箭载朗缪尔探针电离层就位探测技术研究

刘 超 王世金 关燚炳 朱光武 史建魁

（1.中国科学院空间科学与应用研究中心，北京100190；2.中国科学院大学，北京100049）

引 言

朗缪尔探针技术是通过就位测量空间等离子体，获得伏安（I－V）特性曲线反演得到电子密度、离子密度、电子温度等特性参数。从1946年首次被用于空间等离子体探测以来，经过不断的试验探索和技术改进，已经成为空间等离子体就位探测的一项重要手段。朗缪尔探针已广泛应用在国外的各种航天器，如欧空局 ROSETTA 卫星［1］、法国 DEMETER卫星［2］、美国 DMSP卫星、瑞典 ASTRID－2卫星［3］、国际合作 CASSINI卫星、欧空局 PROBA－2卫星［4］以及挪威的ICI－1探空火箭［5］等。但是，目前国内对于电离层的探测研究多为雷达探测［6－7］，而空间就位探测技术领域仍是空白，子午工程探空火箭朗缪尔探针是该就位探测技术在我国的首次应用，实现对我国低纬地区低高度电离层等离子体的就位探测。

子午工程是国家重大基础科学项目——东半球空间环境地基综合监测子午链的简称。探空火箭是子午工程空间环境监测系统的重要任务之一，其试验的成功将为我国自主监测短时空间环境、保障空间活动安全发挥重要作用。

子午工程探空火箭朗缪尔探针探测目标是获取我国低纬电离层（70～200km）的电离层精细结构剖面，重点研究D层及各层间过渡区域的精细结构以及电离层突发E层（Es层）的精细结构，弥补电离层垂直探测的某些不足。

仪器性能指标如下：

◇ 电子密度测量范围：5×102～5×106cm－3

◇ 离子密度测量范围：5×102～5×106cm－3

◇ 电子温度：500～3 000K

◇ 相对测量精度：优于10%

探空火箭载荷朗缪尔探针采用了扫描电压和固定偏压的两种工作模式。在扫描电压模式下，得到的电离层物理参数达到优于2.5km的空间分辨率。在固定偏压模式下，获得的电离层物理参数空间分辨率优于6m.

1 朗缪尔探针仪器设计

1.1 基本原理［8］

朗缪尔探针的基本原理是将一根金属电极（传感器）伸入到等离子体中，在传感器上加载偏压，通过改变加载偏压，测量随偏压变化的收集电流，获得I－V特性关系曲线。通过对I－V特性关系曲线的分析，得到电离层等离子体的特性参数（温度、密度）。

图1是理想状态下朗缪尔探针的I－V特性曲线。当加载负电压时，探针传感器收集离子，排斥电子，形成离子电流（Ii）占主导的离子饱和区。相反，加载正电压时，探针传感器收集电子，排斥离子，形成电子电流（Ie）占主导的电子饱和区。在二者之间的过渡区，探针传感器收集电流随电压的变化具有指数函数的关系，形成阻滞区。

图1 朗缪探针理想I－V曲线示意图

1.2 传感器设计

标准的朗缪尔探针传感器有平板型、圆柱型和圆球型三种，子午工程探空火箭朗缪尔探针采用了圆球型传感器。圆球型传感器相比其他两种传感器具有更理想的结构模型，不受边缘效应的影响，具有各向同性的周围电场分布，受磁场的影响小，受背景等离子体的扰动小等优点。

该传感器采用金属构件加表面镀膜的设计，其中传感器的基材是金属钛，然后采用高温氮化的方法在其表面形成氮化钛（TiN）镀层。钛金属具有良好的导电性，具有高强度、高韧性、高硬度等特性。TiN镀层具有很好的化学稳定性，能够抵御恶劣空间环境的侵蚀氧化，有较高的表面均一功函数。

该传感器设计为两只球形传感器，分别是传感器1（EP1）和传感器2（EP2），直径均为40mm.每一只传感器均由上下半球组成，上下半球相互绝缘，上半球为传感器电流收集电极，下半球为传感器保护电极，如图2（a）所示。EP1上下半球加载相同的扫描电压，EP2上下半球加载相同的固定偏压。该设计保证了传感器理想的球形结构，使其在电离层等离子体环境中就位探测的实际响应与理想结构模型保持一致。

图2（b）中朗缪尔探针传感器安装在伸杆顶端，作为一体结构安装在火箭整流罩内。火箭发射前，伸杆在整流罩内处于收拢状态。火箭发射抛罩后，朗缪尔探针传感器随伸杆水平展开，开始飞行探测。

