基于Langmuir探针技术的空间等离子体探测方法

基于Langmuir探针技术的空间等离子体探测方法2006年第5期上海航天AER0SPACESHANGHAI4l文章编号:10061630(2006)06004105基于Langmuir探针技术的空间等离子体探测方法曾昭宪-一,王世金,曾力(1.中国科学院空间科学与应用研究中心,北京100080;2.中国科学院研究生院,北京100039)摘要:阐述了Langmuir探针测量空间等离子体的基本原理和方法.分析了利用Langmuir探针在空间等离子体探测应用中航天器,空间环境对探针表面污染,探针自身和其他因素对测量的影响.介绍了一种基于探针与空阃等离子体同电位的等离子体电位和密度的探测方法,并给出测量原理和探针结构.关键词:空间等离子体;Langmuir探针;等爵子体电子电位;电子密度中图分类号:P354文献标识码:ASpacePlasmaDetectingMethodBasedontheLangmuirProbeZENGZhaoxian一,WANGShijing,ZENGLi(1.CenterforSpaceScienceandAppliedResearch,CAS,Beijing100080,China;2.GraduateSchool,CAS,Beijing100039,China)Abstract:TheprincipleandmethodofspaceplasmadetectingbyLangrauirprobeweredesebiedinthispaper.Theeffectsofspacecraft,probesurfacecontaminationcausedbyspaceenvironment,probeitselfandotherfactorsonthespaceplasmadetectingusingLangmuirprobewereanalyzed.AmethodtOdetectspaceplasmapotentialandelectrondensitybasedontheequalpotentialoftheprobeandplasmawasputforward,andthemeasurementmechanismandprobestructurewerealsogiven.Keywords:Spaceplasma;Langmuirprobe;Plasmapotential;Electrondensity0引言空间等离子体环境与航天器的安全飞行密切相关,其中可能发生影响航天器轨道和姿态的离子阻力效应,以及对航天器的充电效应等.因此,研究和发展空间等离子体环境探测技术对保障航天活动安全的意义非常重要.现行空间等离子体环境参数测量方法主要包括遥感测量和实地测量两类.前者通过向空间等离子体发射适当频率的无线电波,由空间等离子体对电波的反射,散射,吸收效应,以及多普勒与法拉第效应等推导电离层参数.该法主要用于测量电波通道内的等离子体整体参量,典型的有非相干散射雷达技术和基于全球卫星定位系统(GPS)的电离层电子总含量(TEC)测量技术等.这些方法的缺点是不收稿日期:20051206;修回日期:20060126作者简介:曾昭宪(198l一).男.硕士生.主要研究方向为空间环境探测.能获取局部的空间等离子体环境参数信息.后者利用星载仪器测量卫星轨道所处的空间等离子体环境,可获得空间等离子体环境的局部结构差异,使用的仪器主要有各种粒子谱仪和Langmuir探针.粒子谱仪主要测量某一特定能量段或方向的粒子,而Langmuir探针则可测量空间等离子体环境的电子密度,电子温度,相对航天器的电位等整体背景参数.Langmuir探针的特点是质量小,功耗低,时空分辨率高,结构相对简单,以及所获信息丰富,自20世纪50年代末用于空间等离子体探测以来就极受各国重视.统计表明,在美宇航局(NASA)的航天器计划中,装有Langmuir探针的航天器占12.9%.为此,本文就Langmuir探针在空间等离子体探测中的应用及其关键技术进行了综述.1Langmuir探针基本原理Langmuir探针是一根很小的金属电极,常用形状有圆柱形,球形和平板三种.对星载应用,为使探42上海航天AER0SPACESHANGHAI2006年第6期针免于航天器离子鞘层的影响,通常会加一长撑杆,与相应的电子学测量部分构成Langmuir探针系统.其工作基本原理是:当探针浸入空间等离子体中时,等离子体电子和离子因热运动形成到达探针表面的粒子流.由于电子热运动速度远大于离子热运动速度,探针表面会逐步积累负电荷,使探针相对空间等离子体呈负电势.该负电势会排斥电子,吸引离子.随着负电势增大,从空间等离子体到达探针的电子电流将越来越小,而离子电流越来越大.当达到平衡时,探针表面的总电流为零,探针的负电势也固定为一定值.