其可展机构。该朗缪尔探针主要由传感器、电路盒和可展机构组成,具有锁紧模式和展开模式2种工作状态;可展机构由旋转部分和伸展部分组成,利用扭转弹簧和压缩弹簧进行驱动。为提高机构的尺寸稳定性,制作过程对各个筒体进行了时效和高低温定型处理,球形传感器表面采用金镀层以保证耐蚀性和导电性。通过在地面环境下的测试,验证了朗缪尔探针的可行性和正确性,对可展机构的研究具有实际意义。

多针朗缪尔探针已通过测试并准备推出

挪威的多针朗缪尔探测器(m-NLP)在欧洲空间研究和技术中心(ESTEC)的机械系统实验室进行了热真空测试,并成功通过了ESA的验收审查。该探测器现已准备好发射到国际空间站和月球。m-NLP将用于对现场空间天气环境进行采样,可达到非常精细的细节水平--能够支撑未来挪威和欧空局主导的有效载荷和任务。m-NLP由SpaceX发射到国际空间站(ISS)。

基于探空火箭的朗缪尔探针方案设计

为研究中国低纬电离层垂直高度的精细结构,研发了一种以探空火箭为平台朗缪尔探针,用于就位测量电离层空间等离子体的特性参数及其扰动情况.本文分析了朗缪尔探针的任务需求和目标,并在朗缪尔探针基本测量原理的基础上,对朗缪尔探针基本测量方案进行了论证分析和设计,包括传感器形状、大小和表面镀层的选取设计,双探针的设计,扫描电压和工作模式的设计,及电子学测量电路的设计.本朗缪尔探针采用两路完全相同的球形探针,两路探针同步工作,各自独立完成测量.朗缪尔探针研制完成后,分别进行了信号模拟源测试和等离子体源测试:信号模拟源测试结果显示两路探针电子学工作状态良好,对微弱电流信号的响应具有很高的线性度;在等离子体模拟装置内对电子探针整机测试的初步结果表明该载荷可以正确测量等离子体的特性参数,能够满足科学探测的需求.

电磁监测试验卫星朗缪尔探针电离层探测技术

本文依据电磁监测试验卫星(CSES)的任务要求,自主设计研制了卫星载荷朗缪尔探针仪器,以实现对空间等离子体电子密度、电子温度等参数的测量,为探索大地震短临预测与预警新方法提供空间观测数据.该朗缪尔探针的传感器采用优化的球形传感器,上半球是收集极,下半球是保护极,消除了其结构与支撑杆连接处的终端效应.传感器表面采用了TiN镀层,保证了其耐原子氧剥蚀能力和均匀的表面功函数.通过在意大利国家天体物理研究院行星际物理研究所(INAF-IAPS)的地面等离子体环境下的测试,验证了本文设计的朗缪尔探针载荷的可行性和正确性,能够实现电磁监测试验卫星的任务要求.

利用朗缪尔双探针诊断电弧离子镀等离子体参数

本文利用朗缪尔双探针对电弧离子镀等离子体进行了诊断。双探针具有收集电流小的优点(小于离子饱和电流),可以避免探针在高密度电弧离子镀等离子体中被烧坏。利用离散傅里叶变换(DFT)对测量曲线进行平滑,有效地克服了电弧离子镀等离子体放电所固有的强烈波动。探针端部设计能够避免由薄膜沉积造成的探针与支撑杆短路问题。实验结果表明,等离子体密度随着弧电流和气压的增加而增加,而电子温度随着弧电流和气压变化不明显。另外,使用双靶放电等离子体密度和电子温度高于单靶放电。这些结果提供了电弧离子镀等离子体的基本参数,对于材料涂层工艺研究具有积极意义。

箭载朗缪尔探针电离层就位探测技术研究

在重大基础科学工程——子午工程项目中,我国自行研制出探测载荷箭载朗缪尔探针,并进行了飞行探测。本次探测是朗缪尔就位探测技术在我国的首次空间应用。箭载朗缪尔探针采用球形传感器,其结构为上半球是收集电极,下半球是保护电极。并采用了线性增益可调微电流测量技术,实现了皮安(ρA)～微安(μA)宽量程的高精度线性测量。该朗缪尔探针采用扫描电压和固定电压两种工作模式,实现了就位探测电离层等离子体的电子密度、电子温度、离子密度等参数。子午工程探空火箭的飞行试验于2011年5月7日圆满成功,首次获得了我国海南(东经109°,北纬19.5°)附近区域的电离层等离子体垂直剖面的就位探测数据。