图2 传感器

1.3 工作模式

1.3.1 探针电子学设计

朗缪尔探针电子学由扫描电压加载单元、固定电压加载单元、弱电流信号线性测量单元和数据采集控制单元组成，如图3所示。扫描电压加载单元是采用12位数模转换（DAC）器件输出幅值－2.0V到＋4.0V范围的扫描电压，该扫描电压同时加载在EP1的上下半球。固定电压加载单元采用运算放大器组成偏压电路，加载在EP2的上下半球。弱电流信号线性测量单元采用微小漏电流、低温漂运算放大器件和多路选通器件组成线性增益可调的弱电流测量电路。线性增益可调是由数据采集控制单元实时判读采样数据，根据已设定阈值选择相应的放大增益来实现。数据采集控制单元包括控制模数转换（ADC）器件实现数据采集、控制DAC器件的输出、数据存储和发送等功能等。

图3 电子学设计框图

1.3.2 EP1工作模式

EP1的任务是探测电离层电子密度和电子温度参数，其工作模式是固定偏压和扫描电压相结合模式。工作周期为1.5s，如图4所示。其中Ⅰ阶段保持加载电压＋4.0V，时长1s.Ⅱ阶段为扫描电压下降段，时长0.25s，幅值由＋4.0V到－2.0V，其中包含有38个等时间间隔的扫描电压阶梯。Ⅲ阶段为扫描电压上升段，时长0.25s，幅值由－2.0V到＋4.0V，Ⅱ阶段和Ⅲ阶段的扫描电压阶梯为对称分布。

图4 EP1的扫描电压

EP1在一个扫描周期内，每一个扫描电压阶梯都采集一次传感器收集电流，从而获得一条I－V特性曲线，反演得到一组电离层特性参数。根据时长1.5s的循环周期和火箭实际飞行速度最大为1.6km/s，实测了空间分辨率达到优于2.5km 的精度。

1.3.3 EP2工作模式

EP2的任务是探测电离层等离子体离子密度，其工作模式为固定偏压模式。即EP2保持加载电压－2.6V，每3.7ms采集一次传感器收集电流，得到连续的随高度变化的离子密度。依据火箭实际飞行速度，离子密度的探测结果达到优于6m的空间分辨率。

2 实验结果分析

2.1 实验室测试结果

朗缪尔探针不是直接测量电离层物理参数的仪器，其实际测量的是传感器收集电流，然后通过采集的I－V特性关系曲线，反演出电离层等离子体的特性参数。因此，其电流测量的能力决定了仪器的飞行测量能力，在实验室条件下可利用标准负载进行测定。

2.1.1 标准电阻标定测试

朗缪尔探针电流测量采用了线性增益可调微电流测量电路［9］，如图5所示。将已知的扫描电压Vs加载在标准电阻Rf上，形成一系列标准输入电流Iin.该电流的测量是通过反馈电阻（Ra1，Ra2，Ra3）将电流信号转化成电压信号Vout进行测量输出。由于朗缪尔探针的测量动态范围（100ρA～480μA）较宽，电流的测量将通过选择三个不同的量程来实现。

图5 线性增益可调微电流测量电路

朗缪尔探针标准电阻测试的目的，就是测定每个量程输出电压Vout和输入电流Iin的对应关系。由于本测量电路采用线性放大电路，Vout和Iin满足如下关系式：

式中：Iin＝Vs/Rf；aj为增益系数；bj为零点漂移；j＝1，2，3分别代表三个不同的量程。

试验中取三个不同阻值的标准负载电阻Rf，分别测量低、中、高三个增益量程的增益系数和零点漂移。三个电阻的阻值经精确测定分别为99.68kΩ，10.01MΩ和201.4MΩ。通过图5测量电路，测得EP1和EP2的增益系数和零点漂移，详见表1和表2.

