實驗室研究等離子體鞘套測量方法和干預技術

余鵬程 劉宇，2，3* 雷久侯，2，3 曹金祥

（1.中國科學技術大學地球和空間科學學院 深空探測實驗室, 合肥 230026；2.比較行星學卓越創新中心 中科院近地空間環境重點實驗室 安徽蒙城地球物理國家野外科學觀測研究站, 合肥 230026；3.中國科學技術大學 宇航科學與技術協同創新中心, 合肥 230026）

0 引 言

航天飛行器再入空間大氣層時，由于激波加熱和熱化學防護材料的燒蝕等原因會在飛行器表面形成致密的等離子體鞘套。鞘套的形成會導致無線電通信信號中斷，使得載人風險成倍增加，因此，減輕和消除黑障對航天測控至關重要[1-2]。想要減輕和消除黑障，首先要了解黑障中等離子體的電子密度等參數信息，即等離子體診斷。目前，常用的空間等離子體診斷主要可以分為主動式和被動式兩大類。主動式診斷是通過人為地對等離子體施加某種信號引起響應，從而根據響應信號來推算等離子體的相關參數信息；而被動式診斷主要通過等離子體自身發出的電磁波、光譜等信號等進行參數診斷[3-4]。主動式朗繆爾探針由于體積小、空間分辨率高且診斷參數范圍廣等優勢被廣泛用于各類空間等離子體探測實驗，例如：熱燈絲等離子體放電、電感耦合等離子體放電、熱核聚變和空間探測等[5-7]。在20世紀60年代末，美國針對等離子體鞘套開展過一系列大型實驗。其中比較著名的有：美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)實驗室的Fire項目和美國空軍(United States Air Force，USAF)實驗室的ASSET項目，實驗主要針對再入飛行器熱輻射和傳導率的測量，進行再入空氣動力學、熱動力學和黑障的相關研究。其中規模最大的為RAM飛行計劃，該計劃一共成功進行了7次飛行實驗[8-10]。在第二次和第三次的飛行實驗中，傳統朗繆爾柱探針陣列被安裝在航天器側翼鰭狀的金屬板上進行等離子體鞘套的相關參數診斷。但在距離地表60 km 處，傳統朗繆爾探針由于電極裸露，極易因高溫流場燒蝕引起飛行器的氣動不穩定。因此，對于早期可見文獻的傳統朗繆爾探針再入等離子體鞘套診斷，仍然無法獲得 60 km以下的鞘套物理信息。

受限于鞘套等離子體高密度、熱燒蝕和強碰撞等特性，傳統朗繆爾探針極易被高溫流場燒蝕絕緣而損壞，且伸出的探針電極會對飛行器的氣動安全造成嚴重干擾。為了解決這一問題，本文提出一種新型復合式靜電-微波探針，該探針的電極表面與飛行器表面相齊平，可以很好地解決傳統朗繆爾探針電極裸露的問題，實現高溫流場的長時間有效探測。復合探針主要包括平裝探針和微波截止探針兩大部分，平裝探針可以有效探測所在位置的等離子體電子密度信息[11-12]，微波截止探針則可以有效探測距離探針表面一定區域的等離子體電子密度。兩種探針既可以相互獨立工作、互不干擾，又相互驗證。同時進一步在地面模擬空間等離子體裝置中完成復合探針的數據采集、理論修正和實驗驗證。結果表明，復合探針所得結果與其他設備相比具有很好的一致性。這些結果都可充分說明復合探針的可靠性和有效性，為鞘套等離子體提供了一種有效的探測技術手段。其次，通過探究化學物質釋放主動干預等離子體電子密度，研究發現親電子物質釋放可以有效地降低等離子體中的電子密度，并且釋放物質的不同、釋放量的不同都會造成電子密度變化的不同[13]。20世紀，化學物質釋放主要集中于航天器尾焰對空間電離層空洞的影響[14]，后期研究者們通過尺度化縮放原則，在地面模擬空間等離子體實驗裝置中進一步深入研究化學物質釋放對空間電離層的影響[15]。過去幾十年里，我國也逐步開展了對化學物質釋放的相關實驗研究，并取得了一定的成果[16-18]，趙海生等人研究了基于化學物質釋放的電離層閃爍抑制方法[16]；胡耀垓等人研究了不同釋放高度的化學物質對電離層的擾動特性[18]，較為系統全面地研究了化學物質釋放對空間電離層等子體電子密度的影響。經過研究者們的不斷深入研究，目前化學物質釋放在靜態和流場等離子體中技術均已趨向于成熟[19]。通過地面模擬空間等離子體裝置，可以探究不同組分、不同釋放量對電子密度的影響，從而達到恢復通信的目的。

