用微型电探针技术和φ800mm高温激波管中电子密度的标定技术相结合，获得了高温高速气 流中低电子密度的一种测量方法，可用于n_e≈1*10~9个/cm~3条件下电子密度的测量。该法有较好的空间分辨能力，且其探测灵敏度比常规的8mm微波干涉仪提高了两个数量级

周学华

李学芬

王尚勇

竺乃宜

陈松

Institute Of Mechanics,Chinese Academy of Sciences

第10卷 第2期 气 动 实 验 与 测 量 控 制 AERODYNAM IC EXPERIM ENT AND M EASUREM ENT ＆ CONTROL 低电子密度诊断技术研究 苎丑 ，半芬 学0 矗 中国科学院力学研究所 ，北京(邮政编码 1 00080) 王』 、 北京理 大学， 北京 (邮政编码 1 0008])  ^， 摘要 用微型电探针技术和 8o0mm高温潋战管中lu子密度的标定技术相结台，获 楫了高温高速气流中低电予密度的一种删量方沾，可用于 1×10’个／gIl’条件下电予 密度的测量 过种方法有较好曲空阅分辨能 力，且其探鲥灵敏度比常趣的 8ram 傲沾干涉 仪提高了两个数量级 关键词 激波管 电探针 高温气体 电子密度 测量 t — 一  c — ～ 一 — — ～ 一  一 1 I ， 1 1 引 言 ＼ J【、／ 』 、’ 。 ’随着航天飞机、 j 宙飞船等航天高技术的发展及战略武器突防反突防对抗技术的发 展，高速飞行器周围非平衡流场的研究越 来越受到人们的重视。再八飞行器的雷达特性 和电波传输特性强烈地依赖于流场中的电子密度分布，在许多复杂流场情况下，要求我 们研究的电子密度范围从1 0 个／CFE 直到10 个 ／cm 甚至更低，但是在高温高速非平衡 流场 中低电子密度的测量是一件十分困难的事情。人们通常所采用的毫米波段微波干涉 仪有较高的空间分辨能力和测量精度，但是其测量灵敏度不够，对电子密度测量的下限 一 般只能达到 lOtt个／cm。 厘米波段微波干涉仪和微波谐振腔技术虽然有更高的灵 敏度，但是却大大损失了空间分辨能力。 本文试图采用微型电探针技术m平n 6800ram大型高温激波管中电子密度 的标 定 技 术c： 相结合来克服逸一困难。 2 实验设备和工作原理 2．1 西800mm高温激波管 实验中使用不 锈钢 圆形直 激 波管 ，总长 20m，高压段长 1．6m， 1~ _223rnm， 低压及实验段内径 800ram，使用氢氧燃烧驱动，驱动n三力为 3N8 MPa，测量探针与膜 国家言熬科学甚盘，由围科学院基础埘和匡防 工委 研基盎资助项E a 1995年7月7日收稿． 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 2期 乃寅 等： 低电子宿度诊断技术研究 05 片问的距离约为 14m。实验段初始 ．~JJp =1．33~1 33Pa，激波马赫数 M 5～22。该 实验设备具有良好的重复性和实验气流的均匀件。 2．2 电探针工作原理 存静 l 稀薄等离子f1：中(自II1分子流或近 自f}1分子流条件下)，若探针l丰n对于等离子 体处于零偏压，刚FlL子与离-T-f,l~ 其热运动进度 探针击而沉积。这时探针单位表而所 得到的电子和离子收集流密度分别为“ j_=一扣呃 (1) ．= ÷" F ： (2) 4 其中电子的平均热运动速度 =(8 71 m ) ，离子的平均热运动速度 =(8^r厂， ．)j。 计探针电压不等于等离子体电j1i，则探针周围将形成 Dcbyc屏蔽鞘。若屏蔽鞘厚度^远远 小于探针半径 R， 4 拄形探针仍可按平板处 理。 当探针相对于等离子体具有负偏 压 时，即电压 <0， 这时正离子在探针周围形成屏蔽层，将把热运动能量小于 探针偏压电 场的那部分电子阻挡住，使它们无法达到探针 (在近似计算平均热运动速度时我们假设 电子和离子都具有同一温度71，且其热运动速度都琏从 Maxwel1分布) 由此收集到的电 子流和离子流将分别为： ，。= “ 。 (8) I = i (4) 当【，取足够大的负值时(实验室测定结果约为 < 一0伏)，， 《，．，探针总电流信号，≈I-， 且 趋于常数 ，即达到饱和离子流。 为探针的有效表面积 。 2．3 探针特性的标定方法 当等离子体的定向流动速度与其粒子的平均热运动速度达到同等量级以上时，在探 针迎风表而所接收到的带电粒子流就不再是简单的热沉积方式，而必须考虑集体定向运 动的影响。 当处于流动等离子体中的探针不满足 自由分子流条件时，探针周围可能形成 边界层，探针头部可能形成脱体激波，使得探针不能直接记录来流 中的电荷密度，这时 探针的理论将变得十分复杂。为了克服这一困难，本文设定一个半经验的探针特性系数 c，这时探针电流信号与等离子体中正离子密度的关系可用下列半经验公式来计算。 (。 ) c s 实验中首先用微波条纹干涉仪精确i侧最典型条件下 值，与电探针信号对比后，定Ⅲ每 一 只探针的特性系数 C，就可将探针用于其它相应条件下电子密度的测量。 实验采用了中心工作频率为，=g．073GHz的 3cm微波条纹千涉仪和中心工作频率 ／=33．63GHz(~J'8mm微波条纹干涉仪。在没有等离子体存在时静态干涉条纹之问的相 移 相差 2 当存在等离子体时， 测量支路的信号从等离子体中穿过 后将产生附加的 维普资讯 http://www.cqvip.com  26 气 动 安 验 与 测 量 控 制 相位移动，遮时干涉条纹 电就对应地发舡移动而弯曲。 离 于体折射苹变化gl起的车H位移动A 为 ：  " d (1996年)第1O卷 若等离子体厚度为Z，则由于等 其中 为电子的碰撞频率，。 为等离子体的特征频率， 。为微波工作频率。 不太高和电离度不太大时，即 。《∞ ，∞；《∞ 时，公式 (7)可以简化成： ( 一喾) 一 其中" 为微波的截止密度，这时公式 (6)可以写成 △机 = · t ． 