表1 EP1的增益系数和零点漂移

表2 EP2的增益系数和零点漂移

2.1.2 二极管测试［10］

朗缪尔探针的性能模拟测试可通过一个简易的二极管－电阻电路，模拟产生I－V特性曲线。通过该模拟测试的二极管的I－V特性曲线可推导出大气环境温度，其数据推导原理［11］等同于通过飞行测试数据推导出等离子体电子温度。

图6是在实验室条件下测得的二极管模拟I－V特性曲线（半对数坐标）以及获得的模拟电子温度（298.4K＝25.25℃）。在试验过程中的实际大气环境温度为25.5℃（温度计测量值）。考虑测量误差及环境温度变化，可见该朗缪尔探针通过测得探测目标的I－V特性曲线，可准确获得精确的电子温度。

朗缪尔探针的地面系统标定测试是通过一个等离子体模拟系统，模拟生成空间电离层等离子体环境，朗缪尔探针放置在该等离子体环境中测量其等离子体的各项参数［12］。国际上，意大利国家天体物理研究院行星际物理研究所（INAF－IFSI）拥有先进的低能等离子体模拟实验设备。通过国际合作平台，子午工程载荷朗缪尔探针利用该等离子体模拟实验设备进行了各项标定测试。

INAF－IFSI等离子体模拟实验设备，生成等离子体的主要参数如表3所示。

表3 测试环境等离子体的主要参数

具体测试进行了包括单机的功能测试、对等离子体环境变化的响应、传感器表面污染及去污染方法测试［13］、传感器安装角度对探测数据的影响以及磁场变化对探测数据的影响［14］等。通过上述各项测试，朗缪尔探针获得了大量的试验数据，数据的分析结果与意大利等离子体模拟实验设备生成的等离子体参数进行比对，具有很好的一致性。通过地面系统标定测试验证了朗缪尔探针的功能设计和性能指标。

2.2 飞行探测结果

子午工程探空火箭于2011年5月7日7时在海南（东经109°，北纬19.5°）成功发射。火箭飞行至高度65千米处，朗缪尔探针伸杆机构解锁展开，朗缪尔探针开始探测。整个飞行过程中，朗缪尔探针工作正常，获得了有效科学数据，实现了对电离层D层、E层和部分F层的就位探测。

朗缪尔探针飞行探测获得有效数据约1.61 MB.图7是EP1在高度103km处实测数据的I－V曲线，其电离层参数反演结果：相对于火箭地的空间等离子体电位Vp＝1.051V，火箭悬浮电位Vf＝0.833 9V，电子温度Te＝1 038K，电子密度Ne＝1.252e＋010m－3.

图7 飞行高度103km处实测I－V特性曲线

图8为EP2飞行探测获得的70～200km高度的离子密度剖面。由于70km以上朗缪尔探针才开始有效探测，因此图中70km以下部分数据为无效数据。

从图8中可以看出，由于火箭飞行轨迹的影响，火箭上升段和下降段探测结果并不完全相同，但基本一致。且二者与国际电离层模型（IRI－2007）数据以及海南地面数字测高仪（DPS4）同步实测数据比对基本一致。图8中火箭上升段和下降段离子密度剖面均可以清楚分辨出电离层E区，以及E区与F区之间的过度槽区。其中电离层E区，火箭上升段约100km和107km，下降段约101km和108km处测量到离子密度增大，同时EP1测量到相同高度的电子密度增大，综合分析该高度等离子体密度出现增大现象，初步判断为Es层。

在火箭上升段和下降段，100km以下测量结果二者差别较大，该区域的探测结果有待进一步分析。另外，飞行试验中由于火箭外表面导电面积有限，造成朗缪尔探针传感器表面积与火箭外表面导电面积比不足，其影响到电子密度、电子温度的探测精度。有关子午工程探空火箭的电离层就位探测数据分析结果，将另文发表。

3 结 论

子午工程探空火箭电离层就位探测载荷朗缪尔探针是该探测技术在我国空间探测领域的首次飞行试验，获得了海南（东经109°，北纬19.5°）附近区域的电离层等离子体电子温度、电子密度、离子密度等物理信息。通过朗缪尔探针电离层就位探测技术研究，自主研发了我国箭载朗缪尔探针仪器。并将在我国后续探空火箭系列任务中进行200km以上更高高度的空间电离层垂直探测，获得较为完整的电离层密度剖面。

子午工程探空火箭电离层载荷朗缪尔探针填补了我国在就位探测领域的空白，其研制过程中的科学功能测试、性能标定测试、环境模拟测试、整箭集成测试以及飞行测试等均为朗缪尔探针探测技术改进和创新打下了坚实的基础。朗缪尔探针就位探测载荷研制成功，对于增强空间探测能力具有重要的意义，该载荷将应用在我国首颗空间环境电磁监测试验卫星上，完成在轨探测500km高度全球范围空间电离层的科学任务。

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