1 探針理論模型

由于真實的空間飛行環境氣體壓強較大，因此，還需要進一步考慮氣壓環境對探針數據采集的影響。基于此，首先針對10～100 Pa進行探針測試采集實驗。通過計算發現在該等離子體環境下，離子和中性粒子碰撞的平均自由程為0.029～0.23 mm，遠小于鞘層厚度0.35～1.5 mm。因此，等離子體極易在鞘層內部發生碰撞，損失能量，無法到達探針電極端部而被收集，使得電子密度數據偏小。故而需要發展理論解算模型，對探針采集數據進行相關修正。首先從無碰撞等離子體雙探針公式出發[20-21]：

式中：Ii為探針的離子飽和流；As為探針的電極表面積；e為電子電荷量；ns為等離子體密度；cs為玻姆速度。在麥氏分布下，ns/n0=exp(-1/2)=0.6，其中n0為未擾動的等離子體電子密度。

在碰撞環境下通過流體模型、離子連續流方程、泊松方程和運動方程：

以及等離子體方程、邊界條件和鞘層參數，進一步解算出玻姆速度修正公式為

式(2)～(5)中：x為鞘層邊界區域和探針之間的距離；ni為離子密度；νi為離子速度；?為等離子體電勢；ne為電子密度；mi為離子重量；Fc為離子在鞘層中的拖曳力；ν0為修正后的離子玻姆速度；α=λD/λi，其中λD為德拜長度，λi為離子平均自由程。

最終可以得出雙平裝探針修正離子流表達式為

式中：c和b為碰撞環境下的修正因子；VD為兩探針之間的電壓差；Te為等離子體有效電子溫度。

朗繆爾柱探針的理論由于發展較早，目前已經趨于成熟，本文采用經典朗繆爾柱探針飽和電子流公式進行計算，即

式中：Ap為探針的表面積；me為電子質量。

微波截止探針是一種用于測量等離子體電子密度的儀器[22-23]。當寬頻微波信號傳播到等離子體中時，如果傳播頻率高于等離子體的截止頻率，信號將被吸收和反射，而低于截止頻率的信號將透過等離子體。因此，通過測量微波信號的功率變化，可以確定等離子體的電子密度。

圖1為微波截止探針的工作原理圖。探針使用特制的微帶天線向等離子體中發射寬頻電磁波，電磁波進入等離子體后被反射，再回到微帶天線被接收。通過分析射頻信號經過等離子體后的振幅變化，來判斷等離子體的截止頻率。對于不均勻等離子體，可以通過發射不同頻率的微波信號進而得出“微波天線”正前方不同區域(1，2，3，4，5)的各“點”電子密度參數，各“點”參數連成一起就成了“線”。在等離子體中，我們使用聚四氟覆蓋微帶天線防止等離子體轟擊天線表面而損壞天線。

圖1 微波截止探針工作原理圖Fig.1 Work principle of the microwave probe

微波截止探針的理論計算公式為

實驗中的矢量網絡儀可以測量和接收到不同頻率電磁波的強度，當我們在頻率振幅圖像上看到在某個頻率下等離子體的反射波振幅和在真空條件下相同時，此頻率即為截止頻率。

2 實驗裝置

本次實驗在我們自主建設的中科大空間等離子體實驗裝置(KSPEX)中進行[24-25]，如圖2所示。

圖2 KSPEX實驗裝置圖Fig.2 KSPEX experimental device setup

裝置的直徑為0.5 m，整體長度7.5 m。左側設有等離子體源，主要用于源區等離子體的產生。實驗中采用熱陰極等離子體，主要原理是對20根直徑0.2 mm、長度10 cm的鎢絲供給能量產生種子電子，然后進一步被70 V柵網偏壓加速撞擊中性氣體，產生雪崩效應，形成大面積、較高密度的等離子體實驗環境。本實驗中放電本底氣壓為10-4Pa 量級，放電氣體為純氬氣，氣壓為0.4～100 Pa，放電電流為3～8 A。診斷系統采用直徑0.2 mm、長度10 mm朗繆爾柱探針進行數據比對，雙平裝探針直徑為4 mm。探針電路置于屏蔽盒中，不僅精確度較高，而且可以很好地屏蔽電場和磁場的干擾。

化學物質釋放源區采用電感耦合等離子體(inductively coupled plasma, ICP)，由嵌入腔內的銅線圈、13.56 MHz的射頻功率源和自動匹配網絡三大部分組成。實驗中采用朗繆爾單探針(直徑0.2 mm，長度8.9 mm)進行數據采集。探針系統放置在二維可移動探針支架上，該支架由步進電機驅動。通過步進電機，單探針可以在z軸的50 mm到150 mm之間變化(150 mm為真空室的中心)，在真空室R軸的0 ～ 180 mm范圍內變化(0 mm為真空室中心)。實驗中的放電氣體為氬氣，采用質量流量計控制氣體通入量為100 ml/min，產生的氣體壓強為0.41 Pa，六氟化硫(SF6)氣體用另一個流量計控制通入量為10 ml/min，10%的比例是相對于氬氣通入量。

