[科普中国]-空中电场探测仪

空中电场的探测不同于近地而大气电场的测量，存在许多困难，如(1)仪器和运载体的进入会使电场发生畸变，尤其是测量已接近电击穿状态的电场区时将促使电晕放电而使电场值改变(2)云中强对流和乱流有可能造成仪器的损坏(3)云中水汽电荷的充放电和温度变化产生噪声，影响测量(4)装置上的电荷沉积或其他原因会影响自然场强。

空中电场的探测必须利用某种形式的运载工具，常用的有气球、飞机、火箭等，也有用飞机、火箭抛伞投掷来测量的。测量方法主要有两种电晕探针法和场磨法。另外，也有用放射性来测量电场，但因其反应速度慢，受风和雨滴影响大，现在已很少采用。下面主要从测量方法上对空中电场仪进行介绍。

简介空中电场的探测不同于近地而大气电场的测量，存在许多困难，如(1)仪器和运载体的进入会使电场发生畸变，尤其是测量已接近电击穿状态的电场区时将促使电晕放电而使电场值改变(2)云中强对流和乱流有可能造成仪器的损坏(3)云中水汽电荷的充放电和温度变化产生噪声，影响测量(4)装置上的电荷沉积或其他原因会影响自然场强。空中电场的探测必须利用某种形式的运载工具，常用的有气球、飞机、火箭等，也有用飞机、火箭抛伞投掷来测量的。测量方法主要有两种电晕探针法和场磨法。另外，也有用放射性来测量电场，但因其反应速度慢，受风和雨滴影响大，现在已很少采用。下面主要从测量方法上对空中电场仪进行介绍。1

技术电晕探针法当尖端电极为阴极与阳极时，电晕放电存在一定的差异。本节以阴极尖端为例来简单解释电晕放电当一定长度的尖端处在电场中时，尖端附近的电场会产生强烈畸变，如果畸变电场达到周围气体的击穿阈值，气体分子会发生雪崩式的电离过程(称为a过程)，在a过程中产生的大量正离子向阴极运动轰击阴极表面使其发射二次电子(称为r过程)。当外加电压使电场强度升到足够高时，a过程产生的大量正离子使阴极表面发射的二次电子在数量上等于a过程所需的电子源的电子数时放电过程就可不依靠外来电子源提供电子而保持自持暗放电状态，这是负电晕放电的经典解释(不过自然环境下尖端表面具有一层很薄的绝缘物质，可能带来了电晕始发机制的复杂性，这超出了本文的讨论范围)。为了确定尖端放电电流与外电场的关系(本文中尖端放电与电晕放电意义相同)，科研人员进行了自然条件下的观测实验与实验室实验，得出了比较一致的结果。

赵忠阔等(2008,2009)所设计的尖端放电电流传感器由一个时间常数为0.1 s、量程为±16μA的精密电流放大电路和两根长度均为1 m的同轴电缆组成，两根同轴电缆尖端的长度为5～6 cm，悬空垂直于地面、相对放大电路对称布置。除电流传感器外，还包括温度探头、相对湿度探头和GPS接收机。GPS强电场探空仪通过气球携带升空，由GPS接收系统、温度和相对湿度传感器、电晕电流传感器、409 M数字信号发射机构成，所用这些感应单元通过一个单片机平台进行集成。探空仪净重约450 g，探空仪与气球之间通过30 m尼龙纤维单丝连接，气球对外电场的改变以及尼龙纤维的漏电流均可忽略。天线发射功率为200 mw,全向发射。该探空仪也曾采用自带Flash卡存贮方式保存数据。该探空仪功耗低，采用4节5号电池即可稳定工作2小时以上。系统封装在包有铝箔的塑料箱内，起到了保温与静电屏蔽作用。在到达一定高度后，气球爆破，降落伞自然张开，探空仪平缓降落到地面。实验完毕，在GpS定位仪的指引下，对设备和资料进行回收。地画部分包括一部中心频率为409 MHz、增益为8 db的全向接收天线，数字信号接收处理机与数据处理微机等组成。通信格式为异步串行通信(UART)，速率4800 bps。

场磨法空中电场的测量首先要求测量垂直电场分量。由于测量装置不能接地，使处在电场中的仪器因空间电荷或摩擦带电的影响，以及本身带有一定的极化电荷，形成附加电场而造成测量误差。从物理学可知，置于均匀电场中的导体，在其对称点会感应出大小相等、符号相反的电荷，而本身带电产生的电荷其大小相等、符号也相同，因此可以利用差分原理消除自身带电的影响。差分电路的特点是输出信号与两个输人信号之差成比例，而与导体本身带电无关，从而得到空间的真正电场。根据这个原理，可以采用双电场仪来测量，把两个电场仪安置在一个相对于水平面对称的导体上，设计成一个光滑圆柱体的空中电场仪，上下开感应窗口形成双电场仪。在感应舵内装有上感应电极(上定片)、上动片、下感应电极(下定片)、下动片。感应电极的作用是在电场中感应电荷，电机带动上、下动片同时旋转，使上、下定片通过感应窗口在电场中交替地被屏蔽和暴露，各自感应出交变信号。同时动片在旋转时还通过光电开关管的槽口，产生用于解调的同步信号。

空中电场仪是用气球携带的，要求体积小、质址轻、耗电省。另外仪器的引人会使自然电场产生畸变，为了得到尽可能均匀的曲率以减小空间电荷的释放，仪器表面要求光滑，尽量避免棱角或尖端。1

本词条内容贡献者为:

郭亮 - 副教授 - 中国海洋大学