等離子體旋轉(zhuǎn)速度的測量方式馬赫探針

等離子體旋轉(zhuǎn)速度的測量方式馬赫探針靜電探針在高溫等離子研究中是一種常用也是十分有用的診斷工具。靜電探針結(jié)構(gòu)簡單故比較容易制作，使用的方法比較靈活且擁有較好的空間分辨能力，最早被用來測定等離子體參數(shù)，包括等離子體密度、電子溫度、懸浮電位、研究等離子體流速和湍流輸運，是進行等離子體診斷的重要手段[3]。靜電探針需直接伸入等離子體中進行直接接觸測量，不可避免會影響局部不同情況進行濾波與修正。了其工作原理。MARTINHUDIS和L.M.LIDSKY在1970年提出了Directionaleep懸浮電位V等重要參數(shù)。feiei④探針的尺寸和鞘層厚度相比較，鞘層厚度要遠小于探針的尺寸，即D麥克斯韋分布，且離子溫度遠小于電子溫度；級電者無次級電子發(fā)射；⑦探針表面為無限大平面，平面探針的邊緣效應(yīng)可以忽略。一根與裝置壁絕緣的(懸浮的)固體導(dǎo)體電極就構(gòu)成了最簡單的Langmuir體中，深入到等離子體內(nèi) m遠大于電子質(zhì)量m，在局域熱平衡(T~T)條件下，電子平均熱運動速度遠大ieei于離子平均熱運動速度，因此單位時間內(nèi)打到探針表面的電子數(shù)遠遠超過離子0V具有負(fù)值以降低電子到達探針表面的通量。探針和空點電位的電位差使得探p的電位稱懸浮電位V。fC其主要特征為：①探針的電位V遠大于等離子體空間電位V，探針收集電流達p1111e4eep4ep到飽和值為電子飽和流，或者遠小于等離子體空間電位V處，探針收集電流達p到飽和值為離子飽和流I；②探針的I－V特性曲線會出現(xiàn)一個拐點在曲線從過i0渡區(qū)向電子飽和電流I區(qū)轉(zhuǎn)變時，拐點處的電位近似等于等離子體空間電位V;e0p③當(dāng)探針上沒有凈電流流過(I=0)時或有極小電流通過時，此時稱探針上的電fA區(qū)：電子飽和流區(qū)VV>0p①當(dāng)VV=0，即探針的電位和空間等離子體電位相等，這時探針的周圍pemei4iip4ipimi其中，n和n是分別是未擾動區(qū)的電子密度和離子密度，在準(zhǔn)中性條件下，ein=n，K為玻爾茲曼常數(shù)，A是探針的有效收集面積，v=8KTm和eipeeev=8KTm分別表示電子和離子的平均熱運動速度，電子的質(zhì)量m遠小于離iiie子的質(zhì)量m,使得vv,在空間電荷效應(yīng)影響下，電子和離子的有效收集面積和ieieeeeeieiI=I=I-I~I=enAeie4epepp因為viv，所以離子電流的值遠遠小于電子電流，即總電流仍仍為電子飽和ipep2e2S=A2n2emSn=ene22Ae3pfppV「e(V-V)]Ie=Ie0exp||LpKTe」||(3.8)p針的表面積A;對于離子流的收集，由Bohm鞘層理論可知：在鞘層外有一個預(yù)p鞘區(qū)，離子在預(yù)鞘區(qū)加速到離子聲速C越過鞘層邊界到達探針，收集的離子流Si「e(V-i「e(V-V)]i0KT=-peIIn所以，由過渡區(qū)特性曲線的斜率可以得到等離子體的電子溫度。當(dāng)I=0時，由fpef當(dāng)V<V時，電場的方向指向探針，探針周圍的電子被電場排斥，收集到的f(V-VKTe)，絕大部分被探針表面電場排斥，探針收集到的電子電流pe(V-VKTe)，絕大部分被探針表面電場排斥，探針收集到的電子電流peI)0，可以認(rèn)為探針收集的電流全部是離子電流的貢獻，即：eI-I=aenAi0epemi 磁場的引入破壞了等離子體的各向同性，使得粒子通量存在方向上的不對mmeiie弱到強不同情況分別處理。(i)pa，相當(dāng)于無磁場情形。eei離子不受影響，故工作在過渡區(qū)和離子飽和區(qū)的探針結(jié)果仍可按上節(jié)分析來理iiippa，通常的作法如下。準(zhǔn)無碰i┴區(qū)長度L主要取決于橫向粒子擴散系數(shù)D。由預(yù)鞘區(qū)側(cè)面進入預(yù)鞘區(qū)的粒子通┴令上式等于由Bohm判據(jù)確定的粒子通量表達式T┴＝(12)nwCs幾a2，即有Ls」入DD如」BeAsp6A=A(1+spa當(dāng)探針伸入等離子體時，在等離子體中的探針周圍會形成電荷鞘。當(dāng)V變pecci示兩根單探針，用于接收離子飽和流，他們被陶瓷套筒(分隔器)絕緣隔開，因iiiidxidxi0i1.1.2馬赫數(shù)M的計算收集的離子通量具有很大的不對稱性。上下游的粒子通量分別為和，那updownR=II(3.19)updownd(nv)=Sdxii00認(rèn)為等離子空間電位相等，即E=0，有： i=_nwi=_nwidxndxnwiii定義馬赫數(shù)M=vC，M=vC變量代換得：swwsdn2M_MdMi1_MM+M2w由邊界條件：當(dāng)x)w時，M=M，n=n，可得：= =n1_MM+M2ww這種情況下Mshear=_1;對于下游的鞘邊界，去Mshear=+1;當(dāng)M<1時，wM=2>1時，需要考慮的情況復(fù)雜,具體可參考上