[发明专利]一种用于高速流场下双平装探针数据处理及修正方法

权利要求书

1.一种用于高速流场下双平装探针数据处理及修正方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、建立双平装探针不同电极半径参数的理论修正模型，针对双平装探针的鞘层扩张效应进行修正；

步骤2、建立碰撞条件下玻姆速度修正关系，对碰撞条件下离子的玻姆速度进行理论修正。

2.根据权利要求1所述的一种用于高速流场下双平装探针数据处理及修正方法，其特征在于，所述步骤1建立双平装探针不同半径参数的理论修正模型，针对双平装探针鞘层扩张效应进行修正，具体包括如下步骤：

步骤(1.1)、对于不同半径参数下的双平装探针，假定等离子体遵从麦克斯韦分布，从连续流方程，运动方程和泊松方程出发：

公式中n_i为离子密度，n_e为电子密度，υ_i为离子速度和e为电荷量，M_i离子质量，φ为等离子体电势，以及ε₀为真空介电常数；引入如下的无量纲参数：

公式中n₀为中型粒子数密度，λ₀未扰动的德拜长度，r为位置参数，C_s为玻姆速度和T_e为有效电子温度；代入式2.1、2.2、2.3中得出：

步骤(1.2)在远离探针的等离子体区域，设置等离子体的边界条件为n＝1,u＝0和η＝0，因此，无量纲的探针半径参数和电势φ_p被定义为：

公式中ρ_p为半径参数，η_p是这个模型中的解算因子，r_p为探针半径，φ_p为等离子体电势，对于稳态的鞘层结构来说，鞘层边缘的平均离子速度等于离子声速，此时，定义双平装探针的鞘层额外收集区域比率为：

A_phy为探针的收集物理表面积，A_eff为实际收集面积，上述公式为鞘层扩张效应产生的鞘层额外收集区域比率；

步骤(1.3)、通过数值模拟计算进一步得出上式的表达式为：

通过公式2.1,2.2和2.3以及此时等离子体所处的物理状态模拟计算得出参数a和b；

步骤(1.4)、双探针原始公式如下所示：

公式中两电极间的电势为V_D，电流为I_D，I_i,mea为诊断离子流，和I_i为真实离子流，I_i＝0.61A_pen_ic_s；式中n_i为离子密度，e为电子电荷量，A_p为探针收集面积、C_S为玻姆速度，那么，有效电子温度被获得：

将公式2.11代入公式2.12和2.13得出，双平装探针离子的采集离子电流I_i,mea关系式为：

公式中k为波尔兹曼常数，V_D为双电极间的电压，I_i,mea为诊断离子流，I_i为真实离子流，同样，有效电子温度同样进一步推导得出：

3.根据权利要求1所述的一种用于高速流场下双平装探针数据处理及修正方法，其特征在于所述步骤2建立碰撞条件下玻姆速度修正关系，对碰撞条件下玻姆速度进行修正，具体包括如下步骤：

步骤(2.1)、考虑探针在一个无磁场、气压范围在10^-4-10Pa和无碰撞的等离子体环境中，探针的电子密度通过离子流来估算：

I_i＝0.61A_pen_ic_s (3.1)

公式中n_i为离子密度，e为电子电荷量，A_p为探针收集面积、C_S为玻姆速度，I_i为离子流；

对探针离子流中的玻姆速度做出相关修正，先建立二维流体模型，实验中的离子连续流方程如下：

公式中v_i为离子速度，n_i是离子密度，等离子体中的泊松方程为：

公式中φ为等离子体势，n_e是电子密度以及ε₀为真空介电常数，通过推导进一步得出离子的运动方程为：

x为探针电极和鞘层边界的距离，F_c表示离子流经过鞘层时碰撞产生的拖拽力；被表示如下：

F_c＝m_i(n_nσν_i)ν_i (3.5)

式中n_n为中性离子密度，m_i是离子质量以及σ为离子与中性粒子动量转变截面，假定电子属于热力学平衡态，则得出指数关系式为：

n_e＝n₀exp(eφ/kT_e) (3.6)

进一步将公式引入无量纲量，并代入公式中去：

η＝eφ/kT_e,ξ＝x/λ_D,μ＝ν_i/c_s,α＝λ_D/λ_i (3.7)

式中λ_D为未扰动德拜长度，λ_i是离子平均自由层；

则以上的控制方程3.3和3.4变为：

μμ'＝-η'-αμ² (3.9)

公式中n_i0是鞘层边界准中性区域的电子密度，以及M＝u₀＝ν₀/c_s；

步骤(2.2)、在无碰撞等离子体环境下,参数α＝0，代入公式中得出等式3.8变为：

式中η₀＝0时鞘层边界条件，联合等式3.3和3.7得出：

μ'₀/M＝n'₀/n₀＝η' (3.11)

将等式3.2代入公式3.5中,则等式将变为：

(1-M²)η'₀＝0 (3.12)

因此，在无碰撞等离子体环境中参数η'₀＝0等效于：

M＝ν₀/c_s＝1 (3.13)

公式中真实的离子速度为ν₀，在等式3.13中看出,在无碰撞的等离子体诊断区域，真实的离子速度ν₀是等于玻姆速度c_s，然而在中气压等离子体中，鞘层中的碰撞效应是不能被忽略的，所述中气压是指气压范围为10Pa-1000Pa，因此，解算方程从3.12式变为：

由3.14式,立即得出M≠1和ηθ₀≠0,以及泊松判据M＜1，因此，在碰撞环境下要对离子速度进行修正；

步骤(2.3)、通过进一步数值模拟计算得出修正的玻姆速度如下：

M＝(1+cα^d)^-1/2 (3.15)

将公式M＝u₀＝ν₀/c_s代入公式3.15式后得出玻姆速度为：

v₀＝c_s(1+cα^d)^-1/2 (3.16)

通过进一步模拟得出参数c和d；

双探针原始公式如下所示：

公式中两电极间的电势为V_D，电流为I_D，I_i,mea为诊断离子流，和I_i为真实离子流，那么，有效电子温度被获得：

将公式3.16分别代入3.17和3.18得出，双平装探针的离子流公式为：

公式中两电极间的电势为V_D，电流为I_D，那么，有效电子温度被获得：