此时,若加外电源改变探针电压,则针内会有电流通过.调节外加电源使探针电压由负变正,探针电流也随之而变,由此可得探针的电流电压特性曲线.分析该特性曲线即可获探针周围空间等离子体的电子密度,离子密度,电子温度和空间电位等参数.Poisson方程和Boltzmann方程是描述Langmuir探针的基本公式.因这些方程为非线性,且边界条件复杂,故难以获得精确的解析解和数值解.TONKS,LANGMUIR,HARRISON,THOMPSON,SELF等进行了大量的研究,其中最基本是OML理论和ChildLangmuir理论.假设成立理想条件:粒子运动无碰撞;无干扰粒子运动的强磁场;电子和离子的速度分布均服从Maxwel1分布;电子和离子在到达探针表面后都被完全收集,不产生次级电子的发射.由OML及Child-Langmuir理论可推得探针电流与电压的关系为:当V>0时,J=Ae(+)一A)exp(一)./旺一瓦Jl;u当V<0时,J=Ae()1/2exp(一)一Ae()(十)八忌TiJ,式中:J为探针电流;V为探针相对周围空间等离子体的电位;A为探针表面积;7/;,m;分别为等离子体离子的密度和质量;7/,m分别为等离子体电子的密度和质量;Ti,T分别为等离子体离子和电子的热温度;e为电子电荷;忌为波尔兹曼常数?.式(1),(2)的第一,二项分别表示了电子电流和离子电流的大小.由此可得探针的理想Jv特性曲线如图1所示.该曲线可分为电子饱和区,电子阻滞区和离子饱和区三部分.由式(1),(2)可知,;,分别决定了离子和电子饱和电流的大小,T决定了电子阻滞区的宽度.因此,由v曲线也可反推探针周围等离子体的密度,温度等参数.型:电子饱航;.差:e一,l.一;:上一,li.一离子饱和区图1探针理想I-y曲线Fig.1TheoreticI-ycurveforprobe2Langmuir探针空间应用关键实际应用Langmuir探针测量空间等离子体时,常因空间环境的复杂性致使上述理想条件不复成立.航天器,空间环境污染,探针以及其他因素均会对Langmuir探针测量产生明显的影响,致使探针周围的空间等离子体分布为一种非Maxwel1分布.为提高测量精度,需尽可能消除和避免这些影响.根据航天器飞行轨道的空间环境特性和测量目的不同,采用的设计方案和测量方法不同,对数据的处理也各异.2.1航天器对测量的影响2.1.1对周围等离子体的扰动当航天器在空间等离子体环境中飞行时,会对其周围的等离子体产生扰动.首要原因是航天器表面带电,其形成机理与Langmuir探针测量等离子体的原理相同.实际上,飞行于太空的航天器等同于一大探针,同样会产生相对周围等离子体空间电位的负电位,并在其表面形成一等离子体鞘层.等离子体鞘层和电位会对航天器周围等离子体中的电子产生排斥,对离子产生吸引,从而使粒子速度不再服从Maxwel1分布.其次航天器的运动也会对其周围的等离子体产2006年第6期曾昭宪,等:基于Langmuir探针技术的空间等离子体探测方法43生扰动.通常,航天器的速度相对离子声速有一较大的马赫数,这种超声速现象使航天器将离子从轨道上扫开,并在其后形成一离子浓度远小于正常值的尾迹,同时在其前面,因离子流高速撞击航天器表面而出现离子的聚集和反射.这样,航天器周围的等离子体流可分为被压缩的激波(Ram)区,鞘区和尾迹(wake)区.被扰动的稳态流场特性取决于离子流与航天器相互作用的夹角.0=0.时航天器周围等离子体流的结构如图2所表示.图中,鞘区I为未完全形成的鞘层;d为鞘层厚度.根据文献4,夹角为零和非零时,航天器鞘的尺度d=1.32DIeV./(kT);(3)d=1.32DIeV./(kT)/(Ma)sin0,(4)式中:D为等离子体德拜长度;V.为航天器表面电位;Ma为航天器相对离子热速度的马赫数.Wake区图2航天器周围等离子体流结构FIg.2Plasmastructuremoundthespaceera为避免上述等离子体结构扰动对测量的影响,可采用多种措施.如Cluster卫星用主动卫星电位控制方法,卫星搭载金属阳离子流发射器,该发射器可产生能量为59keV的数十微安铟离子流,对卫星电位进行主动控制J.PARKER(1970年),SCIME(1994年)提出根据航天器表面电位和航天器离子鞘的结构对航天器周围等离子体探测数据的修正方法J.但最有效是采用撑杆,将Langmuir探针安装于伸出航天器鞘层以外的支架上.2.1.2对探针搜集电流的影响因探针以航天器的轨道速度运动,即使空间等离子体无热速度,探针也能收集到其扫过的等离子体电子和离子.设航天器的轨道速度为,等离子体电子热速度为,离子热速度为;,则通常有i.由于电子热速度远大于航天器速度,后者对电子电流产生的影响可忽略,而离子热速度远小于航天器速度,离子电流会产生较大的变化.HOEGY,WHARTON等在考虑探针相对运动对离子电流影响的条件下,给出的离子电流(5)式中:为探针相对周围等离子体运动的速度,其值等于航天器的轨道速度.