劉 超 王世金 關(guān)燚炳 朱光武 史建魁

（1.中國科學院空間科學與應(yīng)用研究中心，北京100190；2.中國科學院大學，北京100049）

引 言

朗繆爾探針技術(shù)是通過就位測量空間等離子體，獲得伏安（I－V）特性曲線反演得到電子密度、離子密度、電子溫度等特性參數(shù)。從1946年首次被用于空間等離子體探測以來，經(jīng)過不斷的試驗探索和技術(shù)改進，已經(jīng)成為空間等離子體就位探測的一項重要手段。朗繆爾探針已廣泛應(yīng)用在國外的各種航天器，如歐空局 ROSETTA 衛(wèi)星［1］、法國 DEMETER衛(wèi)星［2］、美國 DMSP衛(wèi)星、瑞典 ASTRID－2衛(wèi)星［3］、國際合作 CASSINI衛(wèi)星、歐空局 PROBA－2衛(wèi)星［4］以及挪威的ICI－1探空火箭［5］等。但是，目前國內(nèi)對于電離層的探測研究多為雷達探測［6－7］，而空間就位探測技術(shù)領(lǐng)域仍是空白，子午工程探空火箭朗繆爾探針是該就位探測技術(shù)在我國的首次應(yīng)用，實現(xiàn)對我國低緯地區(qū)低高度電離層等離子體的就位探測。

子午工程是國家重大基礎(chǔ)科學項目——東半球空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測子午鏈的簡稱。探空火箭是子午工程空間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的重要任務(wù)之一，其試驗的成功將為我國自主監(jiān)測短時空間環(huán)境、保障空間活動安全發(fā)揮重要作用。

子午工程探空火箭朗繆爾探針探測目標是獲取我國低緯電離層（70～200km）的電離層精細結(jié)構(gòu)剖面，重點研究D層及各層間過渡區(qū)域的精細結(jié)構(gòu)以及電離層突發(fā)E層（Es層）的精細結(jié)構(gòu)，彌補電離層垂直探測的某些不足。

儀器性能指標如下：

◇ 電子密度測量范圍：5×102～5×106cm－3

◇ 離子密度測量范圍：5×102～5×106cm－3

◇ 電子溫度：500～3 000K

◇ 相對測量精度：優(yōu)于10%

探空火箭載荷朗繆爾探針采用了掃描電壓和固定偏壓的兩種工作模式。在掃描電壓模式下，得到的電離層物理參數(shù)達到優(yōu)于2.5km的空間分辨率。在固定偏壓模式下，獲得的電離層物理參數(shù)空間分辨率優(yōu)于6m.

1 朗繆爾探針儀器設(shè)計

1.1 基本原理［8］

朗繆爾探針的基本原理是將一根金屬電極（傳感器）伸入到等離子體中，在傳感器上加載偏壓，通過改變加載偏壓，測量隨偏壓變化的收集電流，獲得I－V特性關(guān)系曲線。通過對I－V特性關(guān)系曲線的分析，得到電離層等離子體的特性參數(shù)（溫度、密度）。

圖1是理想狀態(tài)下朗繆爾探針的I－V特性曲線。當加載負電壓時，探針傳感器收集離子，排斥電子，形成離子電流（Ii）占主導的離子飽和區(qū)。相反，加載正電壓時，探針傳感器收集電子，排斥離子，形成電子電流（Ie）占主導的電子飽和區(qū)。在二者之間的過渡區(qū)，探針傳感器收集電流隨電壓的變化具有指數(shù)函數(shù)的關(guān)系，形成阻滯區(qū)。

圖1 朗繆探針理想I－V曲線示意圖

1.2 傳感器設(shè)計

標準的朗繆爾探針傳感器有平板型、圓柱型和圓球型三種，子午工程探空火箭朗繆爾探針采用了圓球型傳感器。圓球型傳感器相比其他兩種傳感器具有更理想的結(jié)構(gòu)模型，不受邊緣效應(yīng)的影響，具有各向同性的周圍電場分布，受磁場的影響小，受背景等離子體的擾動小等優(yōu)點。