戒 (6) 当中性密度 (8) (9) 1．184×10 2 (个，cm ) (1o) 因此， 从干涉条纹 上测量到丰日移量 △ ， 就 可以直接得到等离子体中对应的电子密度 ．值。 5 实验结果和讨论 首先我们利用 ~800rnm高温激波管中等离子体尺度大，均匀性好、参数变化范围宽 的优点，在P =1．33～133Pa，M =9～22．5范围的空气中，使用8mm$18cm微波条纹干 涉仪等手段对各种运行状态下正激波后的电子密度进行系统的测量，测量结果发现在同 一 激波马赫数下， ／ 接近于常数，且与理论计算结果 电是一致的 (见网 1)。这 一 半经验规律可以作为我 】对微型电探针进行标定的依据。 本项实验中选用 J 两种尺寸的圆柱形电探针，顺蔚气流方向放置，以减少迎风面气 流的影响；采用负偏压来收集饱和正离子流，提高探针信号的稳定性。I型探针 直径dI= 0．5rnm，长 L1=5rnm~ l1型探针：直径 d 2：2rnrn，长 L：=7．5turn。 实验参数 ： Pl= 26．7Pa，Ⅳ =7～9．9， 正激波后峰值电子密度 ‰=1．5×1 0。～2×10 个／cm 。波前分 子平均 自由路程： =1， 2 ·d · 1(～2×10I1ram) (11) 渡后分子平均 自 路程： z^=1／,／ 2 ·rf Debye屏蔽距离： 条 的  7 输 传 依 离 } 等 扎 匀 均 大 一 弧 。}_ 五 ～∞～． 磁 】¨，， 无 0： 渡 D 张 一 电 二一、 r●l2能 、厂 ”符 l+波 啦 D激 示 一 温 表 _=高 将 土m 1c至率m 件 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 2期 竺乃宜等 ： 低电子密度诊断技术研究 h：(hTI4．'r· ·F ) (～1×10～一3×10一 ram) (13) 由于d-> ，^d 》  ^；d。》 ，^d 》Z：，因此探针周围的流场必须视为连续流，应考虑边界 层和头激波的影响，采用半经验公式 (5)是必要的，逸时离子收集流仍可近似看作与探 针表面积成正比。 网2给出了初步的实验绪果，证明探锚．{ 母与探针表而而积近似成正比。不锈钢和 2J) ：2  ^： 0 8 ● 图 1 @8oomm鲤篮臂甲电于密匪 随p1和M‘的变化 2 ：也探针与3era礅波测量结果对比(pl=26．7Pa) 钨等不同探针材料的影响不大。随着 的增加即来流正激波后电子密度的增加，探针信 号在对数坐标上接近于直线关系 ，选与理论计算的电子密度随 ；变化规律(在一定的 范围内)是一致的。当经过3cm微波干涉仪测量的电子密度 ( -9．9附近)进行标定并给 出每一只探针的特性系数C以后(I型探针Ct 1，Ⅱ型探针C 0．74)，这类探针将可用 于接近 ”。 1×10 个／cm 条件下的低电子密度测量。不仅有比微波干涉仪更高的灵敏度 ， 阿-有较高的空间分辨能力，经济实用。 另外，更低电子密度条件下的测量，由于激波管实验值表现 出与理论计算值之间的 偏差有增大的趋势，我们认为应着重考虑和克服杂质对电离的影响。 一 一 维普资讯 http://www.cqvip.com 28 气 动 实 验 与 删 掩 制 参 考 文 献 (I998年)第tD卷 竺 乃 宜 ，李芝社 ．力 学报 特刊 ，I981，P252． 竺乃宣，李学芬．士学学： ，198 ，10(1)：g5 竺 乃宜 ．)]学学 投，I978-i 9∞)23i Heald M  A，W hart0n C B ． __lasma D Jagn0 s~ies w 1【_t 1 M left,wave s， J0hn W jley and Sons， New York．】965． HiIsenralh J H ，Klein M ．N．_B．S．AEDC．丁R -65-58．】995． Feldman S．Hyperse~ic Ga s Dynamic CharIs F。r Fquilib1．ium Air，AVCO RL 1957． 椎季平，何字r ，茬秉 讪．力学 ：Ij，I984，19f1)：B1 竺乃直，李学 ．力学学报，199】，13(5) 5 c7 STUDY 0F THE L0W  ELECTR0N DENSITY M EASUREM ENTS Zhu Naiyi Li Xuefen Zhou Xaehaa Chen Song fh拈fl“‘ of Mechanics，Chinese Academy ot Sciences) W ang Shangyong (Beiiing n d u 0 0f Technology) Abst ract This paper presents the low electron density measarenlents in high—temperatare flow field hy the u se of eleetrcn probe and demarcation teehn。logY in anS00tltm diameter high temperatu re shock tube．The capability' 0f jts tjme and sp。tial—resolution is fairly good． Their sensitivity is two orders higher than that of the ol"dinatY Bmm tliiero~raYc inte~ferometer， ≈1×10 ／cm’． Kev e1ectton high temperatu re gas 一 。 呲 眦 呲 _耋 叭 -耋 维普资讯 http://www.cqvip.com 

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