Зонд Ленгмюра для измерения электронной концентрации D-слоя ионосферы Земли на высотах от 60 до 90 км

Данное техническое решение относится к области геофизики и метеорологии, а именно, к области конструкций электрических зондов для измерения электронной концентрации ионосферы Земли в области D-слоя (60-90 км) с использованием парашютов, доставляемых на заданную высоту малыми метеорологическими ракетами.
2
2
Ионосфера Земли состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул (в основном азота N и кислорода O) и квазинейтральной плазмы. Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров.
Для задач геофизики, состояние ионосферной плазмы может быть описано четырьмя основными параметрами: электронной плотностью; электронной температурой; ионной температурой; ионным составом.
Одной из наиболее часто используемых моделей ионосферы является модель international reference ionosphere (IRI), построенная на статистической обработке большого количества измерений и способная рассчитывать четыре основных характеристики ионосферы, указанные выше.
Основными источниками данных для модели IRI являются: глобальная сеть ионозондов; мощные радары некогерентного рассеяния (находятся на Джикамарке, Арэсибо, Майлстоун Хилл, Малверн и Сан-Сантине); а также спутниковые зонда ISIS и Alouette и точечные измерения с нескольких спутников и ракет.
Данная информация необходима для исследования параметров плазмы в ионосфере, выявление изменений в озоновом слое и характеристик атмосферы. Распространение радиоволн, например, зависит исключительно от распределения электронной концентрации.
Использование предложенного решения направлено для решения основной задачи - получение данных для анализа и прогноза погоды в региональном и глобальном масштабах, состояния акваторий и морей, ледовой обстановки и т.п.
В России разработки в данном направлении ведутся в ФГУБ «Центральная Аэрологическая Обсерватория» (заявитель).
Электрический зонд Ленгмюра - устройство, используемое для диагностики плазмы и был впервые предложен Ирвингом Ленгмюром в 1923 году. Этот метод основан на измерении плотности тока заряженных частиц на помещенный в плазму электрический проводник в зависимости от его потенциала. Электрический зонд представляет собой металлический электрод малых размеров, помещенный в плазму и используемый для определения ее локальных характеристик. При этом измеряется вольамперная характеристика (BAX), по которой судят о концентрации электронов плазмы. Устройство включает измерительный зонд, опорный электрод -противозонд (в качестве него может выступать анод А или катод К, обычно в качестве опорного используют анод,) и источник напряжения. Зонд, погруженный в плазму, окружается двойным электрическим слоем (призондовый слой) и, фактически, BAX зонда является ВАХ слоя. Типичная ВАХ -зависимость тока, протекающего через зонд, от разности потенциалов между зондом и опорным электродом (противозондом). ВАХ позволяет определить необходимые параметры плазмы: температуру электронов и их концентрацию.
Уровень техники
1) Известно устройство для измерения параметров плазмы в ионосфере или межпланетном пространстве [GB 1157147 (А), заявитель «JAPAN ATOMIC ENERGY RES INST» [JP]. Согласно описанию патента, параметры плазмы получены посредством электрического зонда Ленгмюра - двух металлических электродов, помещенных в поток плазмы в плоскости, параллельной направлению потока.
2) Известно устройство - датчик в виде зонда Ленгмюра, используемый в составе зондирующей ракеты, по патенту [CN 104677945 (А)]. Датчик закреплен на корпусе ракеты посредством телескопической штанги.