該傳感器采用金屬構(gòu)件加表面鍍膜的設(shè)計，其中傳感器的基材是金屬鈦，然后采用高溫氮化的方法在其表面形成氮化鈦（TiN）鍍層。鈦金屬具有良好的導電性，具有高強度、高韌性、高硬度等特性。TiN鍍層具有很好的化學穩(wěn)定性，能夠抵御惡劣空間環(huán)境的侵蝕氧化，有較高的表面均一功函數(shù)。

該傳感器設(shè)計為兩只球形傳感器，分別是傳感器1（EP1）和傳感器2（EP2），直徑均為40mm.每一只傳感器均由上下半球組成，上下半球相互絕緣，上半球為傳感器電流收集電極，下半球為傳感器保護電極，如圖2（a）所示。EP1上下半球加載相同的掃描電壓，EP2上下半球加載相同的固定偏壓。該設(shè)計保證了傳感器理想的球形結(jié)構(gòu)，使其在電離層等離子體環(huán)境中就位探測的實際響應(yīng)與理想結(jié)構(gòu)模型保持一致。

圖2（b）中朗繆爾探針傳感器安裝在伸桿頂端，作為一體結(jié)構(gòu)安裝在火箭整流罩內(nèi)?；鸺l(fā)射前，伸桿在整流罩內(nèi)處于收攏狀態(tài)?；鸺l(fā)射拋罩后，朗繆爾探針傳感器隨伸桿水平展開，開始飛行探測。

圖2 傳感器

1.3 工作模式

1.3.1 探針電子學設(shè)計

朗繆爾探針電子學由掃描電壓加載單元、固定電壓加載單元、弱電流信號線性測量單元和數(shù)據(jù)采集控制單元組成，如圖3所示。掃描電壓加載單元是采用12位數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）器件輸出幅值－2.0V到＋4.0V范圍的掃描電壓，該掃描電壓同時加載在EP1的上下半球。固定電壓加載單元采用運算放大器組成偏壓電路，加載在EP2的上下半球。弱電流信號線性測量單元采用微小漏電流、低溫漂運算放大器件和多路選通器件組成線性增益可調(diào)的弱電流測量電路。線性增益可調(diào)是由數(shù)據(jù)采集控制單元實時判讀采樣數(shù)據(jù)，根據(jù)已設(shè)定閾值選擇相應(yīng)的放大增益來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集控制單元包括控制模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）器件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制DAC器件的輸出、數(shù)據(jù)存儲和發(fā)送等功能等。

圖3 電子學設(shè)計框圖

1.3.2 EP1工作模式

EP1的任務(wù)是探測電離層電子密度和電子溫度參數(shù)，其工作模式是固定偏壓和掃描電壓相結(jié)合模式。工作周期為1.5s，如圖4所示。其中Ⅰ階段保持加載電壓＋4.0V，時長1s.Ⅱ階段為掃描電壓下降段，時長0.25s，幅值由＋4.0V到－2.0V，其中包含有38個等時間間隔的掃描電壓階梯。Ⅲ階段為掃描電壓上升段，時長0.25s，幅值由－2.0V到＋4.0V，Ⅱ階段和Ⅲ階段的掃描電壓階梯為對稱分布。

圖4 EP1的掃描電壓

EP1在一個掃描周期內(nèi)，每一個掃描電壓階梯都采集一次傳感器收集電流，從而獲得一條I－V特性曲線，反演得到一組電離層特性參數(shù)。根據(jù)時長1.5s的循環(huán)周期和火箭實際飛行速度最大為1.6km/s，實測了空間分辨率達到優(yōu)于2.5km 的精度。

