多朗缪尔探针电离层电子密度快速探测方法及应用与流程

1.本公开涉及等离子体诊断技术领域，具体为多朗缪尔探针电离层电子密度快速探测方法及应用。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.电离层是地球大气被太阳辐射部分电离的区域，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，也是最为贴近空间物理应用层面的地球空间区域。作为人类无线电波传播的主要媒介和航天活动的重要场所，电离层的状态变化能直接影响人类的通讯、导航、遥感定位和航空航天活动等。电离层的状态变化主要体现在其等离子体密度、温度等物理参量的变化上。因此，电离层等离子体密度和温度探测十分重要。
4.朗缪尔探针由于具有结构简单，结果可靠等优点，已经被广泛运用在电离层等离子体和实验室人工等离子体诊断中。朗缪尔探针的传统诊断方法是将一个金属电极浸入到等离子体中，然后利用控制电路在电极上施加一个扫描电压，同时采集探针上的微电流信号，得到i
‑
v特性曲线，进而结合诊断理论得出等离子的物理参量。无论是在太空环境还是实验室的模拟环境中，朗缪尔探针均可以就位测量等离子体的电子密度(n
e
)、电子温度(t
e
)等特性参量。
5.当采用传统诊断方法获得电子密度时，首先需要获得从离子饱和区到电子饱和区完整的i
‑
v曲线，其间需要不断改变探针上施加电压的大小，采集探针电流。为了获得准确的诊断结果，需要获得i
‑
v曲线的精细结构，采集的点数不能过少，一般一条完整的i
‑
v特性曲线采集点数要在100个以上。受硬件采集速度、接口通讯速率和等离子体频率的影响，采集相邻点之间需要一定的时间，这对于相对稳态的等离子体影响不大，但是考虑到当进行空间电离层等离子体诊断时，探针系统搭载的航空平台相对于等离子体环境高速运动，很难保证在采集完一条i
‑
v曲线期间周边等离子体不发生变化，因此，提高空间分辨率对于电离层等离子体探测来说至关重要。


技术实现要素：

6.为了提高空间分辨率，实现进行空间电离层等离子体诊断时具有较高的准确度，本公开提供了多朗缪尔探针电离层电子密度快速探测方法及应用。基于朗缪尔提出的 oml理论，对电子密度的获取方法做了延伸推导，本公开提供了一种可以利用两个或者多个设置在电子饱和区内不同电压的朗缪尔探针的电子密度高空间分辨率探测方法，使得电子密度的获得不依赖于完整的i
‑
v特性曲线和电子温度。针对空间等离子体等快速变化的等离子体探测，大大提高了探测的空间分辨率。
7.具体地，本公开的技术方案如下所述：
8.在本公开的第一方面，多朗缪尔探针电离层电子密度快速探测方法，所述方法包括：将至少两个朗缪尔探针安置在电离层等离子体中，探针上施加的电压为在电子饱和区内不同值，根据探针上采集电流值、探针表面积和施加电压的差值就可以得到电子密度。
9.在本公开的第二方面，一种等离子体监测方法，所述监测方法包括上述多朗缪尔探针电离层电子密度探测方法。
10.在本公开的第三方面，上述多朗缪尔探针电离层电子密度快速探测方法或上述等离子体监测方法在能源领域、材料化工领域、环保领域、国防军事领域中的应用。
11.本公开中的一个或多个技术方案具有如下有益效果：
12.(1)、本公开提供了一种基于多朗缪尔探针的高空间分辨率等离子体电子密度探测方法，在朗缪尔提出的轨道运动限制理论(oml)的基础上，对电子密度的独立求解做了延伸推导，使得电子密度的求解不依赖于完整的i
‑
v特性曲线，由两个或者多个独立的、设置在电子饱和区固定偏压下的朗缪尔探针即可求解。
13.(2)、本公开的探测方法相比较于对探针进行扫描，采集完整的i
‑
v曲线，然后根据i
‑
v曲线的特征信息来计算得到电子密度的方式，本公开的效果和益处是可以通过两个或多个朗缪尔探针实现快速电子密度测定，电子密度的获得不依赖于电子温度，而且不需要较长时间来得到完整的i