-3
-3
3) В последнее время в части экспериментов в области исследования ионосферы Земли является Университет Норвегии в Осло и UNI я ОСЛО [«A new Langmuir probe concept for rapid sampling of space plasma electron density», Measurement Science and Technology Dio:10.1088/0957-0233/21/21/8/085902, К S Jacobsen, A Pedersen, J I Moen and A Bekkeng. 19 July 2010, University of Oslo, Norway Online at stacks, iop org/MST./21/085902]. В 2010 г. физическим факультетом Университета был разработан зондовый прибор Ленгмюра для ракет-зондов, способных выполнять высокоскоростные измерения плотности электронов (ближайший аналог). Данный прибор представляет собой зонд Ленгмюра для ракет, способный выполнять высокоскоростное измерение абсолютной плотности электронов ионосферной плазме. Система состоит из четырех зондов с диаметром 0,51 мм и длиной 25 мм каждый, работающих при напряжении, фиксированном в области электронного насыщения. Диаметр зонда была значительно меньше защитного дебаевского радиуса, чтобы избежать сложных эффектов на обкладках, но достаточно большим, чтобы обеспечить достаточно большую исследуемую зону плазмы датчика для точного измерения электронных токов, генерируемых датчиками (в диапазоне от 1 нА до 1 мА). Принципиальной особенностью работы Университета Осло по, так называемой, мульти-иглы Зонд Ленгмюра (м-НЛП) является то, что можно определить концентрацию электронов без необходимости знать потенциал космического аппарата и электронной температуры Те.. Прибор м-НЛП охватывает плотности в диапазоне от пе=10 9 м до 10 12 м, с частотой дискретизации до 9 кГц. Прибор м-НЛП был успешно протестирован на ICI-2 (Исследование Cusp неоднородностей) при зондировании при полете ракеты со Шпицбергена 5 декабря 2008 года.
Устройствам [1-3] присущи следующие недостатки:
Измерения параметров плазмы зондом Ленгмюра является возмущающим методом диагностики, что влияет на погрешность определяемых параметров.
Данный метод является контактным методом диагностики. С этим обстоятельством связано одно из его преимуществ, а именно локальность определения параметров плазмы. В то же время контактный характер измерений приводит к возмущению плазмы в некоторой области около зонда. Характерные размеры такой области определяются дебаевским радиусом экранирования.
Плазма и зонд должны удовлетворять ряду достаточно жестких требований и только тогда результаты простых электрических измерений могут быть связаны с параметрами плазмы. Это зависимость соотношения характерных размеров зонда и характерных масштабов плазмы: длины свободного пробега электронов, дебаевской длины экранирования, толщины слоя пространственного заряда у зонда [Ю. А Лебедев. Электрические зонды в плазме пониженного давления. 2002; Демидов В. И., Колоколов Н. Б., Кудрявцев А. А. Зондовые методы исследования низкотемпературной плазмы. Энергоатомиздат, 1996].
Так при диагностике ионосферы Земли зондами, установленными на спутниках и ракетах при определении концентрации электронов, приходится учитывать условия протяженной плазмы низкой концентрации, где ток на зонд превосходит хаотический, и возмущение, которое вызывает зонд, притягивающий электроны, может распространяться на большие расстояния.
Вышеперечисленные особенности измерений параметров плазмы в условиях скоростных режимов при ракетных измерениях являются принципиальным недостатком, что проявляется в резком уменьшении чувствительности измерений.
Техническая задача
Главной задачей при зондовых измерениях ионосферы является разработка устройства с техническими характеристиками, обеспечивающими снижение погрешности измерений концентрации электронов плазмы в ионосфере Земли
Технический результат - повышение достоверности и точности измерений электронной концентрации в заданной области ионосферы Земли.
Раскрытие полезной модели
п
з
3
3
Технический результат достигается тем, что зонд Ленгмюра для измерения электронной концентрации D-слоя ионосферы Земли на высотах от 60 до 90 км содержит измерительный металлический электрод (1), опорный электрод (2) (противозонд), источник питания (3), генератор пилообразного напряжения (4) для создания потенциала между электродами, согласно полезной модели, опорный электрод (2) выполнен в виде купола парашюта в форме полусферы, при этом отношение площади S купола парашюта (опорного электрода) к площади S измерительного электрода находится в интервале величин от 10 до 1,2 10, причем измерительный электрод (1) закреплен под куполом парашюта (2) на его оси на расстоянии L, равном 1,0 -1,5 м от нижней кромки купола.
При этом купол парашюта (2) выполнен из электрически проводящего материала и соединен с источником питания (3).
При этом купол парашюта (2) выполнен из металлизированного материала в виде металлизированного майлара.
-2
-2
При этом измерительный электрод (1) представляет собой сферу с радиусом r в интервале величин от 2,0 10 до 2,3 10 м.
Рассмотрим влияние отличительных признаков на достижение технического результата в заявляемой полезной модели.