3 實驗結果和討論

3.1 雙平裝探針診斷比對實驗

實驗中裝置的本底真空壓強為10-4Pa，放電氣壓為0.4～100 Pa，對應碰撞頻率為440 kHz～3.96 MHz。實驗中腔體放電電流為3～8 A，對應的等離子體電子密度為1.01×1010～1.12×1011cm-3，雙平裝探針和朗繆爾柱探針的三角波掃描偏壓范圍為-35

圖3為固定等離子體放電氣壓50 Pa不變，通過改變等離子體電子密度進行探針數據采集比對實驗結果。圖中黑色實心正方形為雙平裝探針離子流公式(6)修正后的數據(ni1DFP)，紅色實心圓形為朗繆爾柱探針電子流公式(7)所測結果(neSP)，藍色實心三角形為雙平裝探針采用經典理論離子流公式(1)計算所得數據(niDFP)。首先，每組數據 6個周期，每個周期276個數據點進行平均計算電子密度，然后得到相對平方差。從圖3可以清晰地看出雙平裝探針采用經典理論公式處理結果與其他探針相差甚大，這是由于隨著放電氣體壓強的升高，等離子體很容易在鞘層中發生碰撞導致能量損失，無法到達探針電極而被采集得到，從而過低地估計了等離子體中的電子密度。通過理論修正后的雙平裝探針與朗繆爾柱探針所得結果不僅趨勢一致，并且誤差(<17%)也在可以接受的范圍內。這些結果都充分證明了雙平裝探針和理論計算模型的可靠性和有效性。

圖3 不同壓強環境下的數據比對實驗Fig.3 Data comparison experiments under different pressure environments

3.2 微波探針測試實驗

在完成平裝探針的數據采集和比對實驗后，我們又進一步在相同等離子體實驗環境下對微波截止探針進行數據采集實驗。實驗中微波截止探針向外發射寬頻帶的微波信號，當微波信號頻率小于或等于等離子體電子密度對應的頻率時，信號會發生截止抬升。理論和實驗上來看截止信號會上升到與原始信號相同的高度。探針后端采用矢量網絡分析儀S11通道來進行數據的采集和接收。

從圖4可以清晰地看出，當入射微波信號的頻率小于等離子體電子密度頻率時，信號發生了明顯的“截止”。通過截止點的頻率，可以很容易得出等離子體的電子密度。為了進一步確定截止點距離微波截止探針所在的位置，我們又進一步采用矢量網絡分析儀的時間門技術，通過微波信號到達截止點的時間反演出被測點距離探針表面的距離。

圖4 固定放電功率下微波天線數據圖Fig.4 Microwave antenna data diagram with fixed discharge frequency

圖5矢量網絡分析儀得到的峰值距參考峰值為2.25 cm。可以認為，在天線表面2.25 cm處有足夠高密度的等離子體把天線的信號截止。這些數據說明復合探針不僅可以有效探測探針所在位置的等離子體電子密度參數信息，還可以得出距離天線表面“線”上密度的參數信息，從而形成由“點”到“線”的全面探測。

圖5 固定放電功率下時間門數據圖Fig.5 Time gate data diagram with fixed discharge frequency

3.3 化學物質釋放實驗

化學物質釋放所得實驗結果如圖6所示，固定等離子體放電氣壓為0.4 Pa，整體ICP放電功率為300 W不變，改變不同z軸位置的情況下，探針測得等離子體電子飽和流的二維分布結果[26]。從圖6可以清晰地看出，化學物質釋放前，等離子體的電子密度范圍為6×109～9.7×1010cm-3；在徑向位置會經歷一個先增大后減小的過程，即在距離中心50 mm的位置等離子體電子密度達到最高而后降低。通過10%的SF6釋放后，腔體內不同區域的等離子體電子密度雖然趨勢與之前相同但總體均有明顯下降，從6.6×1010cm-3下降到3×109cm-3，相對于化學物質釋放前下降了約32%。這是由于在等離子體放電成功后，腔體中會含有高密度的電子和離子，SF6釋放后會發生化學反應進而吸附等離子體中的電子，如下所示：

圖6 釋放前后電子密度演化圖[26]Fig.6 Evolution of electron density before and after release[26]

通過以上的反應方程式和反應速率可以看出，親電子物質釋放可以有效地降低等離子體區域的電子密度。

4 結 論

本文針對高溫流場等離子體環境發展了新型靜電-微波復合式探針就位探測技術和親電子物質釋放主動干預研究。首先針對高溫燒蝕難點，發展新型探針技術，有效地將平裝探針和微波截止探針優勢充分結合起來，形成由“點”到“線”的全面探測；其次，針對強碰撞等離子體實驗環境發展探針理論修正模型，所得結果與其他探測設備比對具有很好的一致性；最后，通過釋放親電子物質有效地降低了電子密度。本文為黑障鞘套區域的實時診斷難點和通信恢復提供了有效的技術手段，最終服務于國家航天航空部門。