‑
v特性曲线，只需要测一个点就可以完全电子密度的探测，能够实现电离层等离子体的小尺度探测，大大提高了等离子体电子密度探测的空间分辨率。
附图说明
14.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
15.图1：标准朗缪尔探针i
‑
v特性曲线；
16.图2：为对比例1采用传统方式得到的i
‑
v特性曲线；
17.图3：为实施例1得到的线性拟合电子饱和区i2‑
v曲线。
具体实施方式
18.下面结合具体实施例，进一步阐述本公开。应理解，这些实施例仅用于说明本公开而不用于限制本公开的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
19.除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
20.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。
21.目前，针对麦克斯韦分布的等离子体，基于oml理论的朗缪尔探针诊断方法是对等
离子体进行原位诊断的有效方法之一，被广泛运用在空间电离层和实验室等离子体诊断中。但是采用传统的诊断理论来获得电子密度依赖于完整的i
‑
v特性曲线，而采集一条完整的i
‑
v特性曲线需要一定的时间，当等离子体环境快速变化时，此方法得出的结果不可信。为了解决这个问题，本公开提供了一种多朗缪尔探针电离层电子密度探测方法。
22.在本公开的一种实施方式中，多朗缪尔探针电离层电子密度快速探测方法，所述方法包括：将至少两个朗缪尔探针安置在电离层等离子体中，探针上施加的电压为在电子饱和区内不同值，根据探针上采集电流值、探针表面积和施加电压的差值就可以得到电子密度。
23.此方法得出电子密度不依赖于i
‑
v特性曲线，适用于空间等离子体环境，能实现高空间分辨率采样，而且计算方法简洁有效。此外，该方法电子密度的获得不依赖于电子温度，而且不需要较长时间来得到完整的i
‑
v特性曲线，能够实现电离层等离子体的小尺度探测，极大的提高检测准确度和可信度。
24.根据oml理论，在电子饱和区，探针采集电流和施加电压之间的关系如式(1)所示：
[0025][0026]
为了获得高空间分辨率等离子体电子密度探测方法，本公开发明人对电子密度的独立求解进行了延伸推导，推导过程为：
[0027]
将上式(1)平方，得到：
[0028][0029]
利用两个被设置为电子饱和区内不同电压的探针，用i
p1
,i
p2
分别表示两个探针上采集到的电流，v1,v2分别表示探针上相对于等离子体电位施加的电压。
[0030]
将两个探针电流平方作差得到：
[0031][0032]
对上式化简得到：
[0033]
[0034]
公式(4)中，n
e
表示等离子体电子密度，为常数，a为探针表面积， i
p
为探针上的一次采集电流值，v
p
为探针上施加的电压。
[0035]
由此可见，根据不同探针上的一次采集电流值，结合不同探针上施加电压的差值就可以得到电子密度，而不需要得到完整的i
‑
v特性曲线。
[0036]
该探测方法，相比较于对探针进行扫描，采集完整的i
‑
v曲线(采集n个点，通常： n>100)获得电子密度的方法，耗时仅为传统方法的1/n，对应探测的等离子体尺寸缩小为传统方法的1/n。根据i
‑
v曲线的特征信息来计算得到电子密度的方式，不需要较长时间来得到完整的i
‑
v特性曲线，能够实现电离层等离子体的小尺度探测，大大提高了等离子体电子密度探测的空间分辨率，提高了探测结果的精确度和可信度。
[0037]
进一步地，所述施加的电压值为高于等离子体空间电位的任意值；优选的，施加电压(vb)应大于等离子体空间电位(vp)2v以上，即(vb>vp 2v)。
[0038]
进一步地，此方法针对速度呈麦克斯韦分布的等离子体，优选的，密度范围： 107‑
