航天器空间环境模拟器中的等离子体分布规律

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、均匀等离子体,本文详细叙述了低轨道空间等离子体的特点,为了准确校准Langmuir( 朗缪尔) 探针,对空间模拟装置内等离子体的参数分布进行了详细的实验和数据分析,得到了电子密度、电子温度、空间电位、悬浮电位、德拜长度的分布规律,得出校准装置中心200 mm 以内为稳定的等离子体,从而在安装位置上有助于更好地对探针校准。

  等离子体技术研究领域广泛,学科交叉众多,应用前景广阔。从国家重大需求来看,在空间资源开发和利用方面,我国的航天活动日趋频繁。随着“神舟”载人飞船和“天宫一号”的交会对接、“双星”计划以及探月工程等重大项目的实施,这些都需要全面的掌握空间等离子体技术对航天器的影响。低地球轨道( LEO,Low Earth Orbit,简称低轨道) 一般是指10 ~ 1000 km 高度范围的轨道。电离层是低地球轨道重要的环境因素,是由太阳电磁辐射、宇宙线和沉降粒子作用于地球高层大气,使之电离而生成由电子、离子和中性粒子构成的能量很低的准中性等离子体区域,其中等离子体的密度、温度、成分和能量等随轨道高度而变化。在LEO 轨道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或者航天器不同部位间出现相对电位差,当电位差到达一定的阈值的时候会造成静电放电,甚至导致设备损坏,因此飞船和空间站上都需要装配等离子体电位探测器。

  国际空间站于2005 年8 月安装悬浮电位探测单元( FPMU) ,包括宽带Langmuir 探针( WLP) 、窄带Langmuir 探针( NLP) 各一个,以及悬浮电位探针( FPP) 和等离随着我国的航天器安装基于Langmuir探针的空间电位探测器不断增加,如何得知朗缪尔探针子体阻抗探针( PIP) 。它们可测量等离子体空间电位、密度和电子温度,四个电极提供交叉数据,互为参考,互相验证,最终通过联动计算给出可靠的等离子体空间电位数值。其中宽带Langmuir 探针( WLP) 的测量范围为- 80 ~ + 20 V,不确定度为±2 V。

  随着中国的航天器安装基于Langmuir 探针的空间电位探测器不断增加,如何得知朗缪尔探针量的准确性,因此如何准确校准探针是一个重要而急迫的任务。我们建立了一套低地球轨道等离子体环境模拟装置。测量了空间电位、悬浮电位、电子密度、电子温度、德拜长度等的分布规律,掌握了等离子体空间物理场的变化,有助于对Langmuir 探针的校准。

实验设备

  如图1 所示,试验系统有真空控制系统、温度控制系统、电子回旋共振( ECR,Electron Cyclotron Resonance)等离子体源系统、供气系统,Langmuir 探针系统、工控机系统等组成。下面对主要装置详细介绍。

空间等离子体测量装置示意图

图1 空间等离子体测量装置示意图

  环境模拟装置: 空间等离子体环境模拟装置的主体是一个卧式无油清洁真空室( 长1. 5 m、直径1m) ,极限真空度为5 × 10 - 5 Pa,温度控制范围:- 60 ~ + 100℃。真空系统包括直联式机械泵分子泵、、高真空气动插板阀复合真空计、不锈钢真空管路与法兰等真空获得和真空测量仪器。温度系统包括低温机组、热沉、温度巡检仪、加热模块及变压器。微波源装置: 满足保证空间等离子体的均匀,在环境模拟装置腔体两端各安装一个微波ECR 等离子体源,并且呈轴对称型安装。使用的微波功率为50 ~ 500 W 连续可调, 2450MHz 程控微波功率源。将频率为2. 45 GHz 的微波经石英玻璃窗注入到等离子体谐振腔,在875 ×10 - 4 T 磁场的作用下,电子在磁场中的回旋频率与微波频率相同而发生回旋共振,吸收能量,使工作气体电离而形成等离子体,产生的等离子体漂移扩至整个真空室。

  系统采用了由高性能微波环行器,销钉调配器,带反射波取样的水负载以及外部连接波导组成的优良微波传输系统。其中等离子体放电腔由优质不锈钢焊接而成,带双层水冷结构的大容积放电腔。气体质量流量控制装置: 采用3 路气体供给和控制系统。各路气体流量量程分别为: 20,20,10mL /min。实验气体可以使用Ar、N2、He 等。当气流量为10 mL /min 左右的时候,真空室压力能维持在5 × 100 ~ 5 × 10 -3 Pa。

  Langmuir 探针装置: 使用Langmuir 探针作为测量仪器,测量了等离子体的密度、电子温度、空间电位、悬浮电位等参数。探针扫描电压范围: - 150 ~+ 150 V,探针电流范围: 15 nA ~ 150 mA。使用了一维的电机驱动装置,测量了不同位置处的等离子体参数。

  工作基本过程是: 热真空系统达到预先设定的真空度,利用微波ECR 等离子体源,产生稳定、均匀的等离子体环境,等离子体密度范围为106 ~ 108 /cm3,等离子体温度为1 ~ 10 eV,利用计算机控制步进电机把探针送到预定探测位置。用幅度和频率可调的锯齿波电源给探针加上一个周期变化的电压,利用数据采集模块采集探针上的电压和电流值,送到计算机进行数据处理,得到探针的悬浮电位和等离子体的空间电位、电子温度和密度的参数。

结论

  在此空间等离子体模拟装备上进行了充分的试验,并对试验结果进行总体分析,可以得知空间物理场的分布状态,如空间电位、悬浮电位、电子温度在300 到中心位置处500 mm,比较稳定,有利于Langmuir探针的校准。而从等离子体器壁鞘层处到器壁这一段距离,各个参数变化较大,不利于校准。下一步需要在ECR 出口处进行结构改造,尽量使之产生均匀的大面积等离子体环境,模拟低轨道航天器空间等离子体环境。

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