探针在静态和以航天器轨道速度运动时离子电流如图3所示.由图可知,在探针相对等离子体运动时,离子饱和电流增加了310倍,并随电压的减小而快速增大.b一图3静态和运动状态下的离子电流F.g.3Ioncurrentinstationaryandmovingstates2.2空间环境对探针表面的污染空间环境对探针表面的污染是影响Langmuir探针工作性能的另一重要因素.粒子与探针表面的相互作用可能会使探针表面产生错乱交杂的晶格结构,中性粒子也会依附于探针表面,这会引起探针表面电位分布的不均匀,使探针Jv特性曲线出现严重变形.此外,空间环境粒子还会氧化和磨损探针表面,导致探针表面功函数出现时变,并引起空间电位,探针电位以及航天器电位之间关系的变化.为尽可能消除或减小这些影响,常对探针表面进行如表面氮化等预处理.近年来,提出一种新的表面污染处理方法并在实验室得到了验证,该技术在探针传感器内部放置加热电极,使探针传感器可通过加热进行自动在轨清洗J.该方法可有效去除探针表面的依附物.2.3探针自身的影响探针自身也是影响测量的一个主要因素.因为探针表面存在的等离子体鞘层会改变到达探针表面的电子和粒子的速度与方向,使测量结果偏离真实值.此外,电子,离子与探针表面的相互作用,也会产生一定数量的二次电子发射及电子后向散射.当探针暴露于太阳紫外辐射中时,还会导致光电子的发射.这些都会改变探针电流而影响测量的精度.上海航天AERoSPACESHANGHAI2006年第6期因此,应尽量选取功函数较高的材料加工探针传感器部分,并要求材料耐溅蚀,耐热和耐化学反应.空间应用中,常选钛为制作探针传感器的材料.2.4其他影响在复杂的空间环境中,影响探针测量结果准确性的因素还有:电离层极光区的高能沉降粒子流,它会显着增加探针的二次过程,改变探针搜集电流的大小;空间磁场,它会在一定程度上改变被测电子和离子的运动速度与方向.文献9给出了这些情况下Langmuir探针电流与电压的关系.3一种电离层等离子体电位和电子密度测量方法3.1测量原理当探针电位与其周围空间等离子体电位相同时,影响测量准确性的探针表面离子鞘或电子鞘层就会消失,维持此状态的探针对其周围等离子体的影响最小.电离层中的等离子体是一种高密度的冷等离子体,非常稳定,可认为其离子能量满足Maxwel1分布.对此,当探针电位小于或等于周围等离子体电位时,由式(2)可得探针收集的电子电流Ae()t/2exp(一).(6)特别地,在探针与周围等离子体的电位相同时,有V=0,且因为电子电流远大于离子电流,故有探针总电流f.=A,ze().对式(6)两边求导,得die=10(一悫)eXp(一).(7)由式(7)可知,当探针电位小于等离子体空间电位时,电子温度和密度变化量分别正比于f(dIe/dV),f0(dIe/dV).这样,当探针维持在等离子体空间电位时,可通过测量探针电流和电流对电压的一次导数值获得空间等离子体电子密度与温度参数,同时也得到空间等离子体电位.3.2探针结构探针结构如图4所示.系统采用双Langmuir探针,其中柱形探针用于获取和监测等离子体空间电位的变化,为整个探针系统提供电位参考,球形探针用于测量等离子体电子密度与温度参数.图4探针结构Fig.4Probestructure选用柱形和球形探针的原因如下.a)与球形探针相比,柱形探针的末端效应很小,可较好地监测等离子体空间电位的变化,且柱形探针形状简单,加工方便,易与球形探针结合.b)在相同条件下,球形探针对入射带电粒子的影响最小.在粒子相对探针的初始入射角为45.条件下,球形探针和平面形探针对带电粒子入射路径的影响如图5所示.由图可知,球形探针对带电粒子的影响小于平面形探针.鞘层厚图5探针对带电粒子入射路径的影响Fig.5EffectofvariousprobesOatrajectory本法的优点是探针电位始终维持在周围空间等离子体电位附近,使探针保持在无鞘层或鞘层可忽略的状态,这样就能不考虑探针本身鞘层对搜集电流的影响.4结束语Langmuir探针技术是一种灵活而有效的空间等离子体测量技术.在Langmuir探针的基础上,还可研发出不同用途的Langmuir探测器,如测量正离子的阻滞势分析器,测量正离子相对传感器观测方向到达角的平面离子漂移计等u.12.为更好地利用Langmuir探针,各国均制定了研制新型Langmuir探针的计划.掌握和发展Lang.muir探针技术,对我国的空间事业具有十分重要和现实的意义.2006年第6期曾昭宪,等:基于Langmuir探针技术的空间等离子体探测方法45参考文献1张东和.接收GPS卫星信号测量电离层总电子含量结果的初步分析J.地球物理.1996,39(增刊).2焦维新.空间探测M.