Зондовый метод исследования 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.

III	ионный ток насыщения	обработка этой ветви обычно не выполняется
II	электронный ток на зонд	по данным этого участка можно выйти на температуру и концентрацию электронов
I	электронный ток насыщения	можем определить температуру электронов

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.

 

 

15. Волноводный метод определения температурной зависимости и параметров диэлектриков.

 

В условиях полета достигнутые в нормальных, лабораторных условиях характеристики (диаграмма направленности, максимально высокий КПД, минимальный коэффициент отражения) могут сильно меняться. Антенная вставка, выполненная из пластика (диэлектрика), меняет электрические характеристики, поэтому все расчетные параметры антенны оказываются нарушенными. Поэтому для оценки изменения надо знать относительную диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь . Теория поляризации диэлектриков не умеет рассчитывать эти характеристики при изменении давления, влажности и тем более температуры. Так как теоретически вычислить характеристики нельзя, то приходится обращаться к эксперименту.

В чем сложность в построении эксперимента? Во-первых, все проводимые нами измерения косвенные. Во-вторых, сложно получить в лаборатории высокую температуру (более 3000 К), моделирующую аэродинамический нагрев, и совместить измерительную и моделирующую технику.

С позиций совместной работы двух частей выделяют методы контактных измерений и методы бесконтактных измерений. Контактные методы заключаются в том, что испытуемый образец диэлектрика находится в контакте с измерительной аппаратурой. При бесконтактном методе образец диэлектрика находится в свободном пространстве (воздухе), не контактируя с частями измерительных устройств.

Начнем разговор с контактных методов.

Очевидным недостатком контактных методов является то, что по предельной рабочей температуре мы ограничены температурой плавления материала волновода, которая ниже, чем у диэлектрика (1500 К). Чаще всего используют платиновые измерительные волноводы. При температуре, превышающей 1500 К, проявляется еще один фактор – термоэлектронная эмиссия. Также мы можем замерить (без нагрева) до величины 10^-3, в то время как у хороших радиопрозрачных материалов эта величина 10^-4...10^-5.

Волноводный метод измерения.

 

Почему волноводный? Линии передачи для применяемых на борту частот – волноводы (так как используется СВЧ диапазон). Волноводные методы заключаются в том, что мы в волновод помещаем испытуемый образец материала и по структуре поля в волноводе, заполненном диэлектриком, пытаемся выйти на измеряемые характеристики.

Есть шесть вариантов размещения диэлектрика в волноводе. Направление подачи энергии Е₁ – слева направо (генератор СВЧ, питающий измерительный волновод, слева). На рис. а волновод работает на согласованную нагрузку. До образца диэлектрика на границе раздела воздух-диэлектрик (ввиду разных волновых сопротивлений) возникает отражение энергии Е₁^–. Отражается не вся энергия, часть её проходит внутрь и отражается от второй границе раздела (Е₂^–). Оставшаяся часть энергии Е₃⁺ проходит дальше и попадает на согласованную нагрузку. Так как нагрузка согласованная, вся попадающая на неё энергия поглощается.

На рис. б отрезок волновода заполнен, естественно, не бесконечным диэлектриком, а достаточно длинным образцом. Длина диэлектрика такова, что на всем его протяжении волна будет затухать.

На рис. в волновод работает на реактивную несогласованную нагрузку, от которой прошедшая мощность Е₃⁺ будет отражаться (Е₃^–).

 

 

Волноводные методы измерения параметров диэлектриков: