一種耐高溫嵌入式雙探針等離子體密度測量裝置的製作方法

2023-06-08 18:48:51

專利名稱：一種耐高溫嵌入式雙探針等離子體密度測量裝置的製作方法
一種耐高溫嵌入式雙探針等離子體密度測量裝置技術領域
本發明屬於空間等離子體參數測量領域，涉及一種耐高溫嵌入式雙探針等離子體密度測量裝置，可以用於再入飛行時邊界層內密度在IO8CnT3 IO11cnT3的空間等離子體參數測量。
背景技術：
無論是載人飛船、回收衛星還是洲際飛彈，再入大氣層後的末相系統均有許多命令，如語言通訊，電子對抗，末制導等，均要求信號實時傳輸。對於不同類型的再入飛行器， 其等離子體鞘的形態和參數不同，理論研究只能給出方向性的結論，根據這些結論所提出的設計必需進過飛行試驗的最終校驗。地面試驗一個重大的缺陷是不能提供電訊號衰減測量全部的模擬條件，包括高焓、高速、氣體組分、無限大自由空間的介電環境等。因此飛行試驗對於再入通訊研究具有特殊的重要性。彈載再入等離子體鞘診斷裝置的研製應運而生。 目前測量方法主要有波導天線探針、靜電探針、射頻電導率探針、電聲探針、電阻線探針、 微波輻射計、隔離狹縫天線等。彈載傳感器需要能在全再入過程中連續的測定等離子體鞘的全部參數；再入環境條件(特別是熱環境)十分嚴酷，需要保證傳感器不被燒壞；製作簡易方便，數據處理簡單易行；尺寸小、重量輕。目前靜電探針(朗繆爾探針)的主要缺點是有效收集面積難以確定、抗高溫與氧化性差、影響飛行器氣動外形。發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的上述不足，提供一種耐高溫嵌入式雙探針等離子體密度測量裝置，該測量裝置能夠安裝在再入飛行器表面，與飛行器表面齊平，不破壞飛行器的氣動外形，並且耐高溫、體積小、測量精確高。
本發明的上述目的是通過如下技術方案予以實現的
一種耐高溫嵌入式雙探針等離子體密度測量裝置，包括氮化硼絕緣底座、兩根銥電極探針、兩個探針電極保護環和兩根電極連接導線，其中兩根銥電極探針嵌入到氮化硼絕緣底座中，第一探針電極保護環環繞在第一銥電極探針周圍，第二探針電極保護環環繞在第二銥電極探針周圍，且探針電極保護環與銥電極探針之間的間距小於或等於德拜長度，並保證兩根銥電極探針的端面、兩個探針電極保護環的表面和氮化硼絕緣底座的表面在同一個平面上，所述平面可安裝在再入飛行器表面，與再入飛行器表面齊平，其中探針電極保護環與銥電極探針之間的間距為探針電極保護環圓環內徑R與銥電極探針半徑r的差值；第一探針保護環與第一銥電極探針連接，第二探針保護環與第二銥電極探針連接，第一電極連接導線連接第一銥電極探針，第二電極連接導線連接第二銥電極探針，且兩根電極連接導線從氮化硼絕緣底座中穿過，與檢測電路連接。
在上述耐高溫嵌入式雙探針等離子體密度測量裝置中，檢測電路包括可調電阻器、掃描電壓源和固定電阻，其中兩根電極連接導線中的一根電極連接導線直接與可調電阻器連接，另外一根電極連接導線串聯固定電阻後與可調電阻器連接，可調電阻器與掃描電壓源並聯連接。
在上述耐高溫嵌入式雙探針等離子體密度測量裝置中，兩個探針電極保護環與兩根銥電極探針的材料相同且同電位。
在上述耐高溫嵌入式雙探針等離子體密度測量裝置中，兩根銥電極探針的尺寸相同且材料相同。
在上述耐高溫嵌入式雙探針等離子體密度測量裝置中，兩根銥電極探針的直徑彡3. 2mm，且兩根銥電極探針的長度為直徑的2 10倍。
在上述耐高溫嵌入式雙探針等離子體密度測量裝置中，等離子體密度測量裝置用於再入飛行器再入飛行時，邊界層內密度在IO8CnT3 IO11cnT3的空間等離子體參數測量。
本發明與現有技術相比具有如下有益效果
(1)本發明等離子體密度測量裝置中銥電極探針的端面、探針電極保護環的表面和氮化硼絕緣底座的表面在同一個平面上，使得測量裝置能夠安裝在再入飛行器表面，與飛行器表面齊平，不破壞飛行器的氣動外形；
(2)本發明等離子體密度測量裝置中探針材料為金屬銥材料，可承受長時間溫度不高於2000°C環境，且不容易氧化；
(3)本發明等離子體密度測量裝置中採用探針電極保護環結構減小了邊緣效應， 保證探針的有效收集面積，提高了測量的精確度，此外本發明通過大量實驗給出了探針電極保護環與電極探針之間的最佳間距，進一步提高了測量的精確度；
(4)本發明等離子體密度測量裝置採用氮化硼作耐熱絕緣材料，其可加工性、高溫下絕緣性好；
(5)本發明等離子體密度測量裝置可以用作再入飛行器飛行時等離子體密度實時連續測量的一種手段，體積小、測量精確高，可以配合微波等離子體診斷提高精確的等離子體形貌測量，為無線電通訊提供傳播特性參數。


圖1為本發明等離子體密度測量裝置的結構示意圖2為本發明探針電極保護環與電極探針結構示意圖3為本發明等離子體密度測量裝置中檢測電路示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細的描述
如圖1所示為本發明等離子體密度測量裝置的結構示意圖，由圖可知測量裝置包括氮化硼絕緣底座1、兩根銥電極探針2、5、兩個探針電極保護環3、4和兩根電極連接導線 6、7。其中絕緣底座1選用的是氮化硼，其絕緣電阻高達IO14 Ω-cm，此外具有高的熱導係數與可加工性。
兩根銥電極探針2、5嵌入氮化硼絕緣底座1中，第一探針電極保護環3環繞在第一銥電極探針2周圍，第二探針電極保護環4環繞在第二銥電極探針5周圍，且探針電極保護環與銥電極探針之間的間距小於或等於德拜長度，探針電極保護環與銥電極探針之間的間距=R-r，其中R為探針電極保護環3、4的內圓半徑，r為銥電極探針2、5的半徑，如圖2所示為本發明探針電極保護環與電極探針結構示意圖。
兩個探針電極保護環3、4與兩根銥電極探針2、5的材料相同且同電位，且兩根銥電極探針2、5的尺寸相同且材料相同，銥電極探針2、5的長度遠大於直徑，長度至少為其直徑的2倍。探針材料選用的是金屬銥，其熔點為M53°C，功函數、濺射率、二次發射係數高、 抗氧化性好。
兩根銥電極探針2、5的端面、兩個探針電極保護環3、4的表面和氮化硼絕緣底座1 的表面在同一個平面上，該平面可安裝在再入飛行器表面，與再入飛行器表面齊平，不破壞飛行器的氣動外形。
本實施例中電極探針直徑為3. 2mm，探針電極保護環尺寸外徑為8mm，探針與保護環的間距為0. Imm(根據本實施例等離子環境中的德拜長度確定)，與電極探針同軸安裝， 電極探針長度為8mm。兩探針中心距離為10mm，絕緣基座的直徑為20mm。
第一探針保護環3與第一銥電極探針2連接，第二探針保護環4與第二銥電極探針5連接，第一電極連接導線7連接第一銥電極探針2，第二電極連接導線6連接第二銥電極探針5，且兩根電極連接導線6、7從氮化硼絕緣底座1中穿過，與檢測電路連接。
如圖3所示為本發明等離子體密度測量裝置中檢測電路示意圖，由圖可知檢測電路包括可調電阻器8、掃描電壓源9和固定電阻10，其中第二銥電極探針5的電極連接導線 6連接至可調電阻器8的中間部位，第一銥電極探針2的電極連接導線7串聯固定電阻10 後與可調電阻器8的中間部位連接，調節離子收集電流強度，可調電阻器8與掃描電壓源9 並聯連接。
本發明等離子體密度測量裝置的工作過程如下
當本發明等離子體密度測量裝置隨再入飛行器進入軌道後，其處於空間等離子體環境11中(見圖3)，此時對靜電探針電極連接導線6、7進行加電，按照圖3所示檢測電路進行掃描加電，掃描電壓源9電壓從-100V +100V，掃描頻率為1Hz，掃描步階為IOOmV 250mV，數據採集頻率為100Hz。第二銥電極探針5的電極連接導線6連接至可調電阻器8 的中間部位，在第一銥電極探針2與可調電阻器8中間插入一固定電阻10，調節離子收集電流強度。
