静电探针在高频等离子体风洞中的应用

潘德贤，蒋 刚，王国林，马昊军，刘丽萍，罗 杰

（1.四川大学原子与分子物理研究所，成都 610065；2.中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳 621000）

静电探针在高频等离子体风洞中的应用

潘德贤1，2，蒋 刚1，王国林2，马昊军2，刘丽萍2，罗 杰1，2

（1.四川大学原子与分子物理研究所，成都 610065；2.中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳 621000）

为了在高频等离子体风洞上开展高超声速飞行器等离子体鞘层的电磁特性研究，研制了一套适用于高频等离子体风洞测试环境的静电探针诊断系统，这是国内第一次采用静电探针对高频等离子体风洞的流场参数进行诊断。该系统具有偏置电压可调、抗干扰能力强、探针性能稳定、高速数据采集等特点。采用该系统对高频等离子体风洞在不同运行功率、不同气体流量下流场核心区域的电子数密度进行了诊断，对相同运行功率和相同流量条件下流场电子数密度沿射流径向的分布进行了测试，并研究了电子数密度随高频等离子体风洞运行功率和气体流量的变化规律。并将诊断结果与网络分析仪微波测量法的数据进行了比对。结果表明，该系统可以很好地满足风洞流场参数的诊断，能够为风洞流场数值建模以及等离子体鞘层电磁特性研究提供可靠的数据支撑。

静电探针；高频等离子体风洞；电子密度；流场诊断；电磁特性

0 引 言

在高超声速飞行条件下，飞行器周围高温气体产生了强烈的振动、离解和电离，形成了等离子体鞘层［1］。各种测试、控制、导航、通信电磁信号穿过等离子体鞘层时，由于电子振荡，电子通过与等离子体鞘层中的背景粒子碰撞，将动能传给背景粒子，这样就造成入射电磁波自身能量的衰减；另外，电磁波在等离子体鞘层中会产生法拉第旋转，从而造成极化失真。正是由于电磁信号的衰减和失真，从而引起飞行器与外界的通信中断，即“黑障”问题。因此开展等离子体鞘层电磁特性研究，对军事和民用空间通讯都具有重要的现实意义。

由于德拜长度与振荡频率是等离子体集体行为的两个关键特征参量，而德拜长度与振荡频率又是通过电子数密度与电子温度表征的。所以电子数密度和电子温度这两个等离子体射流参数的诊断，是开展等离子体鞘层电磁特性研究的基础。

对于等离子体射流参数的诊断，采用静电探针法是一种经济可行的途径。在欧美一些传统的航天强国，采用静电探针法对等离子体射流参数的诊断工作开展得比较充分。早在1965年，SAMIR和WILLMORE就对太空运行卫星的探针性能进行了研究［2］；1996年，HARALD和MONIKA对高焓等离子体射流静电探针特性进行了研究［3］；2001年，MENART等人对高速等离子体射流的静电探针诊断工作进行了研究［4］。这些研究为静电探针在航空航天等离子体诊断工作中的运用积累了宝贵的数据。在国内，曹金祥、张嘉祥等在电弧风洞上用静电探针测量了电弧射流的等离子体参数［5-6］，但由于电弧射流中存在金属铜离子以及其他电极粉末污染，使得射流参数诊断结果存在较大误差，并且由于这种重金属污染，电弧风洞并不适合用于高超声速飞行器等离子体鞘层电磁特性的研究工作。高频等离子体风洞采用感应加热的方式产生感应耦合等离子体（Inductive Coupled Plasma，ICP），能够提供纯净的、长时间稳定运行的高焓等离子体射流，并且能够快速地进行飞行器轨道模拟，是开展高超声速飞行器等离子体鞘层电磁特性研究的理想设备。由于高频等离子体风洞设备在国内的唯一性，其风洞流场等离子体参数的诊断工作并未曾开展，本文第一次开展这方面的工作。

在高超声速飞行器等离子体鞘层电磁特性的研究工作中，风洞流场的电子数密度、电子温度及其空间分布是最重要的影响参数。针对这些风洞流场关键参数的诊断，基于高频等离子体风洞，本文设计一套朗缪尔静电探针诊断系统，对高频等离子体风洞不同运行功率、不同气体流量条件下射流核心区域的电子数密度和电子温度进行测试，研究电子数密度和电子温度随风洞运行参数的变化规律。