天基朗缪尔探针传感器设计与仿真

朗缪尔探针是进行空间等离子体电子密度和温度就位测量的重要仪器,在电离层卫星探测和火箭探测中应用十分广泛.传感器设计的合理与否是影响朗缪尔探针探测结果的关键因素之一.朗缪尔探针传感器的结构本身比较简单,但传感器的设计要受到多种物理条件及工程条件的限制,其中,有些限制条件相互制约甚至相互矛盾,必须综合进行考虑.从传感器形状、大小和表面材料的选取三个方面分析了朗缪尔探针的各种限制条件,给出了一种原型朗缪尔探针的设计,并通过仿真计算验证了该设计.

ITER偏滤器朗缪尔探针的设计与研制进展

对ITER偏滤器朗缪尔探针进行了物理需求分析和结构设计,确定了探针离偏滤器靶板瓦表面的高度范围。通过结构设计和模拟仿真,得到了探针在稳态热负载条件下的温度场分布和应力状况,探针的最高温度低于相应的偏滤器靶板瓦最高温度,探针各个部件的应力低于材料的屈服强度。同时对探针进行了加工工艺和连接工艺的探索研发,初步确定探针体和钨屏蔽结构选用锻造钨材料,而且使用锻造钨试制了探针体和钨屏蔽结构。探针体与钨屏蔽结构之间使用氧化铝陶瓷绝缘,并使用特殊的工艺连接探针体、陶瓷和钨屏蔽结构。

中国电磁监测试验卫星朗缪尔探针数据反演方法研究

朗缪尔探针是目前国际上广泛应用的一种空间等离子体环境就位探测技术.中国电磁监测试验卫星上搭载的朗缪尔探针,是我国首次将探针技术应用于星载平台.本文基于电磁监测试验卫星朗缪尔探针的观测原理及Irving Langmuir等提出的近似理论公式,针对朗缪尔探针的仪器特点,提出了等离子环境下朗缪尔探针观测数据的简化反演方法,并依据朗缪尔探针鉴定件的等离子体罐试验数据对该方法进行了比较验证.结果表明,该数据反演方法的效果较好,可以作为电磁监测试验卫星朗缪尔探针观测数据反演的基本方法,并为后续数据处理提供技术基础.

利用半导体二极管伏安特性进行朗缪尔探针性能测试研究

研究讨论了一种利用半导体二极管伏安特性进行朗缪尔探针性能测试的方法.设计的朗缪尔探针性能测试方法对外界因素要求较低,在常温常压的通常实验室环境下即可进行,其测试结果可作为利用地面等离子体环境进行定标测试前的初步性能验证.通过实验室环境下的测试试验,验证了该方法的有效性和可行性.

基于朗缪尔探针的硅离子空间分布特性及纳米晶粒生长过程研究

在室温、10 Pa氩气环境气体中,采用脉冲激光烧蚀技术,在以烧蚀点为圆心、半径为2 cm的玻璃弧形支架的不同角度处放置衬底,沉积了纳米Si晶薄膜。通过扫描电子显微镜、拉曼散射仪对制备样品的形貌和特性进行分析。结果表明:纳米Si晶粒以羽辉轴线为轴呈对称分布,在轴线处平均尺寸最大,随着衬底同轴线夹角的增加,晶粒尺寸逐渐减小。结合朗缪尔探针对空间不同位置羽辉中Si离子密度和热运动温度分布的诊断情况,从晶粒生长过程的角度对其尺寸随空间位置变化的结果进行了研究,得到了晶粒尺寸正比于烧蚀粒子密度和热运动温度的结论。

朗缪尔探针在轨快速除污染技术研究

讨论了一种朗缪尔球形探针在轨快速去除表面污染的技术方法,朗缪尔探针是空间等离子体原位探测的一项重要手段,广泛应用于各种航天器,探针传感器表面被污染时,会造成探针I-V特性曲线失真,从而导致探测获得的等离子体参数产生偏差.通过试验验证了采用探针传感器加载高压的技术,其可快速有效清除传感器表面污染,确保朗缪尔探针在轨探测获得实时、准确的空间等离子体信息.

