Многоигольчатый зонд Лэнгмюра Rashid-1: руководство по измерению лунной плазмы

近期发表的一篇空间科学综述，详细介绍了搭载在阿联酋“Rashid-1”月球车上的多针朗缪尔探针（Langmuir Probe）实验，为未来月面等离子体环境探测提供了完整的工程实例和数据处理方案，也为地面等离子体诊断设备的设计提供了重要参考。

这套朗缪尔探针系统的任务目标，是在月球白昼面不同高度，原位测量近表面等离子体的电子密度和电子温度，给出月面光电子鞘层的高分辨率剖面。为此，研发团队在一辆仅约 11 kg 的小型月球车上，集成了一套四针多点测量的探针阵列和一块紧凑的电子学板卡，在非常有限的体积和功耗约束下，实现了空间任务级的等离子体诊断能力。

在月球环境中，太阳风直接撞击裸露的月壤表面，叠加强烈的紫外光照，会在表面附近形成一层光电子主导的等离子体鞘层。其典型密度约为 10^8 m^-3，电子温度几 eV，对应的德拜长度大约半米量级。这意味着：任何放在月面附近的仪器本身都会带电并形成鞘层，如果探针离本体太近，测到的不是“原始等离子体”，而是“仪器自己的鞘层”。Rashid-1 的方案是在车体不同位置、不同高度上布置四个探针，通过多高度同步测量和数值模拟反演，去恢复真实的近表面等离子体分布。

具体来说，这套多针朗缪尔探针由四支完全一致的圆柱形针状探头、一块 PC-104 规格的电子学板卡以及连接线束组成。四个探针分别固定在月球车不同侧面，距地面的标称高度为约 11 cm、23 cm、38 cm 和 56 cm，覆盖了从靠近月壤到车体顶部附近的一段垂直范围。每个探针以同轴电缆为基体，剥去部分外导体和绝缘层后，露出约 38 mm 长、直径约 1 mm 的内导体作为感应电极，同时将同轴外导体作为“护极”加到同一偏压上，以减小探针前端的边缘效应和支撑结构对测量的干扰。探针外表再喷涂多层石墨涂层，用来改善表面发射和二次电子发射特性，减弱材料本身对探针 I-V 曲线的影响。

电子学部分则集中在月球车内部的一块板卡上，通过 PC-104 叠层板与整车的电源、指令和数据管理系统相连。月球车的主控计算机通过 CAN 总线向朗缪尔探针下发工作模式和参数，板卡内的数模/缓冲电路产生设定的偏压，加载到选定探针上；探针收集到的离子/电子电流，经跨阻放大器转换成电压，再由差分放大和 16 位 ADC 采集，最终打包成科学数据回传。

为了适应月面极低密度等离子体的电流量级，这套仪器在跨阻放大器中选用了数十兆欧量级的反馈电阻，使得整体量程约为 ±200 nA，分辨率达到皮安级别。电子学设计中提供了两个增益档位（1× 和 10×），在保持高分辨率的同时兼顾不同等离子体条件下的动态范围。

与传统单针朗缪尔探针只工作在固定偏压不同，这套多针探针的标称工作模式是“偏压扫描模式”。仪器会在 −10 V 到 +10 V 区间内以预设步长（例如 0.1–0.2 V）逐点扫描，每个电压点停留若干毫秒到数百毫秒，在这一电压下采集探针电流。通过一条完整的 I-V 曲线，可以识别出离子饱和区、电子减速区和电子饱和区，进一步拟合得到电子温度、电子密度以及等离子体电位等关键参数。在软件上，采样频率可以在约 60 Hz 到 4 kHz 之间选择，以兼顾时间分辨率和数据量。

在正式集成到月球车之前，研发团队对整套系统进行了细致的标定与性能验证。首先，使用高精度源表逐步输出已知电流（从约 −180 nA 到 +180 nA），直接接入仪器的输入端，记录 ADC 原始计数与实际电流的对应关系，得到近似线性的转换系数和偏置量。根据测试结果，探针系统在各通道上的灵敏度和线性度都非常接近，噪声水平对应的电流起伏仅在十皮安量级。随后，又在 −25℃ 到 85℃ 范围内进行了温度舱实验，测量不同温度下的偏置和噪声变化，以便在实际任务中根据机箱温度进行温度补偿，保证长期运行下的测量稳定性。

为了验证探针在真实等离子体中的表现，团队还在奥斯陆大学的真空等离子体室中开展了地面测试。真空室直径约 85 cm、长度约 1.8 m，通过等离子体源产生流动的氩等离子体，典型密度在 10^10–10^12 m^-3，电子温度约 0.8 eV，德拜长度约 1 cm。探针固定在一个可旋转的支架上，通过改变位置来采样不同密度区域，再用商业源表和朗缪尔探针工程机分别进行偏压扫描。结果表明，两套设备在 I-V 曲线形状、电流量级和推导出的等离子体参数上高度一致，证明了这套仪器在真实等离子体环境下的可靠性。

由于月面德拜长度远大于探针与月球车本体的距离，如何从“被车体鞘层扭曲”的测量数据中反推出“原始环境”的等离子体参数，是这类仪器设计的一个关键难题。为此，团队基于三维粒子-网格（PIC）代码，对“太阳风 + 光电子 + 月壤 + 月球车 + 探针”这一复杂系统进行了数值模拟。模拟中考虑了太阳风电子/离子的流动分布、各类表面材料在给定入射紫外条件下的光电子发射特性，以及不同空间位置的电势分布。通过大尺度三维模拟，可以清晰看到在月壤表面上方形成的电势分布、月球车阴影区的局部电势异常，以及探针所在位置的等离子体密度与电位偏移。利用这一系列模拟结果，就可以在任务数据反演时，将探针所在位置测得的“鞘层内密度”换算为“鞘层外真实密度”，从而弥补探针与本体距离受限带来的系统误差。

遗憾的是，搭载 Rashid-1 的着陆器在 2023 年 4 月的末次下降阶段未能成功软着陆，这套朗缪尔探针系统最终没能在月球表面获取到预期的原位数据。不过，这一项目仍然完成了从科学需求分析、探针结构设计、电子学与软件设计、标定与地面等离子体验证，到数值模拟支撑数据反演的完整工程闭环，为后续月面任务、以及各种近表面等离子体诊断项目提供了成熟的参考方案。

从工程应用角度看，这种“多针 + 高阻跨阻放大 + 偏压扫描 + 数值建模”的整体思路，并不只适用于月球任务，同样可以迁移到地面真空室中的等离子体诊断，以及电推进、低温等离子体工艺等场景。它兼顾了高灵敏度、高时间分辨率和多高度（或多点）测量能力，非常适合用来获取等离子体密度、电子温度和浮动电位的精细空间结构。如果配合合适的机械支撑与接口设计，还可以灵活地集成到不同尺寸的真空舱和推进器实验平台中，为用户提供稳定可靠的电子参数测量手段。