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空间科学攀登团队利用自主真空仓实验平台取得系列成果
2022-04-03     (点击: )

近日,空间科学攀登团队“极区电离层-磁层耦合”课题组,利用自主搭建的真空仓实验平台在等离子体诊断及其装置朗缪尔探针研发方面取得了系列研究成果,这些成果对于等离子体静电探针诊断技术的应用以及相关探测载荷研发具有重要的意义与价值。

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图1 (a)热阴极附近的虚拟阴极结构示意图;(b)真空环境中理想的发射探针I-V特性曲线

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图2 (a)发射探针灯丝附近的虚拟阴极的势阱深度随着灯丝加热电流的关系图及其一维PIC数值模拟结果;(b)发射探针灯丝附近的虚拟阴极的空间尺寸随着灯丝加热电流的关系图及其一维PIC数值模拟结果。

等离子体发射探针诊断技术攻关。在准确测量等离子体空间电位方面,发射探针通常比传统的朗缪尔探针更具优势。然而,在发射探针工作过程中,热阴极灯丝受热向外发射热电子,由于热电子初始速度的不同,会其导致在灯丝附近形成空间分布,即产生“虚拟阴极”效应(图1所示),并直接影响发射探针对等离子体空间电位的诊断结果。近日,研究团队建立了一维热阴极虚拟阴极理论模型,并基于热电子初始速率呈麦克斯韦分布的假设,推导出虚拟阴极势阱深度和空间宽度的解析表达式。该理论模型在团队自主搭建的真空仓内完成了实验验证,实验首次测得钨丝发射探针在工作中产生的虚拟阴极势阱深度约为伏特量级、空间尺寸约为毫米量级,该实验结果同时也得到了一维PIC数值模拟的验证(图2所示)。这部分研究工作由李建泉副研究员和李书翰博士后共同完成,研究成果发表在真空国际期刊VACUUM上。

小型化朗缪尔探针研发。针对在空间探测朗缪尔探针采集的电流动态范围大、幅值小的特点,研究团队成员设计开发了一套非线性微电流采集装置,对探针采集的电流进行非线性放大,在保证了微弱电流采集精度的前提下,大大提高了采集的动态范围。整套装置采用微型化设计,体积小、功耗低,可以实现对电子密度108-1013m-3多个量级范围的等离子体进行诊断,同时也能够搭载微纳卫星实现对电离层的精细化探测。该成果发表在国际期刊Sensors and Materials上,山东大学博士生王进为论文第一作者,通讯作者为其导师张清和教授。

朗缪尔探针实验验证。研究人员通过对冷/热不同状态的朗缪尔探针在自主搭建的真空仓实验平台中进行等离子体对比诊断研究,结果表明朗缪尔探针的表面原子分子吸附能够对等离子体的诊断结果产生显著影响。相比于表面洁净的热探针的等离子体诊断结果,利用不加热的朗缪尔探针获得的等离子体空间电位、电子温度以及电子密度分别被低估了10%、15%和30%。这部分研究成果发表在国际期刊Journal of Vacuum Science & Technology A上,山东大学李建泉副研究员为论文第一作者,通讯作者为大连理工大学陆文琪副教授。该成果的发表也引起了等离子体诊断领域国际顶级专家V. A. Godyak的关注和进一步指导。

近年来,利用学校多学科优势,课题组通过与机电与信工学院合作,自主搭建了真空仓实验平台,成立了空间等离子体探测实验室,并以课题组组长张清和教授为科学PI、机电与信工学院杜清府教授为技术PI共同研发出了适用于微小卫星的针型朗缪尔探针载荷原理样机一套,累计发表SCI论文4篇,申请国家发明专利9项。目前已与微纳星空小卫星公司签署了搭载上星协议,计划于今年暑期上星实验,有望在下半年起获得自主观测资料。经上星实验验证成功后,将争取实现更多套载荷的卫星搭载,为我国空间物理与空间天气研究、建模与预报自主观测数据支撑。

这些研究工作得到了山东大学攀登计划创新团队建设经费、国家自然科学基金国际合作重点项目、面上项目以及青年基金等项目的资助。

相关论文及其链接如下(*为通讯作者):

[1] Li Shu-han and Li Jian-quan*. Studies of virtual cathode characteristics near thermionic emission cathodes in a vacuum. VACUUM, 2021, 192: 110496. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2021.110496

[2] Li Jian-quan, Xie Xin-yao, Li Shu-han* and Zhang Qing-he. Reliable potential and spatial size of virtual cathode obtained by an emissive probe with accurate filament temperature in a vacuum. VACUUM, 2022, 200: 111013. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2022.111013

[3] Li Jian-quan, Zhang Qing-he, Xing Zan-yang and Lu Wen-qi*. Comparative studies of cold/hot probe techniques for accurate plasma measurements. Journal of Vacuum Science & Technology A, 2022, 40(3): 033001. https://doi.org/10.1116/6.0001461

[4] Wang Jin, Zhang Qing-he*, Du Qing-fu, et al. Nonlinear micro-current acquisition device applied to onboard Langmuir probe instrument. Sensors and Materials, 2021, 33(12): 4157-72. https://doi.org/10.18494/sam.2022.3626

作者:李建泉

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