1.3.3 EP2工作模式

EP2的任務(wù)是探測電離層等離子體離子密度，其工作模式為固定偏壓模式。即EP2保持加載電壓－2.6V，每3.7ms采集一次傳感器收集電流，得到連續(xù)的隨高度變化的離子密度。依據(jù)火箭實際飛行速度，離子密度的探測結(jié)果達到優(yōu)于6m的空間分辨率。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 實驗室測試結(jié)果

朗繆爾探針不是直接測量電離層物理參數(shù)的儀器，其實際測量的是傳感器收集電流，然后通過采集的I－V特性關(guān)系曲線，反演出電離層等離子體的特性參數(shù)。因此，其電流測量的能力決定了儀器的飛行測量能力，在實驗室條件下可利用標準負載進行測定。

2.1.1 標準電阻標定測試

朗繆爾探針電流測量采用了線性增益可調(diào)微電流測量電路［9］，如圖5所示。將已知的掃描電壓Vs加載在標準電阻Rf上，形成一系列標準輸入電流Iin.該電流的測量是通過反饋電阻（Ra1，Ra2，Ra3）將電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號Vout進行測量輸出。由于朗繆爾探針的測量動態(tài)范圍（100ρA～480μA）較寬，電流的測量將通過選擇三個不同的量程來實現(xiàn)。

圖5 線性增益可調(diào)微電流測量電路

朗繆爾探針標準電阻測試的目的，就是測定每個量程輸出電壓Vout和輸入電流Iin的對應(yīng)關(guān)系。由于本測量電路采用線性放大電路，Vout和Iin滿足如下關(guān)系式：

式中：Iin＝Vs/Rf；aj為增益系數(shù)；bj為零點漂移；j＝1，2，3分別代表三個不同的量程。

試驗中取三個不同阻值的標準負載電阻Rf，分別測量低、中、高三個增益量程的增益系數(shù)和零點漂移。三個電阻的阻值經(jīng)精確測定分別為99.68kΩ，10.01MΩ和201.4MΩ。通過圖5測量電路，測得EP1和EP2的增益系數(shù)和零點漂移，詳見表1和表2.

表1 EP1的增益系數(shù)和零點漂移

表2 EP2的增益系數(shù)和零點漂移

2.1.2 二極管測試［10］

朗繆爾探針的性能模擬測試可通過一個簡易的二極管－電阻電路，模擬產(chǎn)生I－V特性曲線。通過該模擬測試的二極管的I－V特性曲線可推導出大氣環(huán)境溫度，其數(shù)據(jù)推導原理［11］等同于通過飛行測試數(shù)據(jù)推導出等離子體電子溫度。

圖6是在實驗室條件下測得的二極管模擬I－V特性曲線（半對數(shù)坐標）以及獲得的模擬電子溫度（298.4K＝25.25℃）。在試驗過程中的實際大氣環(huán)境溫度為25.5℃（溫度計測量值）?？紤]測量誤差及環(huán)境溫度變化，可見該朗繆爾探針通過測得探測目標的I－V特性曲線，可準確獲得精確的電子溫度。

朗繆爾探針的地面系統(tǒng)標定測試是通過一個等離子體模擬系統(tǒng)，模擬生成空間電離層等離子體環(huán)境，朗繆爾探針放置在該等離子體環(huán)境中測量其等離子體的各項參數(shù)［12］。國際上，意大利國家天體物理研究院行星際物理研究所（INAF－IFSI）擁有先進的低能等離子體模擬實驗設(shè)備。通過國際合作平臺，子午工程載荷朗繆爾探針利用該等離子體模擬實驗設(shè)備進行了各項標定測試。

INAF－IFSI等離子體模擬實驗設(shè)備，生成等離子體的主要參數(shù)如表3所示。

表3 測試環(huán)境等離子體的主要參數(shù)

