潘德賢，蔣 剛，王國林，馬昊軍，劉麗萍，羅 杰

（1.四川大學原子與分子物理研究所，成都 610065；2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000）

靜電探針在高頻等離子體風洞中的應用

潘德賢1，2，蔣 剛1，王國林2，馬昊軍2，劉麗萍2，羅 杰1，2

（1.四川大學原子與分子物理研究所，成都 610065；2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000）

為了在高頻等離子體風洞上開展高超聲速飛行器等離子體鞘層的電磁特性研究，研制了一套適用于高頻等離子體風洞測試環(huán)境的靜電探針診斷系統(tǒng)，這是國內(nèi)第一次采用靜電探針對高頻等離子體風洞的流場參數(shù)進行診斷。該系統(tǒng)具有偏置電壓可調(diào)、抗干擾能力強、探針性能穩(wěn)定、高速數(shù)據(jù)采集等特點。采用該系統(tǒng)對高頻等離子體風洞在不同運行功率、不同氣體流量下流場核心區(qū)域的電子數(shù)密度進行了診斷，對相同運行功率和相同流量條件下流場電子數(shù)密度沿射流徑向的分布進行了測試，并研究了電子數(shù)密度隨高頻等離子體風洞運行功率和氣體流量的變化規(guī)律。并將診斷結果與網(wǎng)絡分析儀微波測量法的數(shù)據(jù)進行了比對。結果表明，該系統(tǒng)可以很好地滿足風洞流場參數(shù)的診斷，能夠為風洞流場數(shù)值建模以及等離子體鞘層電磁特性研究提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

靜電探針；高頻等離子體風洞；電子密度；流場診斷；電磁特性

0 引 言

在高超聲速飛行條件下，飛行器周圍高溫氣體產(chǎn)生了強烈的振動、離解和電離，形成了等離子體鞘層［1］。各種測試、控制、導航、通信電磁信號穿過等離子體鞘層時，由于電子振蕩，電子通過與等離子體鞘層中的背景粒子碰撞，將動能傳給背景粒子，這樣就造成入射電磁波自身能量的衰減；另外，電磁波在等離子體鞘層中會產(chǎn)生法拉第旋轉(zhuǎn)，從而造成極化失真。正是由于電磁信號的衰減和失真，從而引起飛行器與外界的通信中斷，即“黑障”問題。因此開展等離子體鞘層電磁特性研究，對軍事和民用空間通訊都具有重要的現(xiàn)實意義。

由于德拜長度與振蕩頻率是等離子體集體行為的兩個關鍵特征參量，而德拜長度與振蕩頻率又是通過電子數(shù)密度與電子溫度表征的。所以電子數(shù)密度和電子溫度這兩個等離子體射流參數(shù)的診斷，是開展等離子體鞘層電磁特性研究的基礎。

對于等離子體射流參數(shù)的診斷，采用靜電探針法是一種經(jīng)濟可行的途徑。在歐美一些傳統(tǒng)的航天強國，采用靜電探針法對等離子體射流參數(shù)的診斷工作開展得比較充分。早在1965年，SAMIR和WILLMORE就對太空運行衛(wèi)星的探針性能進行了研究［2］；1996年，HARALD和MONIKA對高焓等離子體射流靜電探針特性進行了研究［3］；2001年，MENART等人對高速等離子體射流的靜電探針診斷工作進行了研究［4］。這些研究為靜電探針在航空航天等離子體診斷工作中的運用積累了寶貴的數(shù)據(jù)。在國內(nèi)，曹金祥、張嘉祥等在電弧風洞上用靜電探針測量了電弧射流的等離子體參數(shù)［5-6］，但由于電弧射流中存在金屬銅離子以及其他電極粉末污染，使得射流參數(shù)診斷結果存在較大誤差，并且由于這種重金屬污染，電弧風洞并不適合用于高超聲速飛行器等離子體鞘層電磁特性的研究工作。高頻等離子體風洞采用感應加熱的方式產(chǎn)生感應耦合等離子體（Inductive Coupled Plasma，ICP），能夠提供純凈的、長時間穩(wěn)定運行的高焓等離子體射流，并且能夠快速地進行飛行器軌道模擬，是開展高超聲速飛行器等離子體鞘層電磁特性研究的理想設備。由于高頻等離子體風洞設備在國內(nèi)的唯一性，其風洞流場等離子體參數(shù)的診斷工作并未曾開展，本文第一次開展這方面的工作。