ITER朗缪尔探针系统初步设计与研制

根据ITER朗缪尔探针系统的测量需求开展了探针系统的初步设计和部分研制工作。通过对探针系统测量需求的细化分析,确定了不同等离子体参数的测量方式和对应的探针工作模式;并对探针开展了结构设计和热结构分析,得到了探针在稳态10MW·m^-2热负载条件下的温度和应力分布,同时根据ITER真空材料手册,初步确定选用锻造钨材料加工制造探针体和探针屏蔽结构并开展了机加工工艺、焊接工艺等方面的研究。根据探针系统测量需求和工作模式对电子学系统,包括电源、模式切换模块和信号调理单元等,进行了设计分析,且电源技术验证样机正在研制。测控系统已完成初步设计,主要功能包括下发配置、状态监控、校准、数据采集、与ITER CODAC通讯、实时测量偏滤器靶板离子流通量等。

模拟朗缪尔探针伏安特性的非线性电子负载的设计与样机研制

研发了一套模拟朗缪尔探针伏安特性的非线性电子负载,由载波相移正弦脉宽调制(CPS-SPWM)技术的级联型H桥变流器与双向DC/DC变换器两部分组成。通过对电子负载设计方案开展建模仿真验证及样机初步测试表明,该系统基本达到了预期要求,可用于探针电源相关参数的测试及探针后端电子学系统的联合调试。

用于ITER偏滤器的朗缪尔探针热分析

用于ITER偏滤器的朗缪尔探针工作于恶劣的热核聚变反应条件并承受极大的热流密度。因此,偏滤器探针的结构设计及优化很重要。使用ANSYS软件对探针进行了热分析和不同模型的对比,获得了探针热力学工况的基本特点,可为ITER偏滤器朗缪尔探针的工程设计提供参考。

基于LabVIEW的快速往复朗缪尔探针诊断系统

使用朗缪尔探针诊断法获得电推力器喷口位置等离子体的状态参数时,探针在喷口位置停留时间过长造成探针被等离子体流烧坏。以LabVIEW为开发平台研制了一种精确定位的快速往复运动诊断系统。该系统能实现探针迅速推进到喷口位置,停留极短时间保证探针能正常完成电流电压数据采集,最后快速的退出到起始位置,避免探针烧坏。与传统的朗缪尔探针诊断系统测量霍尔推力器羽流区等离子体状态相比,该系统自动化程度高,探针采集喷口位置的数据更能反映等离子体的真实状态。

高性能朗缪尔探针测量仪的研制

简要介绍了朗缪尔探针测量仪的系统构成和工作原理,给出了信号发生及采集处理系统的电路设计。通过选用精密低噪声的仪用放大器并组合适当大小、适宜材料的电阻和电容构建模拟链路,以及贯穿于整个模拟链路的滤波电路设计,保证了低噪声采集电路的实现。采用高边检流和浮地方法,解决了单探针测量接地误差问题。设计有8×7个不同的电流采样量程,电压电流信号同步采样,可实现10nA～50 mA动态微弱信号的精确测量。

射频离子源朗缪尔双探针设计

射频离子源具有的复杂电磁环境会干扰甚至使得朗缪尔单探针无法准确获得等离子体参数。双探针具有对等离子体的干扰较小,不需要参考电位等优点,因此更加适用于射频离子源下的等离子体诊断。为了使得朗缪尔双探针更加精确地测量电子温度与离子密度,必需在测量电路中增加针对干扰源频率的滤波电路系统。本文针对射频离子源等离子体诊断设计了探针测量电路,并进行了仿真计算和分析,结果表明:探针的抗干扰能力与测量精度均具有明显的改善。

SG滤波在朗缪尔探针信号处理中的应用

利用朗缪尔探针检测射频耦合等离子体特性参数时,测得的伏安特性曲线会受电磁干扰而产生畸变,从而影响等离子体参数的计算和特性分析。为此,利用Savitzky-Golay(SG)滤波算法对伏安特性曲线进行分段滤波,给出平滑效果较好的特性参数。实验结果表明,SG算法对原始信号特征改变较少,求出的电子能量概率函数准确度较高。