通過對銥電極探針進行掃描，能夠獲取I_V(電流-電壓)探針數據記錄。根據該數據記錄繪製出I-V(電流-電壓)探針數據記錄曲線。最後，根據該曲線的特徵數據點，運用探針連續理論方法推算出等離子體的密度和溫度參數。本發明裝置能直接安裝在再入飛行器表面實時連續測量邊界層內等離子體密度，主要用於再入飛行時密度在IO8 IO11CnT3 熱等離子體密度測量。
以上所述，僅為本發明最佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員的公知技術。
權利要求
1.一種耐高溫嵌入式雙探針等離子體密度測量裝置，其特徵在於包括氮化硼絕緣底座(1)、兩根銥電極探針0、5)、兩個探針電極保護環(3、4)和兩根電極連接導線(6、7)，其中兩根銥電極探針(2、幻嵌入到氮化硼絕緣底座(1)中，第一探針電極保護環C3)環繞在第一銥電極探針( 周圍，第二探針電極保護環(4)環繞在第二銥電極探針( 周圍，且探針電極保護環與銥電極探針之間的間距小於或等於德拜長度，並保證兩根銥電極探針(2、 5)的端面、兩個探針電極保護環(3、4)的表面和氮化硼絕緣底座(1)的表面在同一個平面上，所述平面可安裝在再入飛行器表面，與再入飛行器表面齊平，其中探針電極保護環與銥電極探針之間的間距為探針電極保護環圓環內徑R與銥電極探針半徑r的差值；第一探針保護環C3)與第一銥電極探針( 連接，第二探針保護環(4)與第二銥電極探針( 連接， 第一電極連接導線(7)連接第一銥電極探針O)，第二電極連接導線(6)連接第二銥電極探針(5)，且兩根電極連接導線(6、7)從氮化硼絕緣底座(1)中穿過，與檢測電路連接。
2.根據權利要求1所述的一種耐高溫嵌入式雙探針等離子體密度測量裝置，其特徵在於所述檢測電路包括可調電阻器(8)、掃描電壓源(9)和固定電阻(10)，其中兩根電極連接導線(6、7)中的一根電極連接導線直接與可調電阻器(8)連接，另外一根電極連接導線串聯固定電阻(10)後與可調電阻器(8)連接，可調電阻器(8)與掃描電壓源(9)並聯連接。
3.根據權利要求1所述的一種耐高溫嵌入式雙探針等離子體密度測量裝置，其特徵在於所述兩個探針電極保護環(3、4)與兩根銥電極探針0、5)的材料相同且同電位。
4.根據權利要求1所述的一種耐高溫嵌入式雙探針等離子體密度測量裝置，其特徵在於所述兩根銥電極探針0、5)的尺寸相同且材料相同。
5.根據權利要求1所述的一種耐高溫嵌入式雙探針等離子體密度測量裝置，其特徵在於所述兩根銥電極探針0、5)的直徑< 3. 2mm，且兩根銥電極探針0、5)的長度為直徑的 2 10倍。
6.根據權利要求1所述的一種耐高溫嵌入式雙探針等離子體密度測量裝置，其特徵在於所述等離子體密度測量裝置用於再入飛行器再入飛行時，邊界層內密度在IO8CnT3 IO11CnT3的空間等離子體參數測量。
全文摘要
本發明涉及一種耐高溫嵌入式雙探針等離子體密度測量裝置，用於再入飛行時測量飛行器周圍密度為108～1011cm-3的等離子體，主要包括兩根銥電極探針，兩個探針電極保護環，氮化硼絕緣底座、兩根電極連接導線及檢測電路，嵌入式雙探針採用金屬銥作電極，氮化硼作絕緣電極，設置有探針電極保護環以減小邊緣效應，提高測量精度，探針電極保護環與銥電極探針之間的間距小於或等於德拜長度，本發明測量裝置能直接安裝在再入飛行器表面實時連續測量邊界層內等離子體密度，探針抗氧化，不影響飛行器的氣動外形，能長時間連續測量，體積小、精度高。
文檔編號G01R19/00GK102508002SQ201110337849
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月31日 優先權日2011年10月31日
發明者周建發 申請人:北京遙測技術研究所