п
з
Сочетание таких параметров устройства, как размеры измерительного (1) и опорного (2) электродов, отношение площади S купола парашюта (опорного электрода) к площади S измерительного электрода соответствует условию удовлетворительной погрешности измерений ионосферы для микросхем, используемых в усилителях-преобразователях блока электроники зонда Ленгмюра (согласно паспортным данным).
При этом определенная конструкция зонд Ленгмюра - размеры электродов (1) и (2), их взаимное расположение и их геометрическая форма приводит к повышению точности за счет следующего.
p
min
р
min
D
1) Преимуществом является обеспечение критерия малости возмущений плазмы зондом при условии r<λ и соотношения радиуса измерительного электрода r и длиной свободного пробега электронов λ и радиусом экранирования r (радиус Дебая) [Козлов О.В. «Электрический зонд в плазме». - М.: Атомиздат, 1969. - 292 с; Арцимович Л. А. Элементарная физика плазмы, 3-е изд., М.: Атомиздат, 1969. 189 с]
p
min
p
min
-2
-2
-7
Размер радиуса r в интервале величин от 2,0 10 до 2,3 10 м при средней длине свободного пробега молекул λоколо 2-10м в ионосфере (на высотах 60-90 км) соответствует условию r<λ.
Зонд Ленгмюра работает в режимах, определяемых высотой измерений:
D
p
min
r〉〉r〉〉λ на высоте 50 км;
D
p
min
r〉r〉〉λ на высоте 60 км;
D
p
min
r≥r≥λ на высоте 70 км;
D
р
min
r ≈r≈λ на высоте 80 км;
min
p
D
λ≥r≥r на высоте 90 км.
Минимальный размер измерительного электрода (1) определяется величиной нижней границы диапазона концентраций свободных электронов в атмосферной плазме.
Такие габариты измерительного электрода позволяют размещать его внутри корпуса малых метеоракет для доставки зонда Ленгмюра в ионосферу с характерными размерами ракет: длина 1,5-2,5 м, диаметр 0,05-0,08 м.
min
p
D
D
12
-3
2) Преимуществом является расположение измерительного электрода (1) под куполом парашюта на его оси на расстоянии от 1,0 до 1,5 м от нижней кромки купола, что соответствует условию λ>>r+λпри зондовом слое, равном (20-50) r при плотности атмосферы 10 м на высоте 60 км.
n
з
3
3
3) Преимуществом является то, что отношение площади S купола парашюта к площади S измерительного электрода в интервале величин: от 10 до 1,2 10 обеспечивает равенство потенциалов опорного электрода (2) потенциалу окружающей плазмы и не приводит к появлению зондового слоя у опорного электрода (2) т.е. условия измерений предлагаемым зондом строго совпадают с условиями, обязательными для одиночного зонда. Это позволяет проводить обработку ВАХ с меньшей погрешностью и получить достоверные результаты концентрации электронов плазмы.
3
При этом соотношение площадей электродов должно обеспечивать малость электронного тока насыщения  по сравнению с ионным током насыщения , что возможно при соотношение площадей опорного электрода к измерительному ≥10.
В случае, когда размеры измерительного электрода (1) много меньше размеров опорного электрода (2), ВАХ устройства определяется слоем у измерительного электрод а (1) (система одиночного зонда).
4) Преимуществом является выполнение измерительного электрода (1) в виде сферы, т.к. собирающая поверхность для электронов является максимальной. При этом выпуклая форма поверхности измерительного зонда и форма купола парашюта в виде полусферы создают отсутствие отражение электронов от зонда. Проведение измерений под куполом парашюта приводит к отсутствию экранирования зонда слоем плазмы. Происходит ускорение попадания электронов к границам слоя, все частицы будут попадать на измерительный электрод (1), что повышает точность измерений.
5) Преимуществом является проведение измерений электронной концентрации ионосферы Земли на высотах от 60 до 90 км в режиме стабильного снижения парашюта по сравнению с условиями скоростных нагрузок ракетного зондирования. Это позволяет получить наибольшее количество измерений, что повышает достоверность исследований озоносферы Земли.