10
15
m
‑3。
[0039]
通过控制施加电压，有利于提高探测精确度和可信度，有利于进一步实现对电离层等离子体的小尺寸探测。现有技术中，研究的焦点在于对朗缪尔探针诊断系统、装置上的改进，没有意识到传统的探测方法存在耗时较长、空间分辨率低、探测结果可信度差以及无法实现电离层等离子体小尺寸检测的问题。
[0040]
进一步地，朗缪尔探针之间相距10
‑
30个德拜长度。
[0041]
进一步地，所述探测方法，在电子系统采集频率为1khz的条件下，电子密度耗时1ms。
[0042]
然而，本公开的探测方法打破了常规手段，通过对电子密度的独立求解进行延伸推导，发现了由两个或者多个独立的、设置在电子饱和区固定偏压下的朗缪尔探针即可求解的方法，从而避免了采集完整的i
‑
v曲线，既提高了探测效率又提高了探测准确度。
[0043]
传统方法需要对探针进行电压扫描，扫描一个完整的周期然后求解电子密度，这也就造成了耗费时间多。利用本公开改进的方法，采用两个或者多个探针，只需要把探针设置为一个固定的电压就好，不需要扫描。
[0044]
在本公开的一种实施方式中，一种等离子体监测方法，所述监测方法包括上述的多朗缪尔探针电离层电子密度探测方法。
[0045]
在本公开的一种实施方式中，所述的多朗缪尔探针电离层电子密度探测方法在能源领域、材料化工领域、环保领域、国防军事领域中的应用。
[0046]
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本公开的技术方案。
[0047]
实施例1
[0048]
多朗缪尔探针电离层电子密度探测方法，具体包括以下步骤：
[0049]
(1)、将两个或者多个朗缪尔探针固定在待测等离子体中，两两相距10个德拜长度，防止鞘层的影响；
[0050]
(2)、将探针引线固定在电子系统上，其中电子系统承担两方面工作：1.给探针施加一个固定电压偏置使其明显高于待测等离子体空间电位；2.采集探针上的电流大小并且
量化；
[0051]
(3)、利用采集到的电流大小和施加电压偏置的大小两两差值获得等离子电子密度；
[0052]
在等离子密度为10
13
m
‑3条件下进行实验，分别用两个探针设置在2.5v和5v(实验等离子体空间电位约为
‑
3.5v)，电子系统采集频率1khz。
[0053]
经过以上方法，探测得到的电子密度为2.251
×
10
13
m
‑3，得到电子密度耗时1ms。
[0054]
对比例1：
[0055]
采用传统的方法测试电离层电子密度，步骤如下：
[0056]
(1)、将单个朗缪尔探针固定在待测等离子体中，探针相距其他物体10个德拜长度以上，防止鞘层的影响；
[0057]
(2)、将探针引线固定在电子系统上，其中电子系统承担两方面工作：1.对探针施加一个
‑
10v
‑
10v的扫描电压；2.采集探针上的电流大小并且量化；
[0058]
(3)、利用采集到的电流大小和扫描电压大小作图，得到i
‑
v特性曲线；
[0059]
(4)、根据i
‑
v特性曲线的过渡区取对数拟合得到电子温度；
[0060]
(5)、根据i
‑
v特性曲线的一阶导最大值(拐点)对应的电流大小结合电子温度得到等离子体密度；
[0061]
在等离子密度为10
13
m
‑3条件下进行实验，对探针施加
‑
10v
‑
10v的扫描电压，整条i
‑
v特性曲线共采集1000点，电子系统采集频率1khz。
[0062]
经过以上方法，探测得到的电子密度2.207
×
10
13
m
‑3,得到电子密度耗时1000ms。。
[0063]
基于实施例1和对比例1说明了，采用传统的探测方法，耗时较长，而本公开的方法将探测速度提高了1000倍。
[0064]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。