Способы определения электрофизических параметров плазмы

Этот метод известен очень давно. Применяемые зонды – зонды Ленгмюра. Конструктивно эти зонды представляют собой один или более металлических электрода небольших размеров, на практике обычно применяют два. Это два проводника, имеющие подключенный к ним источник питания и источник измерения тока. Эти зонды размещаются в среде, которую нужно исследовать по электрофизическим параметрам.

Если по этой схеме напряжение, подводимое к зондам, менять, и регистрировать текущий между зондами ток, можно снять ВАХ.

Когда напряжение отрицательно, зондовый ток вызван тем, что на зонды попадают ионы в силу разности потенциалов. По мере роста напряжения питания зондов переходим к току электронному. Наблюдается резкий рост, затем наступает зона насыщения.

На графике можно выделить три участка.

Оказывается, что теория Ленгмюра об обработке вольт-амперной зондовой характеристики применима только для безстолкновительной плазмы. Если плазма столкновительная, то перейти от вида ВАХ к параметрам плазмы не удастся.

Поэтому решили использовать другую обработку ВАХ зондов – применяют теорию длинных линий (передачи). Из этой теории известно входное сопротивление длинной линии через её геометрию и параметры среды, в которой линия находится.

где	– длина зондов в исследуемой среде; D – расстояние между зондами; d – диаметр зондов; - проводимость среды.

Условие для R соблюдается, когда выполняются соотношения: D>>d, D<<l.

Для зондов нужно использовать проводящий, нагревостойкий материал, например, вольфрам. Так как в носовой части толщина плазмы – десятки сантиметров, а в донной – до метра, ясно, что зонды такой длины мы не можем использовать из-за аэродинамики. Поэтому на практике ограничиваются l=10 мм.

Чем меньше будет диаметр зонда, тем меньше будут нарушены аэродинамические условия полета. Диаметр ограничивается также нагревостойкостью и механической прочностью, поэтому минимальный d=1 мм. Кроме этого, чем больше диаметр зонда и глубина его погружения, тем больше механическое возмущение в плазме, из-за которого меняются её характеристики.

Зонды должны жёстко крепиться через отверстие в корпусе, при этом не иметь с ним электрический контакт. Т.е. должно быть основание диэлектрика, через которые крепятся зонды, например, теплозащита антенны, которая представляет собой вставку. По этой вставке зонды разносятся на максимальное расстояние, к примеру, D<3 см (при диаметре круглого волновода 3.5 см и частоте 10 ГГц).

Частый вид зондов – зонды проводимости.

Строго говоря, записанная формула неприменима, но ей все равно пользуются.

Для нашего случая картина искажается, возникает кольцевой торцевой эффект:

Как учесть конечную длину линии? Первый эксперимент проводят, используя длинную линию с D=35…40 см, с электролитом (близком по проводимости к плазме) с замером сопротивления. Затем нужно провести второй такой же эксперимент в той же среде, но с зондами реальных размеров, готовыми на установку на корпусе ЛА. Разница в измерениях и есть поправка, которую мы должны учитывать. Наиболее часто эта поправка К₁=1.4 (она разная для разных участков плазмы). Тогда для расчета проводимости перепишем формулу:

По мере изменения траектория конфигурация зондов меняется (из цилиндрических становятся остроконечными), а также их длина, поскольку они сгорают в плазме. Это тоже необходимо учитывать по той же методике (с электролитами), что даст поправку на изменение конфигурации.

Учет поправки на конфигурацию даст формулу:

Ток замыкается между зондами через плазму. При нагреве образуется пленка расплава – проводящая среда. Тогда ток может замыкаться не только через плазму, но и по расплаву. Нужна непрерывная экспериментальная поправка на расплав. Ее можно обеспечить прямо при измерениях – нужно иметь пару зондов, которые бы измеряли ток через расплав.