在高超聲速飛行器等離子體鞘層電磁特性的研究工作中，風洞流場的電子數(shù)密度、電子溫度及其空間分布是最重要的影響參數(shù)。針對這些風洞流場關鍵參數(shù)的診斷，基于高頻等離子體風洞，本文設計一套朗繆爾靜電探針診斷系統(tǒng)，對高頻等離子體風洞不同運行功率、不同氣體流量條件下射流核心區(qū)域的電子數(shù)密度和電子溫度進行測試，研究電子數(shù)密度和電子溫度隨風洞運行參數(shù)的變化規(guī)律。

1 靜電探針系統(tǒng)

根據(jù)朗繆爾探針原理，研制了一套靜電探針系統(tǒng)，主要由電源系統(tǒng)，探針和采集系統(tǒng)三部分組成［7］。在該系統(tǒng)中，采用波形信號發(fā)生器輸出鋸齒波形作為探針的掃描電源，掃描電源經(jīng)功率放大電路之后，加載到探針的最大電壓可達200V，并且掃描頻率和幅值連續(xù)可調(diào)，試驗時，可根據(jù)風洞的運行狀態(tài)選擇相應的探針掃描頻率和偏置電壓。針對特殊的現(xiàn)場環(huán)境，設計了專門的抗干擾電路，這些電路滿足電磁兼容的要求。由于風洞現(xiàn)場強大的高頻電磁干擾，并且等離子體懸浮電位會出現(xiàn)高頻振蕩，在該電源系統(tǒng)中，通過在輸入端與輸出端分別設置抗干擾濾波電路，并通過多次對電路參數(shù)進行調(diào)試，使系統(tǒng)達到了一個理想的濾波參數(shù)。另一方面，在試驗廠房周圍遠離高頻電源的地方埋設接地網(wǎng)絡，系統(tǒng)采用多點就近接地。通過這些方法，使得電源系統(tǒng)在高頻環(huán)境下能夠穩(wěn)定可靠運行。

在探針設計方面，采用了功函數(shù)較大，熔點較高，濺射率較小的金屬鉬作為探針材料［2］。探針材料外面采用三氧化二鋁陶瓷燒結，工作端長度為15mm，探針結構圖與實物圖見圖1。鉬在高溫有氧條件下容易氧化，以至在使用過程中探針的微觀表面狀況會發(fā)生變化，由此引起探針的實際表面積改變。為了改善這一影響因素，使得探針吸收電子的表面積盡量一致，我們在每次探針采集試驗之后，都把探針取下來用細砂布仔細打磨，把氧化層研磨掉；另一方面，在探針完成3～4次采集試驗之后，及時更換新探針。

圖1 探針Fig.1 Langmuir probe

在探針數(shù)據(jù)的采集方面，為了高精度的記錄探針電流的變化，配備了高靈敏度的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，試驗數(shù)據(jù)可實時顯示記錄，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最大采樣頻率可達2MHz。

試驗時，探針安裝在風洞試驗段流場中的一套快速掃掠裝置上面，該掃掠運動裝置有前后和左右兩個運動軸，皆由伺服電機驅(qū)動，通過遠端人機控制界面，可以控制兩個運動軸向在風洞流場中的運動速度與位移，從而實現(xiàn)探針的定點測量。

2 試驗設備

高頻等離子體風洞能夠提供純凈的、長時間穩(wěn)定運行的高焓等離子體射流，是開展高超聲速飛行器等離子體鞘層電磁特性研究的理想設備。高頻等離子體風洞如圖2所示，氣體介質(zhì)通過旋向進氣裝置進入石英管，載有高頻電流的感應線圈纏繞在石英管上形成感應放電室，在石英管內(nèi)部產(chǎn)生交變的電磁場并產(chǎn)生次生電流，在歐姆加熱的作用下氣體被加熱至很高的溫度，通過噴管進入真空試驗段，從而形成等離子體射流。

圖2 高頻等離子體風洞示意圖Fig.2 High frequency plasma wind tunnel

該靜電探針診斷試驗在高頻等離子體風洞上完成，工作氣體為大氣，等離子體射流為亞聲速流。完成診斷工作的試驗狀態(tài)為：電源功率為30～300kW，氣體流量為10～40m3／h，運行壓力為2.5～20kPa，氣流總焓為10～32MJ／kg，駐點熱流為700～1800k W／m2，運行時間約為300s。試驗時，根據(jù)診斷的流場形狀以及試驗參數(shù)的要求而選擇相應的噴管形狀以及噴管出口尺寸，噴管形狀包括矩形噴管和圓形噴管。

