低地球轨道空间等离子体参数的试验研究

　　由于低地球轨道(LEO)空间中存在等离子体，会造成航天器表面的绝对电位不同，在空间站对接等过程中容易产生静电放电，从而影响航天器的正常运行。为了更准确的研究低地球轨道高度上等离子体对航天器表面电位的影响，本文采用微波电子回旋共振(ECR)等离子体源模拟了空间等离子体，运用静电探针法获取了等离子体的伏安特性曲线，并分析了气流量和微波源功率对电子密度的影响，对模拟分析不同轨道高度空间等离子体对航天器电位影响有重要意义。

　　等离子体是宇宙空间物质结构的主要形态，尤其是在高度为200 km~400 km 的低地球轨道(LEO)上，由于光致电离的作用，其空间等离子体的温度一般在1 eV 左右，密度为10⁹ /m³~10¹³/m³，而且在空间尺度上很均匀。可以看出，在低轨道空间的等离子体属于低温等离子体，而为了模拟空间等离子体环境，首先必须选择合适的等离子体源。等离子体源按照放电类型来分类可以分为热阴极、冷阴极、高频和微波源。在本研究中采用微波电子回旋共振(ECR)等离子体源来获取所需的低温等离子体。ECR 等离子体源主要由高压电源、磁控管、磁场线圈、环行器、销钉调配器等部分组成，其工作原理如图1 所示。同传统的等离子体源相比，由于其没有阴极，所以无电极烧蚀的弊端，具有电离度高、效率高、工作寿命长的特点，使用气体的种类多(氩、氮、氦、氢、氧气等)，而且性能也比较稳定，适合空间实验长时间的要求。

图1 微波ECR 等离子体源工作原理图

　　对空间等离子体的诊断，目前常用的仪器主要有各种粒子谱仪和静电探针。静电探针，又称为朗缪尔探针(Langmuir probe)，是最古老的、但又最常用的低温等离子体诊断方法，其具有质量小、结构相对简单、所获信息丰富等特点，在等离子体诊断中应用十分广泛。通过一定的简化模型，可以获取探针所在空间内的等离子体的空间电位、悬浮电位、电子温度、电子密度等参量。因此，在本研究中采用朗缪尔探针对等离子体的特征参数进行了诊断。

1、试验装置

　　空间等离子体模拟试验装置如图2 所示，其中，该装置中的真空室直径1 m，长1.5 m。依次启动各级真空泵后，室温下真空室空载压强可达5×10^-5 Pa。真空室内放入被检测仪器、导线和实验平台后，真空室压强仍然可以达到5×10^-4 Pa，完全可以满足模拟空间环境对真空压强的要求。真空获得由分子泵和机械泵共同实现，为清洁无油高真空系统。该真空系统的一侧对称开有法兰口，装有ECR 微波源，真空室顶部法兰口上装有朗缪尔探针。

图2 空间等离子体模拟试验装置示意图

结论

　　通过诊断试验，获得了等离子体的I-V 特性曲线，从结果看出，其实际变化趋势符合相关理论。获得的等离子体的特征参数符合低地球轨道空间等离子体的量值。同时，从对气体流量和微波功率对等离子体参数影响的讨论结果可以看出，气体流量和微波功率对等离子体电子密度的影响较显著。随气流量的增大，电子密度在逐渐降低;而在一定范围内随着微波功率增大，电子密度也会随之增大。通过调节这两个参数可以方便实现对具有特定电子密度的等离子体的获得，对于研究特定轨道上等离子体对航天器表面电位的影响有重要意义。