Предлагаемый зонд Ленгмюра для измерения электронной концентрации D-слоя ионосферы Земли на высотах от 60 до 90 км относится к устройству, элементы которого находятся в конструктивном единстве и функциональной взаимосвязи для достижения технического результата - повышения точности измерений [Ю. А Лебедев. Электрические зонды в плазме пониженного давления. 2002].
Предлагаемый зонд Ленгмюра поясняется следующими графическими материалами.
На фиг. 1 изображен общий вид зонда Ленгмюра;
На фиг. 2 изображена блок-схема зонда Ленгмюра;
На фиг. 3 приведен чертеж измерительного электрода зонда Ленгмюра;
sp
з
sp
На фиг. 4 изображена вольтамперная характеристика зонда (ВАХ), где кривая I -электронный ток насыщения, а кривая II - электронный ток на зонд. При этом U - разность потенциалов между измерительным и опорным электродами, U - потенциал плазмы, U=U- U- потенциал измерительного электрода относительно плазмы.
Предлагаемый зонд Ленгмюра (фиг. 1 и фиг. 2) содержит:
1 - измерительный сферический электрод (анод), электрически соединенный с генератором пилообразного напряжения 4;
2 - опорный электрод (противозонд) в виде купола парашюта, соединенный с источником питания 3;
3 - источник питания;
4 - генератор пилообразного напряжения;
5 - усилитель-преобразователь, преобразующий ток в измерительной цепи в напряжение;
6 - телеметрическая аппаратура;
п
з
п
з
3
-2
-2
Согласно фиг. 1, отношение площади S купола парашюта 2 к площади Sизмерительного электрода (1) находится в интервале величин: S/S=(1,0-1,2) 10, причем измерительный электрод (1) закреплен под куполом парашюта на его оси на расстоянии L=l,0-1,5 м от нижней кромки купола (2). Купол парашюта (2) выполнен из электрически проводящего металлизированного материала майлара и электрически связан с источником питания (3). Электрод (1) представляет собой сферу с радиусом в интервале величин от 2,0 10 до 2,3 10 м. Генератор пилообразного напряжения (4) размещен внутри электрода (1) и электрически с ним связан (фиг. 3).
Предлагаемый зонд Ленгмюра работает следующим образом.
После запуска малой метеорологической ракеты «МЕРА» на высоте 90-95 км происходит отделение парашюта. После ввода в действие устройства раскрытия парашюта он, попадая в воздушный поток, наполняется воздухом и происходит устойчивое снижение. В период спуска по маршруту от высот 90 до 60 км проводятся измерения концентрации электронов Д слоя ионосферы Земли (фиг. 1).
На измерительный электрод (анод) (1) от генератора пилообразных напряжения (4) периодически поступают короткие импульсы в диапазоне от минус 4 до 10В (с частотой развертки 30 Гц) относительно опорного электрода (2) (купола парашюта) для создания разности потенциалов в пространстве исследуемой плазмы.
Электроны в набегающем воздушном потоке под влиянием действия приложенного электрического поля двигаются к положительно заряженному аноду (1). Когда электроны достигают измерительного электрода (1), в его цепи возникает импульс тока (зондовый ток), пропорциональный числу частиц в объеме исследуемой плазмы. Зондовый ток подается на вход 6-ти канального усилителя-преобразователя (5), преобразующего сигнал (зондовый ток в измерительной цепи) в напряжение (от 0 до 6В), который подается на телеметрическую аппаратуру (6) и передается радиотелеметрической системой на Землю.
Схема измерительного электрода представлена на фиг 3. Внутри измерительного электрода (1) установлен генератор пилообразного напряжения (4). Амплитуда развертки пилообразного сигнала с генератора пилообразного напряжения (4) остается во всем рабочем температурном диапазоне неизменной.
Питание генератора пилообразного напряжения (4) и усилителя-преобразователя (5) осуществляется от стабилизированного источника питания (3).
Регистрируют зондовую вольтамперную характеристику, согласно известным методам обработки однозондовых вольтамперных характеристик [Демидов В.И., Колоколов Н.Б., Кудрявцев А.А. «Зондовые методы исследования низкотемпературной плазмы». - М.: Энергоатомиздат, 1996. - 240 с; Алексеев Б.В., Котельников В.А. «Зондовый метод диагностики плазмы». - М.: Энергоатомиздат, 1988. 240 с] и определяют электронную концентрацию плазмы для элетрода данного радиуса. Вольтамперная характеристика зонда (ВАХ) представлена на фиг 4.