在試驗前，靜電探針安裝在一個自動控制的快速掃掠裝置上面，最大掃掠速度為1m／s。當高頻等離子體風洞的等離子體射流建立起來，并達到動態(tài)穩(wěn)定之后，通過遠程的控制界面啟動快速掃掠裝置，從而使靜電探針以設定的速度快速定位于等離子體射流流場的試驗需求位置，完成靜電探針伏安特性的測試任務。通過多次試驗數(shù)據(jù)的疊加，可以得到等離子體射流的空間分布情況。試驗時流場中的探針如圖3所示。

圖3 流場中的探針Fig.3 Probe in the wind tunnel

3 數(shù)據(jù)處理

在對高超飛行器飛行環(huán)境的電磁特性進行研究時，飛行器周圍等離子體的頻率、電子數(shù)密度以及電子溫度等特征參數(shù)是影響飛行器通信控制與透波特性的關鍵因素，而其中最關鍵的參數(shù)是電子數(shù)密度和電子溫度。試驗中，根據(jù)高頻等離子體風洞不同的加熱功率，匹配相應的氣體流量，通過靜電探針測試系統(tǒng)，從而得出在一定的初始真空度（100Pa）情況下的等離子體特征參數(shù)值。

試驗時，根據(jù)探針原理，探針的偏置電壓是加載到探針和試驗段壁兩端的，而探針電流是從探針端的一個分壓電阻取出來的。通過高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實時采集記錄探針電壓的變化情況。在進行的各試驗狀態(tài)中，探針的分壓采樣電阻均為200Ω，采樣頻率為500k Hz，采樣方式為瞬態(tài)采集。

當風洞流場等離子體沒有建立起來時，分壓電阻并沒有電流流過，此時分壓電阻的電壓與探針的偏置電壓相等。一旦當流場等離子體建立起來并穩(wěn)定之后，流場中探針的電壓曲線如圖4所示。在圖4中，V1是探針的偏置電壓，V2是分壓電阻端的電壓，由于等離子體電流的產(chǎn)生，分壓電阻起到了分壓的作用。此時，同一時刻的V1和V2的差值除以分壓電阻R即為這一時刻探針的電流值，即：

圖4 分壓曲線圖Fig.4 Curves with probe current

根據(jù)測量的探針電流與探針電壓的值，可得到探針的伏安特征曲線，如圖5所示。對探針電流取對數(shù)之后的伏安特征曲線如圖6所示。

圖5 伏安特征曲線Fig.5 Curve ofI-Vcharacteristic

圖6 對數(shù)伏安特征曲線Fig.6 Curve of ln（I）-Vcharacteristic

對于圖6中的過渡區(qū)，探針電位低于等離子體空間電位，即V＜VP，這個區(qū)域的I-V曲線呈指數(shù)函數(shù)關系，當采用與探針電壓的半對數(shù)關系時，I-V曲線是一條直線，該直線的關系式如下：

式中：Ies為飽和電子流。從式中可見，ln I與V呈線性關系，其斜率為1／（k Te），因此從斜率可以獲得電子溫度。圖中電子溫度值為2.0361e V。

根據(jù)探針特征曲線，當探針電壓V大于等于等離子體空間電位VP時，即V≥VP，探針電流到達電子飽和電流；而當V＜VP時，探針電流按指數(shù)函數(shù)衰減。因此在特征曲線上的V＝VP處會出現(xiàn)一個拐點，此拐點對應的電壓值即為等離子體空間電位VP。在圖6中，通過畫出兩條曲線的斜率線的交點，即得到拐點［8-9］，VP＝11.4035V。

通過特征曲線，在飽和電子電流區(qū)，電子飽和電流Ies的表達式為：

由此可得電子密度ne為：

式中：A為暴露在等離子體中的探針面積。

另外，在圖5所示的探針特征曲線中，我們發(fā)現(xiàn)在飽和電子電流區(qū)，特征曲線趨于平緩，并沒有出現(xiàn)突躍現(xiàn)象，這表明探針沒有在流場中誘發(fā)周圍氣體的電離。所以在進行數(shù)據(jù)處理時，可以不用考慮高速氣流在探針表面滯止誘發(fā)氣體電離所產(chǎn)生的誤差因素。

