[发明专利]一种用于外场试验的便携式等离子体实验装置

说明书

本发明公开一种用于外场试验的便携式等离子体实验装置，包括平装探针或其它传感器(1)，机械泵浦(2)，便携式气压计(3)，等离子体发生装置(4)，高频电源(5)，和气源(6)；等离子体发生装置(4)一端设置有三通接口，其中三通接口的第一接口为探针端口(7)，三通接口的第二接口连接机械泵浦(2)，三通接口的第三接口连接便携式气压计(3)；等离子体发生装置(4)的另一端连接气源(6)；空心螺线管(11)缠绕在等离子体发生装置(4)的外表面上；高频电源(5)与空心螺线管(11)相连接。本发明装置尺寸较小，但构造巧妙，操作简单，等离子体分布区域满足探针测量，能够长时间稳态工作。

技术领域

本发明涉及一种等离子体发生装置领域，尤其涉及一种用于外场试验的便携式等离子体实验装置。

背景技术

当航天飞行器以极高的速度再入空间大气层时，会与稠密的高层大气发生摩擦和强大的挤压，飞行器表面的温度会激增至3000K以上，进而导致大气分子的电离，被电离的大气会在目标表面及其周围形成致密的等离子体。此外，由于目标本身防热材料会在高温环境下发生烧蚀电离，其周围的电子密度会大幅度上升，形成了包围在飞行器周围有一定厚度的等离子体，即所谓的“等离子体鞘套”。等离子体鞘套会直接影响飞行器的热传导、气动过程和无线电通讯等问题，鞘套的形成对目标信号的有效传输产生严重的威胁。

目前，国际军事强国在大力探索和发展解决等离子体鞘套的研究方案。但是由于缺乏有效等离子体诊断方法，导致我们对鞘套等离体参数的认知度很低。在没有进行空间在线诊断探测前，主要开展了相关的鞘套理论计算模型。但是随着研究的不断深入，人们发现理论计算模型和真实面临的等离子体鞘套问题存在较大差异。因此，国家未来航空航天事业的发展迫切需要真实的等离子体参数实验数据来进行校验。平装探针作为诊断等离子体的一种有效工具，已在稳定等离子体环境和复杂等离子体环境下进行了参数的诊断。

搭载实验成本高昂，在仪器安装完成后，需要提供一个真实的等离子体环境，对平装探针采集系统的安装和数据测量进行检查。等离子体标定装置涉及到真空获得系统、真空室、真空测量、等离子体放电等多种技术，一般体积庞大，不适合外场试验。虽然目前能够产生等离子体的装置有很多，但现有的等离子体发生装置应用在外场实验存在诸多困扰，主要体现在：

(1)装置的真空度

高密度等离子体的产生，一方面需要满足较高的真空度，因为装置的本底真空度影响激发等离子体的电离度和放电源的耦合效率，进而影响等离子体的电子密度。在同样的耦合功率情况下，粗真空情况下的电子密度范围要远远低于高真空的情况。因为本底真空中杂质存在双原子分子如N₂、O₂、CO₂等粒子，对应的电离能远远高于氩的电离子能(15.76eV)和氩原子的激发能(11.5eV)，并存在旋转振动等能级，同时存在的原子自由基还会与等离子体高能电子发生激发，复合，猝灭等复杂物理过程，进而消耗等离子体中的激发态带电粒子。因此会导致等离子体和放电源功率耦合效率降低。另一方面等离子体装置与载体探针所在位置的连接处真空密封存在难点，无法通过实验室环境下常用的密封结构进行有效密封。故在简化真空二三级泵浦系统的情况下，该连接处的密封环节是一个需要重点关注的地方，设计不仅要考虑到装置的便携性，同时也要考虑到不影响载体目标结构的安全。

(2)等离子体源的筛选