1 静电探针系统

根据朗缪尔探针原理，研制了一套静电探针系统，主要由电源系统，探针和采集系统三部分组成［7］。在该系统中，采用波形信号发生器输出锯齿波形作为探针的扫描电源，扫描电源经功率放大电路之后，加载到探针的最大电压可达200V，并且扫描频率和幅值连续可调，试验时，可根据风洞的运行状态选择相应的探针扫描频率和偏置电压。针对特殊的现场环境，设计了专门的抗干扰电路，这些电路满足电磁兼容的要求。由于风洞现场强大的高频电磁干扰，并且等离子体悬浮电位会出现高频振荡，在该电源系统中，通过在输入端与输出端分别设置抗干扰滤波电路，并通过多次对电路参数进行调试，使系统达到了一个理想的滤波参数。另一方面，在试验厂房周围远离高频电源的地方埋设接地网络，系统采用多点就近接地。通过这些方法，使得电源系统在高频环境下能够稳定可靠运行。

在探针设计方面，采用了功函数较大，熔点较高，溅射率较小的金属钼作为探针材料［2］。探针材料外面采用三氧化二铝陶瓷烧结，工作端长度为15mm，探针结构图与实物图见图1。钼在高温有氧条件下容易氧化，以至在使用过程中探针的微观表面状况会发生变化，由此引起探针的实际表面积改变。为了改善这一影响因素，使得探针吸收电子的表面积尽量一致，我们在每次探针采集试验之后，都把探针取下来用细砂布仔细打磨，把氧化层研磨掉；另一方面，在探针完成3～4次采集试验之后，及时更换新探针。

图1 探针Fig.1 Langmuir probe

在探针数据的采集方面，为了高精度的记录探针电流的变化，配备了高灵敏度的实时数据采集系统，试验数据可实时显示记录，数据采集系统的最大采样频率可达2MHz。

试验时，探针安装在风洞试验段流场中的一套快速扫掠装置上面，该扫掠运动装置有前后和左右两个运动轴，皆由伺服电机驱动，通过远端人机控制界面，可以控制两个运动轴向在风洞流场中的运动速度与位移，从而实现探针的定点测量。

2 试验设备

高频等离子体风洞能够提供纯净的、长时间稳定运行的高焓等离子体射流，是开展高超声速飞行器等离子体鞘层电磁特性研究的理想设备。高频等离子体风洞如图2所示，气体介质通过旋向进气装置进入石英管，载有高频电流的感应线圈缠绕在石英管上形成感应放电室，在石英管内部产生交变的电磁场并产生次生电流，在欧姆加热的作用下气体被加热至很高的温度，通过喷管进入真空试验段，从而形成等离子体射流。

图2 高频等离子体风洞示意图Fig.2 High frequency plasma wind tunnel

该静电探针诊断试验在高频等离子体风洞上完成，工作气体为大气，等离子体射流为亚声速流。完成诊断工作的试验状态为：电源功率为30～300kW，气体流量为10～40m3／h，运行压力为2.5～20kPa，气流总焓为10～32MJ／kg，驻点热流为700～1800k W／m2，运行时间约为300s。试验时，根据诊断的流场形状以及试验参数的要求而选择相应的喷管形状以及喷管出口尺寸，喷管形状包括矩形喷管和圆形喷管。

在试验前，静电探针安装在一个自动控制的快速扫掠装置上面，最大扫掠速度为1m／s。当高频等离子体风洞的等离子体射流建立起来，并达到动态稳定之后，通过远程的控制界面启动快速扫掠装置，从而使静电探针以设定的速度快速定位于等离子体射流流场的试验需求位置，完成静电探针伏安特性的测试任务。通过多次试验数据的叠加，可以得到等离子体射流的空间分布情况。试验时流场中的探针如图3所示。

图3 流场中的探针Fig.3 Probe in the wind tunnel

3 数据处理

在对高超飞行器飞行环境的电磁特性进行研究时，飞行器周围等离子体的频率、电子数密度以及电子温度等特征参数是影响飞行器通信控制与透波特性的关键因素，而其中最关键的参数是电子数密度和电子温度。试验中，根据高频等离子体风洞不同的加热功率，匹配相应的气体流量，通过静电探针测试系统，从而得出在一定的初始真空度（100Pa）情况下的等离子体特征参数值。