Концентрация электронов  вычисляется из выражения
e
es
e
-1
n=I(αeυS)
где  - электронный ток при ,
а - коэффициент, зависящий от формы измерительного электрода, для сферы а=0,8,
S
- площадь электрода,  - тепловая скорость движения электронов,
e
m - масса электрона.
-7
-12
По мере снижения зонда Ленгмюра ток насыщения изменяется от 10 А на высоте 90 км до 4,5-10 А на высоте 60 км.
Пример конкретного выполнения устройства.
-3
2
Метеорологический зонд Ленгмюра содержит измерительный электрод (1) (анод) в виде металлической сферы радиусом (r), равный 22 мм и соответственно, площадью 6 10м. Материал измерительного электрода - дюралюминий с золотым гальваническим покрытием. Измерительный электрод (1) закреплен на растяжках (фиг. 1) в плоскости, образованной кромкой купола парашюта в форме полусферы на его геометрической (вертикальной) оси. Расстояние L от центра измерительного электрода (1) до кромки купола парашюта составляет 1,5 м.
D
D
Зондовый слой исследуемой плазмы постоянен и равняется (20-50) r, где r.-дебаевский радиус плазмы.
2
Купол парашюта выполнен из материала - металлизированного майлара (пленка на основе синтетического полиэфирного волокна), обладающий механической прочностью и теплостойкостью. По нижней кромке прикреплены стропы (капроновые шнуры), на которых висит источник питания (3), генератор пилообразного напряжения (4), усилитель-преобразователь (5) и телеметрическая аппаратура (6). Купол парашюта имеет форму полусферы и сшит из двух полотнищ (фиг. 1). Площадь купола парашюта 10 м.
п
з
п
з
3
При данных размерах площадей купола (2) парашюта S и сферического измерительного электрода (1) S отношение S/S равно 10.
Внутри полости сферического измерительного электрода (1) размещен генератор пилообразного напряжения (4). Параметры генератора пилообразного напряжения (4), задающего потенциал на измерительном электроде: частота 30 Гц, диапазон рабочих напряжений от минус 4 до 10В.
Для подъема зонда Ленгмюра была использована метеорологическая ракета «МЕРА». Диапазон исследуемых высот от 90 до 60 км.
Результаты измерений концентрации электронов приведены в таблице.
Погрешность измерений составляет±1%.
-12
Шумы современных микросхем используемых в усилителях-преобразователях блока электроники зонда не превосходят 0,8 10 А, т.е. регистрация полезных сигналов такой величины реальна и соответствует паспортным данным производителя.
В ФГБУ «ЦАО» были проведены стендовые испытания опытного образца предложенного устройства. Результаты подтверждаются актами испытаний. Предлагаемое устройство - зонд Ленгмюра, разработано для использования в составе малой метеорологической ракеты «МЕРА». Малые метеорологические ракеты имеют характерные размеры: длина 1,5-2,5 м, диаметр 0,05-0,08 м.
Выводы
Разработанный экспериментальный образец зонда Лэнгмюра на основе парашюта предназначен для измерения концентрации электронов в диапазоне высот 90-60 км в заданной области ионосферы Земли с достаточной точностью и достоверностью.
Анализ возможностей и ограничений зон до во го метода для диагностики плазмы показал, что существует большое количество факторов, которые необходимо учитывать для правильной интерпретации результатов измерений. Несмотря на значительные трудности, связанные с обоснованием применимости зондовой методики, она остается одним из наиболее информативных методов исследования процессов в плазме ионосферы Земли.
Предложенная полезная модель позволяет получить параметры плазмы в ионосфере, что служит исходной информацией для выявления изменений в озоновом слое и характеристик атмосферы Земли, являющихся возможными предвестниками стихийных бедствий, природных и техногенных катастроф. Полученные данные предназначены для передачи в ситуационные центры глобальной системы обеспечения потребителей мониторинговой информацией.
Расчетные данные параметров существенных признаков для реализации назначения полезной модели
2
2
Площадь раскрытого парашюта используемого на метеоракете «МЕРА» составляет ≈10 м. Площадь парашюта используемого на других подобных ракетах варьируется от 8 до 14 м.
