微波ECR等离子体装置的性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京东方计量测试研究所 作者:宋瑞海

  低轨道航天器的空间等离子体环境主要为低温、低密度、等离子体。文章详细叙述了等离子体对航天器的影响及其两个ECR 微波等离子体校准装置的组成结构,并使用标准Langmuir 探针对等离子体的参数进行实验测量和分析,得到了电子密度、电子温度、空间电位和悬浮电位等参数,满足了电子密度106 ~ 108 个/cm3 ,电子温度1 ~10 eV 等低轨道航天器的空间等离子体参数要求。

引言

  空间环境中存在着以电离层等形式的低温等离子体,例如太阳在不断地喷射等离子体微粒流,形成太阳风,在磁层中充满了各种能量的带电粒子和等离子体。电离层是一种天然的、长期存在的低温、低密度的等离子体。其中等离子体的密度、温度、成分和能量等随着高度不同而有所变化。而在低地球轨道( Low Earth Orbit,LEO) 上运行的航天器与周围等离子体、高能带电粒子、磁场和太阳辐射等环境因素的相互作用下,导致等离子体电荷在航天器上积累,使航天器与空间等离子体间不同部位间出现相对电位差,当电位差到达一定的阈值时会造成静电放电,甚至导致设备损坏。因此,从保证人员和航天仪器设备的安全角度考虑,开展等离子体环境研究,已成为了空间环境的主要课题之一。

实验装置

  由于低轨道航天器所处的F2 层是低温、低密度的等离子体,所以等离子体模拟装置包括真空环境系统、真空获得系统真空测量系统、等离子体源系统、设备电源系统、等离子体测试系统等。国内等离子体环境模拟设备主要集中在北京卫星环境工程研究所、中科院空间中心等单位,国外等离子体环境模拟设备主要集中在美国海军实验室和印度等离子体研究所等单位,如表1 所列。

表1 国内外等离子体主要模拟单位及参数

国内外等离子体主要模拟单位及参数

  在分析国内外此类设备的结构特点后,设计基于ECR 的双源结构,满足低轨道要求的等离子体环境。空间等离子体环境模拟器系统如图1 所示。装置的主要技术指标: 温度控制范围- 60 ~ 100 ℃;真空范围105 ~ 10 - 5 Pa; 等离子体产生电子密度范围为106 ~ 108 个/cm3 ; 电子温度的范围为1 ~10 eV; 空间电位的范围为- 100 ~ 50 V。

空间等离子体环境模拟器系统示意图

图1 空间等离子体环境模拟器系统示意图

1. 供气系统; 2. 微波源系统; 3. 电气控制柜; 4. 探针系统;5. 工控机; 6. 真控获得系统; 7. 温度控制系统

真空环境模拟系统

  真空容器是直径为1 m,长度为1. 5 m 的真空罐,可获得清洁无油的10 - 5 Pa 真空度。真空罐采用放气率低的不锈钢材料制造,真空罐上设计有观察窗和多个真空备用接口,容器表面进行喷砂处理。真空获得系统,采用抽速为1 600 L /s 的分子泵机械泵插板阀等,以达到清洁无油高真空环境。为提高抽速,缩短真空获得时间,采用三台并联分子泵抽气。5 h 后获得极限真空度为3. 6 × 10 - 5 Pa。真空测量系统,采用电离和电阻复合式真空计,能够测量压力范围是105 ~ 10 -5 Pa,实时可以监测真空罐内真空度的变化。保证真空罐内的真空度完全维持在要求的真空度。

温度实验模拟系统

  温度控制及测量系统,真空室内装有铜材料的热沉,采用特制硅油作工质,用外置复叠式制冷机,通过外循环对热沉进行制冷,用电加热方式对热沉进行加热。热沉表面涂航天专用黑漆,吸收率和半球反射率均高于0. 9,热沉温度范围- 60 ~ 100 ℃。测温采用FP - 93 型温控仪,加热模块及变压器,高精度的温度巡检仪和高精度铂电阻等。其中高精度铂电阻在真空室内壁布有9 个测温点,温度测量的误差小于± 0. 3 ℃。

微波放电系统

  微波电子回旋共振( ECR) 离子源是一种无阴极源,具有电离能力强( 约10%) 、等离子体密度高( 108 ~ 1014 cm - 3 ) 、气压低( 10 - 1 Pa 量级) 、性能稳定等特点。反应粒子活性高、离子能量低、无高能粒子损伤、没有污染、磁场约束、减少等离子体与反应室壁的相互作用。是一种低气压、高密度等离子体源,能够在较低的气压下产生大面积均匀的高密度等离子体。

结论

  通过对两个ECR 等离子体源的对称放置,减小了环境模拟装置中的密度梯度,形成较均匀的等离子体,相对于应用环境模拟装置中顶部使用一个ECR 等离子体源来说,产生的等离子体较好。以上实验结果分析得出,对ECR 源产生的等离子体,及空间电位、悬浮电位、电子密度和电子温度等模拟参数,可以得到最优化的微波ECR 等离子体工作状态,满足低轨道航天器空间等离子体环境下校准朗缪尔探针的需求。

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