4 結果分析

4.1 流場中心測量情況

在采用矩形噴管的情況下，噴管出口尺寸為250mm×50mm。根據(jù)高頻等離子體風洞不同的加熱功率，匹配相應的氣體流量，經(jīng)過多次試驗，測得距離噴管出口80mm處流場中心的等離子體參數(shù)。當保持初始真空度不變時，在不同氣體流量情況下，電源功率對應的電子數(shù)密度如圖7所示。

圖7 電子密度-功率特征曲線Fig.7 Curves of Ne-P characteristic

從試驗結果可以看出，在氣體流量相同的情況下，隨著加熱功率的提升，電子數(shù)密度也會增加。但是，在加熱功率相同的情況下，隨著流量的增加，電子數(shù)密度并不呈線性增加。這是因為一種電源加熱功率具有一種最佳的流量匹配狀態(tài)，如果沒有達到最佳匹配狀態(tài)，在功率相同的情況下增加氣體流量，此時電子數(shù)密度反而會降低。另外，通過試驗發(fā)現(xiàn)，如果真空機組每次預抽的真空度不一樣，那么試驗平衡時所達到的系統(tǒng)真空度也會不一樣，這也會對等離子體參數(shù)造成一定的影響。同樣狀態(tài)下，真空度高時則等離子體參數(shù)相對較高。而在電子溫度的測量上，由于電子溫度是由特征曲線斜率的倒數(shù)求取的，電子數(shù)密度較高時電子溫度值較小，但測量結果均處于一個量級，即1eV左右。

靜電探針診斷結果與相同試驗狀態(tài)下等離子體微波診斷系統(tǒng)的測試結果進行了對比。微波測試系統(tǒng)采用矢量網(wǎng)絡分析儀，測試一定頻率的電磁波穿過等離子體之后的幅值衰減和相位變化［10-11］，通過求解方程組［12］獲得測試路徑上等離子體的平均電子數(shù)密度和碰撞頻率。在用微波法診斷過程中，為了盡量獲得等離子體射流核心區(qū)域的電子數(shù)密度，相對于50mm的噴管出口寬度，我們設定測試路徑上等離子體的厚度為25mm。兩種測量方法的結果如表1所示。從表中可以看出，本文靜電探針的診斷結果雖然在數(shù)值上與微波診斷結果存在一定差異，但兩者量級相同。考慮到目前等離子體電子數(shù)密度各種診斷方法的局限性和誤差，可以認為本文的測試結果與微波測試結果一致。

需要注意的是，在每一種試驗狀態(tài)下，等離子體射流的分布厚度是不一樣的。在微波診斷方法中，相比于設定的等離子體厚度，實際的等離子體厚度要比這個值大，比如本次診斷試驗采用的矩形噴管出口尺寸為250mm×50mm，在進氣流量與加熱功率達到最佳匹配條件下，等離子體射流的厚度可達到45mm。當按具體的等離子體厚度來計算電子數(shù)密度時，由于微波法求取的是測試路徑上等離子體的平均電子數(shù)密度，所以其值要比采用探針法求取等離子體射流核心區(qū)域的電子數(shù)密度值偏小。

表1 探針測試結果與微波診斷結果的對比Table 1 The test results of Langmuir probe and microwave means

4.2 徑向分布測量情況

另外，通過試驗，對相同運行功率和相同流量條件下流場電子數(shù)密度沿射流徑向的分布進行了測試。在電源功率為65k W，空氣流量為10m3／h情況下，探針距離噴管出口為80mm時，采用出口直徑為120mm的圓形噴管對流場參數(shù)徑向分布的測試結果如圖8所示。從圖8中可以看出，圓形噴管的流場具有很好的對稱性，在流場的中軸線上，由于電離充分，電子數(shù)密度與電子溫度均具有最大值，沿著流場的徑向，電子數(shù)密度與電子溫度的值逐漸降低，在邊緣處趨于零。并且，電子數(shù)密度與電子溫度值的徑向分布區(qū)域比噴管的實際出口尺寸小，隨著進氣流量以及加熱功率等參數(shù)的不同，徑向區(qū)域分布尺寸將有不同的值。