具體測試進行了包括單機的功能測試、對等離子體環(huán)境變化的響應(yīng)、傳感器表面污染及去污染方法測試［13］、傳感器安裝角度對探測數(shù)據(jù)的影響以及磁場變化對探測數(shù)據(jù)的影響［14］等。通過上述各項測試，朗繆爾探針獲得了大量的試驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的分析結(jié)果與意大利等離子體模擬實驗設(shè)備生成的等離子體參數(shù)進行比對，具有很好的一致性。通過地面系統(tǒng)標定測試驗證了朗繆爾探針的功能設(shè)計和性能指標。

2.2 飛行探測結(jié)果

子午工程探空火箭于2011年5月7日7時在海南（東經(jīng)109°，北緯19.5°）成功發(fā)射?；鸺w行至高度65千米處，朗繆爾探針伸桿機構(gòu)解鎖展開，朗繆爾探針開始探測。整個飛行過程中，朗繆爾探針工作正常，獲得了有效科學數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對電離層D層、E層和部分F層的就位探測。

朗繆爾探針飛行探測獲得有效數(shù)據(jù)約1.61 MB.圖7是EP1在高度103km處實測數(shù)據(jù)的I－V曲線，其電離層參數(shù)反演結(jié)果：相對于火箭地的空間等離子體電位Vp＝1.051V，火箭懸浮電位Vf＝0.833 9V，電子溫度Te＝1 038K，電子密度Ne＝1.252e＋010m－3.

圖7 飛行高度103km處實測I－V特性曲線

圖8為EP2飛行探測獲得的70～200km高度的離子密度剖面。由于70km以上朗繆爾探針才開始有效探測，因此圖中70km以下部分數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)。

從圖8中可以看出，由于火箭飛行軌跡的影響，火箭上升段和下降段探測結(jié)果并不完全相同，但基本一致。且二者與國際電離層模型（IRI－2007）數(shù)據(jù)以及海南地面數(shù)字測高儀（DPS4）同步實測數(shù)據(jù)比對基本一致。圖8中火箭上升段和下降段離子密度剖面均可以清楚分辨出電離層E區(qū)，以及E區(qū)與F區(qū)之間的過度槽區(qū)。其中電離層E區(qū)，火箭上升段約100km和107km，下降段約101km和108km處測量到離子密度增大，同時EP1測量到相同高度的電子密度增大，綜合分析該高度等離子體密度出現(xiàn)增大現(xiàn)象，初步判斷為Es層。

在火箭上升段和下降段，100km以下測量結(jié)果二者差別較大，該區(qū)域的探測結(jié)果有待進一步分析。另外，飛行試驗中由于火箭外表面導電面積有限，造成朗繆爾探針傳感器表面積與火箭外表面導電面積比不足，其影響到電子密度、電子溫度的探測精度。有關(guān)子午工程探空火箭的電離層就位探測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，將另文發(fā)表。

3 結(jié) 論

子午工程探空火箭電離層就位探測載荷朗繆爾探針是該探測技術(shù)在我國空間探測領(lǐng)域的首次飛行試驗，獲得了海南（東經(jīng)109°，北緯19.5°）附近區(qū)域的電離層等離子體電子溫度、電子密度、離子密度等物理信息。通過朗繆爾探針電離層就位探測技術(shù)研究，自主研發(fā)了我國箭載朗繆爾探針儀器。并將在我國后續(xù)探空火箭系列任務(wù)中進行200km以上更高高度的空間電離層垂直探測，獲得較為完整的電離層密度剖面。

子午工程探空火箭電離層載荷朗繆爾探針填補了我國在就位探測領(lǐng)域的空白，其研制過程中的科學功能測試、性能標定測試、環(huán)境模擬測試、整箭集成測試以及飛行測試等均為朗繆爾探針探測技術(shù)改進和創(chuàng)新打下了堅實的基礎(chǔ)。朗繆爾探針就位探測載荷研制成功，對于增強空間探測能力具有重要的意義，該載荷將應(yīng)用在我國首顆空間環(huán)境電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星上，完成在軌探測500km高度全球范圍空間電離層的科學任務(wù)。

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