北京:北京大学出版社,2002.3HUTCHINSONIH.PrinciplesofplasmadiagnosticsM.Canmbridge:UnitedKingdomattheUniversityPress,2002.4HASTINGSDE,CHOM,WANGJ.SpacestationfreedomstructurefloatingpotentialandtheprobabilityofarcingJ.SpacecraftandRockets,1992,29:830.5TORKARK,RIEDLERW,ESCOUBETCP,eta1.Activespacecraftpotentialcontrolforcluster?-implemen?-tationandfimtresultsJ.AnnalesGeophysieae(thespecialissue:firstclusterresults),2001,19(6):12891302.6SCIMEEE,PHILLIPSJL,BAMESJ.Effectsofspacecraftpotentialonthree-dimensionalelectronmeasurementsinthesolarwindJ.Geophys.Res.,1994,99:14769.7BRACELHionosphereCUnion,1998.89101112LangrnuirprobetSintheWashingtonDC:AmedcanGeophysicalAMATUCCIWE,SCHUCKPW,WALKERDN,以a1.Contamination-freesoundingrocketLangmuirprobeR.AiTlerieanInstituteofPhysics,2001.H0EGYWR,BRACELH.UseofLangmuirprobesinnon-MaxwellianspaceplasmasR.AmericanInstituteofPhysics,1999.SINGHN.BAUGHERCR.SheatheffectsoncurrentcollectionbyparticledetectorswithrlTrowacceptanceanglesJ.SpaceSci.Instrum,1981,(5):295.HANSONWB.TheretardingpotentialanalyzeronatmosphereexplorerJ.RadioScience,1973,4:333.HEELISRA.MeasurementsofthermaliondriftvelocityandtemperatureusingplanarsensorsC.WashingtonDC:MeasurementTechniquesinSpacePlasmas,1997.(上接第40页)籁勰籁1谣频率/GHz(b)方头端头裂缝频率/GHz(b)圆头端头裂缝图7两种端头裂缝驻波系数的比较Fig.7VSWRcomparisonbetweentwoslots式中:C为光速.fo=c/(2L),(26)3结束语本文介绍了波导端头裂缝MOM分析的基本步骤,推导了相应的数值计算公式.给出了两组x波段BJ一100波导端头裂缝的长度,宽度,厚度与谐振频率关系的计算结果.比较表明,计算结果与测试值较为吻合.另外,还给出并验证了方头端头裂缝与圆头端头裂缝的等效替代公式,以及谐振频率的近似计算公式.采用本文方法能分析波导端头裂缝的工作特性,并由此设计出满足驻波系数和谐振频率等指标要求的波导端头裂缝.该方法的计算速度快,结果较准确.参考文献1LYONRW,SANGSTERAJ.EffidentmomentmethodanalysisofradiatingslotsinathickwalledrectangularwaveguideJ.1EEProc.PtH,1981.128(4):197205.2任济时,吕善伟.伽略金法分析矩形波导缝隙天线的耦合特性J.北京航空学院,1983,(1):7586.3张贞卓,王湖庄,陈抗生.一种新型矩形波导裂缝天线的分析与设计J.微波,1996,(1):4249.4李建瀛,梁昌洪.波导端头裂缝的矩量法分析J.西安电子科技大学,1999,(1):6770.5TAICT.Dyadicgreenfunctionsinelectromagneticthe?oryM.NewYork:IEEEPress,1994.6SAMIIYR.OnthequestionofcomputationofthedyadicgreenSfunctionatthesourceregioninwavegnidesandcativiesJ.IEEETrans.MicrowaveTheoryandTechnologys,1975,MTT-23;762765.