圖8 徑向分布曲線Fig.8 Data distribution of radial field

在用不同的噴管進行探針試驗時，我們發(fā)現(xiàn)，噴管的出口形狀以及出口截面積都對等離子體參數(shù)的測試結果有影響。比如對于相等出口截面積的矩形噴管來說，扁長狀噴管的等離子體參數(shù)比方形噴管的等離子體參數(shù)較低。

5 結 論

在高頻等離子體風洞上，采用靜電探針完成了射流等離子體參數(shù)的診斷。通過診斷試驗，獲得了高頻等離子體風洞的等離子體參數(shù)數(shù)據(jù)，其結果與運用網(wǎng)絡矢量分析儀微波測量方法獲得的等離子體參數(shù)基本一致。這些數(shù)據(jù)的獲得，表明研制的靜電探針系統(tǒng)在高頻環(huán)境下能夠可靠穩(wěn)定運行，能夠很好地滿足高頻等離子體風洞等離子體參數(shù)的診斷工作。同時，這些數(shù)據(jù)結果將為風洞流場的數(shù)值模擬以及等離子體鞘層電磁特性研究提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

［1］樂嘉陵，曾學軍.再入物理［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

［2］Lochte-holtgreven W.Plasma diagnostics［M］.North-Holland publishing company，1968.

［3］Harald A Habiger，Monika Auweter-kurtz.Investigation of an high enthalpy air plasma flow with electrostatic probes［R］.AIAA 1997-2495.

［4］Menart J，Shang J.Development of a Langmuir probe for plasma diagnostic work in high speed flow［R］.AIAA 2001-2804.

［5］曹金祥，張嘉祥，趙紅波.多道掃描探針系統(tǒng)在電弧風洞中的應用［J］.宇航學報，1999，20（1）：83-87.Cao Jinxiang，Zhang Jiaxiang，Zhao Hongbo.Application of multiple scanning probe to ARC heated tunnel［J］.Journal of Astronautics，1999，20（1）：83-87.

［6］張傳寶，曹金祥，李俊峰.等離子體射流環(huán)境下對天線罩透波性能影響的研究［J］.中國科學技術大學學報，2002，32（1）：85-90.Zhang Chuanbao，Cao Jinxiang，Li Junfeng.Research of microwave transmission nature of 367 antenna cover under plasma effluxion［J］.Journal of University of Science an Technologe of China，2002，32（1）：85-90.

［7］項志遴，俞昌旋.高溫等離子體診斷技術［M］.上海：上海科學技術出版社，1982.

［8］葉超，寧兆元，江美福.低氣壓低溫等離子體診斷原理與技術［M］.北京：科學出版社，2010.

［9］Francis F Chen.Lecture notes on Langmuir probe diagnostics［M］.University of California，2003.

［10］于哲峰，馬平，張志成.微波在薄層等離子體中傳輸效應研究［J］.實驗流體力學，2013，27（3）：60-64. Yu Zhefeng，Ma Ping，Zhang Zhicheng.Research on microwave transmission in thin layer plasma［J］.Journal of experiments in Fluid Mechanics，2013，27（3）：60-64.

［11］馬平，曾學軍，石安華.電磁波在等離子體高溫氣體中傳輸特性實驗研究［J］.實驗流體力學，2010，24（5）：51-56.Ma Ping，Zeng Xuejun，Shi Anhua.Experimental investigation on electromagnetic wave transmission characteristic in the plasma high temperature gas［J］.Journal of experiments in Fluid Mechanics，2010，24（5）：51-56.

［12］Kamran Alhtar，John E Scharer.Plasma interferometry at high pressures［J］.Review of scientific instruments，2003，74（2）：996-1001.

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

（編輯：楊 娟）

2013-08-26；

：2014-01-05

PanDX，JiangG，WangGL，etal.ApplicationofLangmuirprobeinhighfrequencyplasmawindtunnel.JournalofExperimentsinFluid Mechanics，2014，28（3）：72-77.潘德賢，蔣 剛，王國林，等.靜電探針在高頻等離子體風洞中的應用.實驗流體力學，2014，28（3）：72-77.

潘德賢（1976-），男，貴州天柱人，工程師。研究方向：等離子體診斷技術研究。通信地址：中國空氣動力研究與發(fā)展中心（621000）。E-mail：pandexon＠163.com