[發明專利]適用于朗繆爾探針的非線性微電流采集裝置及方法

有效

• 申請號: 202110098260.7
• 申請日: 2021-01-25
• 公開（公告）號: CN112858769B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 杜清府;王進;郭懷龍;張清和;李建泉;邢贊陽
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01R19/25
• 分類號: G01R19/25;H05H1/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 黃海麗

本發明公開了適用于朗繆爾探針的非線性微電流采集裝置及方法，包括：若干個并列的朗繆爾探針；每個朗繆爾探針的第一端布設在電離層的等離子體中；每個朗繆爾探針的第二端均與非線性采集放大電路連接；非線性采集放大電路還與掃描電壓加載電路的輸出端連接；掃描電壓加載電路的輸入端還與微控制單元連接；非線性采集放大電路還與低通濾波電路的輸入端連接；低通濾波電路的輸出端與微控制單元MCU連接；微控制單元MCU與衛星中心機通訊接口連接。

技術領域

本申請涉及電離層等離子體診斷技術領域，特別是涉及適用于朗繆爾探針的非線性微電流采集裝置及方法。

背景技術

本部分的陳述僅僅是提到了與本申請相關的背景技術，并不必然構成現有技術。

隨著海拔高度的增加，大氣層逐漸變得稀薄，氣體分子受到極端紫外線輻射發生部分電離，形成等離子體態的電離層。由于太陽輻射強度的不同和其他多種環境因素的影響，電離層中的等離子體呈現出空間尺度的不規則形態和時間尺度的物理特性變化。電離層中的等離子體云在空間尺度上的變化范圍大約從數米到數千米。等離子體云的尺度變化和等離子體物理參數的變化反應了空間天氣的變化，而空間天氣的變化對現代社會的生產生活具有重大意義；另外電離層影響著衛星對地無線電波通訊；因此，對電離層中等離子體的研究具有重要意義。

朗繆爾探針，作為一種浸入式等離子體診斷方法，因其具有設計簡單，結果可靠等優點被廣泛應用于等離子體參數診斷中。朗繆爾探針理論以1926年 Moth-Smith和Langmuir提出的軌道運動限制(Orbital-Motion-Limited)理論為支撐，被廣泛應用于實驗室等離子體和空間等離子體診斷中。OML理論詳細闡述了圍繞在圓柱型和球型探針周圍的電子和離子的無碰撞運動軌跡。朗繆爾探針也作為空間等離子體診斷的主要載荷成功應用于多顆探測衛星中，尤其在微小衛星上取得了較好的成果。挪威奧斯陸大學研制的多朗繆爾探針系統 (m-NLP)搭載挪威第一顆科學探測衛星NorSat-1于2017年發射成功，該系統工作在距地600KM的近地軌道，可以實現至多1kHz的電流采樣；在歐盟主導的 QB50國際合作項目中，奧斯陸大學研制的m-NLP改進版搭載EX-Alta 1和 Hoopoe立方星工作在380KM的更低軌道，這套改進版系統以至多255Hz的采樣頻率可以實現1nA-2.2μA的微電流采集。在空間等離子體探測方面，國內的發展相對起步較晚，但近些年取得了一些喜人的成果。由我國自主研制的科研試驗衛星“張衡一號”于2018年2月2日搭載長征二號丁運載火箭成功升空，作為張衡一號衛星有效載荷之一的朗繆爾探針系統可以實現5×10⁸-1×10¹³m^-3范圍的電子密度測量，但是由于張衡一號衛星不屬于微小衛星行列，探針表面積較大，采集電流較大，因此此采集系統不適用于微小衛星朗繆爾探針系統；另外臺灣地區“中央大學”團隊綜合了平面朗繆爾探針(PLP)，緩速電勢分析儀(RPA)離子漂移儀(IDM)和離子阱(IT)于一套檢測系統，整個系統可以實現對電子密度和溫度，離子密度和溫度以及離子漂移速度的測量，整套系統取得了較好的成果。朗繆爾探針系統也可以搭載探空火箭對電離層垂直結構進行探測。在國內，由中科院團隊研制，搭載子午工程探空火箭的朗繆爾探針系統對我國低緯度電離層垂直高度精細結構的探測做出了突出貢獻。

隨著微小衛星發射計劃與日俱增，適用于微小衛星的載荷缺口較大。研制適用于微小衛星的等離子體探測系統能用于電離層等離子體高空間分辨率采樣，為電離層科學研究、空間天氣的預報提供科學數據，滿足日益增長的微小衛星發射需求。

發明內容

為了解決現有技術的不足，本申請提供了適用于朗繆爾探針的非線性微電流采集裝置及方法；

第一方面，本申請提供了適用于朗繆爾探針的非線性微電流采集裝置；

適用于朗繆爾探針的非線性微電流采集裝置，包括：

若干個并列的朗繆爾探針；

每個朗繆爾探針的第一端布設在電離層的等離子體中；