電離層直接探測是指利用火箭、衛星等空間飛行器將探測裝置攜帶到電離層中，測量電離層介質對裝置的直接作用，以獲得電離層參量的方法。根據測量的對象和目的，探測裝置主要有探針（收集電荷微粒的導電體裝置）和磁力計。探針分電子探針、離子探針和質譜探針。
基本介紹
- 中文名：電離層直接探測
- 工具：火箭、衛星
- 裝置：探針、磁力計
- 探針：電子探針、離子探針和質譜探針
正文,
正文
利用火箭、衛星等空間飛行器將探測裝置攜帶到電離層中，測量電離層介質對裝置的直接作用，以獲得電離層參量的方法。直接探測能測到間接探測不易測到的參量，如離子成分、離子密度、離子溫度和高空磁場等；測量精度高，有較高的空間解析度，可以探測較精細的電離層結構。根據測量的對象和目的，探測裝置主要有探針（收集電荷微粒的導電體裝置）和磁力計。探針分電子探針、離子探針和質譜探針。
電子探針 用於測量電離層的電子密度、電子溫度及其能量分布的裝置。它分為兩類:一類是直流探針,即在電極(探針)上加一正偏壓的朗繆爾探針。利用它就能吸收周圍的電子形成電流。電極上加的電壓不同，產生的電流密度也不同，而電流密度不僅與探針形狀、大小、電位有關，而且與電離氣體中的電子密度和電子溫度有關。因此,從探針輸出的伏-安曲線可以推算出探針所在位置的電子密度、電子溫度及其能量分布；另一類是高頻探針，是通過測量處在電漿中的偶極天線(探針)的高頻阻抗特性，來推算探針所在位置的電子密度。這類探針，有測量饋線電壓計算阻抗的駐波阻抗探針；有利用電容電橋，檢測對應阻抗最大值的上混合諧振頻率的電漿頻率探針；有利用相位檢測器，測量對應於阻抗最大的上混合諧振頻率和對應於阻抗最小的鞘套諧振頻率的磁旋電漿探針。電子探針的設備簡單，可以得到其他探測不易得到的電子溫度數據，但精度較差。
離子探針 用於測量電離層的離子密度、離子溫度及能量分布的裝置。它分兩類：一類是在電極上加上負偏壓的朗繆爾探針，以收集正離子電流推算離子密度和離子溫度；另一類是柵格離子探針或離子捕獲器，它是由一個負偏壓柵格圍住的正電壓探針構成。
質譜探針 用於測量電離層的離子或中性粒子的質量、成分的裝置。它分為 3種：①磁偏質譜儀，有一個弱電場把來自周圍電漿中的離子誘入儀器的入射孔，並使它們在垂直於其運動方向的磁場中通過，這樣離子就在圓軌道上運動。加速電位來回掃描，不同質量的離子就在不同的軌道上運動並被記數。由於這種儀器較重並可能引起對其他測量裝置的干擾，故多用於火箭上而不用於衛星上。②高頻質譜儀，又稱本內特質譜儀，實際上是速譜儀,它有5個電壓柵，預先被前柵電位差加速的離子相繼通過 3個柵，而中央柵和連在一起的兩個相鄰的外柵之間加上交變電壓，只有加速兩次以最大能量通過第 4柵的離子才具備被收集的速度。當它克服減速電位由第 4柵到第5柵時，就被選出並在第5柵的遠側計數。因為它比較簡單輕巧而被廣泛採用。③四極質譜儀，由 4根圓形細桿排列成互相平行的方陣組成。每相對的兩根用導線連在一起，在它們之間加上包括直流和交變成分的電位差。離子流被送到系統的對稱軸上，當加上適當的電位時，大部分離子都能從離子流中偏離出去並打到導體桿上，而只有那些決定於交變場和恆定場之比的特定質量的離子才能通過這種結構而不被捕獲，並在遠端計數。