试验时，根据探针原理，探针的偏置电压是加载到探针和试验段壁两端的，而探针电流是从探针端的一个分压电阻取出来的。通过高速数据采集系统，可实时采集记录探针电压的变化情况。在进行的各试验状态中，探针的分压采样电阻均为200Ω，采样频率为500k Hz，采样方式为瞬态采集。

当风洞流场等离子体没有建立起来时，分压电阻并没有电流流过，此时分压电阻的电压与探针的偏置电压相等。一旦当流场等离子体建立起来并稳定之后，流场中探针的电压曲线如图4所示。在图4中，V1是探针的偏置电压，V2是分压电阻端的电压，由于等离子体电流的产生，分压电阻起到了分压的作用。此时，同一时刻的V1和V2的差值除以分压电阻R即为这一时刻探针的电流值，即：

图4 分压曲线图Fig.4 Curves with probe current

根据测量的探针电流与探针电压的值，可得到探针的伏安特征曲线，如图5所示。对探针电流取对数之后的伏安特征曲线如图6所示。

图5 伏安特征曲线Fig.5 Curve ofI-Vcharacteristic

图6 对数伏安特征曲线Fig.6 Curve of ln（I）-Vcharacteristic

对于图6中的过渡区，探针电位低于等离子体空间电位，即V＜VP，这个区域的I-V曲线呈指数函数关系，当采用与探针电压的半对数关系时，I-V曲线是一条直线，该直线的关系式如下：

式中：Ies为饱和电子流。从式中可见，ln I与V呈线性关系，其斜率为1／（k Te），因此从斜率可以获得电子温度。图中电子温度值为2.0361e V。

根据探针特征曲线，当探针电压V大于等于等离子体空间电位VP时，即V≥VP，探针电流到达电子饱和电流；而当V＜VP时，探针电流按指数函数衰减。因此在特征曲线上的V＝VP处会出现一个拐点，此拐点对应的电压值即为等离子体空间电位VP。在图6中，通过画出两条曲线的斜率线的交点，即得到拐点［8-9］，VP＝11.4035V。

通过特征曲线，在饱和电子电流区，电子饱和电流Ies的表达式为：

由此可得电子密度ne为：

式中：A为暴露在等离子体中的探针面积。

另外，在图5所示的探针特征曲线中，我们发现在饱和电子电流区，特征曲线趋于平缓，并没有出现突跃现象，这表明探针没有在流场中诱发周围气体的电离。所以在进行数据处理时，可以不用考虑高速气流在探针表面滞止诱发气体电离所产生的误差因素。

4 结果分析

4.1 流场中心测量情况

在采用矩形喷管的情况下，喷管出口尺寸为250mm×50mm。根据高频等离子体风洞不同的加热功率，匹配相应的气体流量，经过多次试验，测得距离喷管出口80mm处流场中心的等离子体参数。当保持初始真空度不变时，在不同气体流量情况下，电源功率对应的电子数密度如图7所示。

图7 电子密度-功率特征曲线Fig.7 Curves of Ne-P characteristic

从试验结果可以看出，在气体流量相同的情况下，随着加热功率的提升，电子数密度也会增加。但是，在加热功率相同的情况下，随着流量的增加，电子数密度并不呈线性增加。这是因为一种电源加热功率具有一种最佳的流量匹配状态，如果没有达到最佳匹配状态，在功率相同的情况下增加气体流量，此时电子数密度反而会降低。另外，通过试验发现，如果真空机组每次预抽的真空度不一样，那么试验平衡时所达到的系统真空度也会不一样，这也会对等离子体参数造成一定的影响。同样状态下，真空度高时则等离子体参数相对较高。而在电子温度的测量上，由于电子温度是由特征曲线斜率的倒数求取的，电子数密度较高时电子温度值较小，但测量结果均处于一个量级，即1eV左右。

静电探针诊断结果与相同试验状态下等离子体微波诊断系统的测试结果进行了对比。微波测试系统采用矢量网络分析仪，测试一定频率的电磁波穿过等离子体之后的幅值衰减和相位变化［10-11］，通过求解方程组［12］获得测试路径上等离子体的平均电子数密度和碰撞频率。在用微波法诊断过程中，为了尽量获得等离子体射流核心区域的电子数密度，相对于50mm的喷管出口宽度，我们设定测试路径上等离子体的厚度为25mm。两种测量方法的结果如表1所示。从表中可以看出，本文静电探针的诊断结果虽然在数值上与微波诊断结果存在一定差异，但两者量级相同。考虑到目前等离子体电子数密度各种诊断方法的局限性和误差，可以认为本文的测试结果与微波测试结果一致。