Оценим необходимое для правильной интерпретации измерений соотношение площадей опорного и измерительного электродов в районе нижней границы Д-области - 60 км.
e
i
В первом приближении [1] диффузионные потоки заряженных частиц - электронов (J) и положительных ионов (J) определяемые градиентом их парциальных давлений в области слоя и подвижностью в электрическом поле связаны соотношением:
e,i
иэ
оэ
, где Dкоэффициенты диффузии электронов и ионов; S и S- площади измерительного и опорного электродов соответственно.
Если  рассчитать по модели твердых сфер [2], то
i
э
е
j
m, m - атомные массы ионов и электронов. Т,T - их газовые температуры. Поскольку оценка соотношения площадей выполняется сверху, за основной положительный ион возьмем , как имеющий наибольшую атомную массу и вместе с ионом  составляющий более 93% всех положительных ионов на высоте 60 км. Высота 60 км выбрана как имеющая наименьшее содержание заряженной компоненты в Д-области и, следовательно, минимальной полезный сигнал (ток в измерительной цепи зонда) во всем диапазоне высот Д-области, соотношение  в указанном диапазоне высот с точностью до 4% можно положить равным 1. Для десятикратного превосходства ионного тока на опорный электрод над электронным током на измерительный электрод необходимо чтобы соотношение площадей электродов было больше  раз.
2
2
р
Таким образом, площадь измерительного электрода зонда Лэнгмюра устанавливаемого на ракету «Мера» (с площадью поверхности парашюта 10м) не должна превосходить 58 см, т.е. предельно - допустимый радиус сферического электрода rограничен 2,2 см. Такие габариты измерительного электрода позволяют размещать его внутри корпуса ракеты «МЕРА».
эн
Ток насыщения электронной ветви ВАХ зонда (I) для случая континуального режима измерений может быть рассчитан из аналога формулы Бома, выведенной для молекулярного режима [3]
из
иэ
e
э
D
I=S,-0,3enD/r, (1)
e
э
2
где е- заряд электрона, n -концентрация свободных электронов,  максимальный радиус Дебая плазмы Д-области. D на высоте 60 км не превосходит 30 м /с [4].
-12
В итоге из формулы (1) получим минимальное значение тока насыщения ВАХ зонда во всем диапазоне Д-области ионосферы 4,5⋅10 А.
-12
Шумы современных микросхем используемых в усилителях-преобразователях блока электроники зонда согласно паспортным данным не превосходят 0,8⋅10А, т.е. регистрация полезных сигналов такой величины реальна.
-12
В итоге вывод о возможности использования металлизированной поверхности парашюта в качестве опорного электрода при измерениях ракетным зондом Лэнгмюра концентрации электронов на участке парашютного спуска (Д-область ионосферы), подкрепленный численными оценками представляется правомерным. Что касается технической стороны реализация усилителя-преобразователя зонда с подобной чувствительностью, то нами создан ракетный зонд Лэнгмюра для измерений параметров плазмы в нижней ионосфере (высота 100-300 км) с усилителем- преобразователем обладающим чувствительностью 3-10 А. Зонд прошел лабораторные и стендовые испытания подтвердившие его технические характеристики, в том числе чувствительность измерений [5].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Чан П., Тэлбот Л., Турян К. Электрические зонды в неподвижной и движущейся плазме. М: Мир. 1978.
2. Демидов В.И. Колоколов Н.Б., Кудрявцев А.А. Зондовые методы исследования низкотемпературной плазмы. М. Энергоатомиздат. 1996.
3. Алексеев Б.В., Котельников В.А. Зондовый метод диагностики плазмы. М. Энергоатомиздат. 1988.
4. И. Мак-Даниэль. Процессы столкновений в ионизированных газах. М. Мир. 1967
5. С.А. Кожухов, В.Н. Иванов*, А.Н. Шапошников, Д.В. Котельников Н.В. Балугин, Т.М. Перемежко, Ракетный зонд Лэнгмюра для измерений характеристик плазмы в нижней ионосфере, Приборы и техника эксперимента, 2017, №4, с. 130-136.