磁力儀 用於探測電離層發電機區附近的磁場和磁層頂附近磁場的裝置。前者用火箭攜帶，後者用衛星攜帶。常用的有飽和式磁力儀和鹼蒸氣磁力儀。飽和式磁力儀，使用一個磁性物質棒，它能測量沿棒方向的磁場分量。測量精度達10-1納特，能用於測量直至105納特的強磁場，但不能用它進行絕對測量，而且需要校準。鹼蒸氣磁力儀，依賴於鹼蒸氣中原子能級的塞曼分裂，可以用於測量磁場強度的絕對值，而且不用校準，但不能測量磁場的方向。
電子探針 用於測量電離層的電子密度、電子溫度及其能量分布的裝置。它分為兩類:一類是直流探針,即在電極(探針)上加一正偏壓的朗繆爾探針。利用它就能吸收周圍的電子形成電流。電極上加的電壓不同，產生的電流密度也不同，而電流密度不僅與探針形狀、大小、電位有關，而且與電離氣體中的電子密度和電子溫度有關。因此,從探針輸出的伏-安曲線可以推算出探針所在位置的電子密度、電子溫度及其能量分布；另一類是高頻探針，是通過測量處在電漿中的偶極天線(探針)的高頻阻抗特性，來推算探針所在位置的電子密度。這類探針，有測量饋線電壓計算阻抗的駐波阻抗探針；有利用電容電橋，檢測對應阻抗最大值的上混合諧振頻率的電漿頻率探針；有利用相位檢測器，測量對應於阻抗最大的上混合諧振頻率和對應於阻抗最小的鞘套諧振頻率的磁旋電漿探針。電子探針的設備簡單，可以得到其他探測不易得到的電子溫度數據，但精度較差。
離子探針 用於測量電離層的離子密度、離子溫度及能量分布的裝置。它分兩類：一類是在電極上加上負偏壓的朗繆爾探針，以收集正離子電流推算離子密度和離子溫度；另一類是柵格離子探針或離子捕獲器，它是由一個負偏壓柵格圍住的正電壓探針構成。
質譜探針 用於測量電離層的離子或中性粒子的質量、成分的裝置。它分為 3種：①磁偏質譜儀，有一個弱電場把來自周圍電漿中的離子誘入儀器的入射孔，並使它們在垂直於其運動方向的磁場中通過，這樣離子就在圓軌道上運動。加速電位來回掃描，不同質量的離子就在不同的軌道上運動並被記數。由於這種儀器較重並可能引起對其他測量裝置的干擾，故多用於火箭上而不用於衛星上。②高頻質譜儀，又稱本內特質譜儀，實際上是速譜儀,它有5個電壓柵，預先被前柵電位差加速的離子相繼通過 3個柵，而中央柵和連在一起的兩個相鄰的外柵之間加上交變電壓，只有加速兩次以最大能量通過第 4柵的離子才具備被收集的速度。當它克服減速電位由第 4柵到第5柵時，就被選出並在第5柵的遠側計數。因為它比較簡單輕巧而被廣泛採用。③四極質譜儀，由 4根圓形細桿排列成互相平行的方陣組成。每相對的兩根用導線連在一起，在它們之間加上包括直流和交變成分的電位差。離子流被送到系統的對稱軸上，當加上適當的電位時，大部分離子都能從離子流中偏離出去並打到導體桿上，而只有那些決定於交變場和恆定場之比的特定質量的離子才能通過這種結構而不被捕獲，並在遠端計數。
磁力儀 用於探測電離層發電機區附近的磁場和磁層頂附近磁場的裝置。前者用火箭攜帶，後者用衛星攜帶。常用的有飽和式磁力儀和鹼蒸氣磁力儀。飽和式磁力儀，使用一個磁性物質棒，它能測量沿棒方向的磁場分量。測量精度達10-1納特，能用於測量直至105納特的強磁場，但不能用它進行絕對測量，而且需要校準。鹼蒸氣磁力儀，依賴於鹼蒸氣中原子能級的塞曼分裂，可以用於測量磁場強度的絕對值，而且不用校準，但不能測量磁場的方向。