需要注意的是，在每一种试验状态下，等离子体射流的分布厚度是不一样的。在微波诊断方法中，相比于设定的等离子体厚度，实际的等离子体厚度要比这个值大，比如本次诊断试验采用的矩形喷管出口尺寸为250mm×50mm，在进气流量与加热功率达到最佳匹配条件下，等离子体射流的厚度可达到45mm。当按具体的等离子体厚度来计算电子数密度时，由于微波法求取的是测试路径上等离子体的平均电子数密度，所以其值要比采用探针法求取等离子体射流核心区域的电子数密度值偏小。

表1 探针测试结果与微波诊断结果的对比Table 1 The test results of Langmuir probe and microwave means

4.2 径向分布测量情况

另外，通过试验，对相同运行功率和相同流量条件下流场电子数密度沿射流径向的分布进行了测试。在电源功率为65k W，空气流量为10m3／h情况下，探针距离喷管出口为80mm时，采用出口直径为120mm的圆形喷管对流场参数径向分布的测试结果如图8所示。从图8中可以看出，圆形喷管的流场具有很好的对称性，在流场的中轴线上，由于电离充分，电子数密度与电子温度均具有最大值，沿着流场的径向，电子数密度与电子温度的值逐渐降低，在边缘处趋于零。并且，电子数密度与电子温度值的径向分布区域比喷管的实际出口尺寸小，随着进气流量以及加热功率等参数的不同，径向区域分布尺寸将有不同的值。

图8 径向分布曲线Fig.8 Data distribution of radial field

在用不同的喷管进行探针试验时，我们发现，喷管的出口形状以及出口截面积都对等离子体参数的测试结果有影响。比如对于相等出口截面积的矩形喷管来说，扁长状喷管的等离子体参数比方形喷管的等离子体参数较低。

5 结 论

在高频等离子体风洞上，采用静电探针完成了射流等离子体参数的诊断。通过诊断试验，获得了高频等离子体风洞的等离子体参数数据，其结果与运用网络矢量分析仪微波测量方法获得的等离子体参数基本一致。这些数据的获得，表明研制的静电探针系统在高频环境下能够可靠稳定运行，能够很好地满足高频等离子体风洞等离子体参数的诊断工作。同时，这些数据结果将为风洞流场的数值模拟以及等离子体鞘层电磁特性研究提供可靠的数据支撑。

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Application of Langmuir probe in high frequency plasma wind tunnel

Pan Dexian1，2，Jiang Gang1，Wang Guolin2，Ma Haojun2，Liu Liping2，Luo Jie1，2
（1.Institute of Atomic and Molecular Physics，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China）

In order to study the electromagnetic characteristics of the plasma sheath around hypersonic aircraft in High-Frequency Plasma Wind Tunnel，a new Langmuir probe system has been developed in this paper.High-Frequency Plasma Wind Tunnel is ideal facility for the research of electromagnetic characteristics of the plasma sheath，and electron density，electron temperature and their distribution is very important to the researching test.In this probe system，the high performance molybdenum probe and adjustable power device have been manufactured.By this probe system，the test principle and data processing method are discussed，the electron density and its change rule of core area for wind tunnel with different operating power and different gas flux are measured.At the same time，the electron density radial distribution is measured with the same operating power and gas flux.Moreover，the test results have been compared with the microwave means data.It shows that this electrostatic probe system can meet diagnostics of flow field parameters in high frequency plasma wind tunnel well，and can provide reliable data to support the numerical simulation of wind tunnel flow field and electromagnetic characteristics study of plasma sheath.

Langmuir probe；high frequency plasma wind tunnel；electron density；flow diagnostics；electromagnetic characteristics

O536

：A

1672-9897（2014）03-0072-06doi：10.11729／syltlx20130070

（编辑：杨 娟）

2013-08-26；

：2014-01-05

PanDX，JiangG，WangGL，etal.ApplicationofLangmuirprobeinhighfrequencyplasmawindtunnel.JournalofExperimentsinFluid Mechanics，2014，28（3）：72-77.潘德贤，蒋 刚，王国林，等.静电探针在高频等离子体风洞中的应用.实验流体力学，2014，28（3）：72-77.

潘德贤（1976-），男，贵州天柱人，工程师。研究方向：等离子体诊断技术研究。通信地址：中国空气动力研究与发展中心（621000）。E-mail：pandexon＠163.com