航天器空間環境模擬器中的等離子體分布規律

真空基礎 宋瑞海 北京東方計量測試研究所

  低軌道航天器的空間等離子體環境主要為低溫、低密度、均勻等離子體,本文詳細敘述了低軌道空間等離子體的特點,為了準確校準Langmuir( 朗繆爾) 探針,對空間模擬裝置內等離子體的參數分布進行了詳細的實驗和數據分析,得到了電子密度、電子溫度、空間電位、懸浮電位、德拜長度的分布規律,得出校準裝置中心200 mm 以內為穩定的等離子體,從而在安裝位置上有助于更好地對探針校準。

  等離子體技術研究領域廣泛,學科交叉眾多,應用前景廣闊。從國家重大需求來看,在空間資源開發和利用方面,我國的航天活動日趨頻繁。隨著“神舟”載人飛船和“天宮一號”的交會對接、“雙星”計劃以及探月工程等重大項目的實施,這些都需要全面的掌握空間等離子體技術對航天器的影響。低地球軌道( LEO,Low Earth Orbit,簡稱低軌道) 一般是指10 ~ 1000 km 高度范圍的軌道。電離層是低地球軌道重要的環境因素,是由太陽電磁輻射、宇宙線和沉降粒子作用于地球高層大氣,使之電離而生成由電子、離子和中性粒子構成的能量很低的準中性等離子體區域,其中等離子體的密度、溫度、成分和能量等隨軌道高度而變化。在LEO 軌道上運行的航天器與周圍等離子體、高能帶電粒子、磁場和太陽輻射等環境因素的相互作用下,導致等離子體電荷在航天器上積累,使航天器與空間等離子體間或者航天器不同部位間出現相對電位差,當電位差到達一定的閾值的時候會造成靜電放電,甚至導致設備損壞,因此飛船和空間站上都需要裝配等離子體電位探測器。

  國際空間站于2005 年8 月安裝懸浮電位探測單元( FPMU) ,包括寬帶Langmuir 探針( WLP) 、窄帶Langmuir 探針( NLP) 各一個,以及懸浮電位探針( FPP) 和等離隨著我國的航天器安裝基于Langmuir探針的空間電位探測器不斷增加,如何得知朗繆爾探針子體阻抗探針( PIP) 。它們可測量等離子體空間電位、密度和電子溫度,四個電極提供交叉數據,互為參考,互相驗證,最終通過聯動計算給出可靠的等離子體空間電位數值。其中寬帶Langmuir 探針( WLP) 的測量范圍為- 80 ~ + 20 V,不確定度為±2 V。

  隨著中國的航天器安裝基于Langmuir 探針的空間電位探測器不斷增加,如何得知朗繆爾探針量的準確性,因此如何準確校準探針是一個重要而急迫的任務。我們建立了一套低地球軌道等離子體環境模擬裝置。測量了空間電位、懸浮電位、電子密度、電子溫度、德拜長度等的分布規律,掌握了等離子體空間物理場的變化,有助于對Langmuir 探針的校準。

實驗設備

  如圖1 所示,試驗系統有真空控制系統、溫度控制系統、電子回旋共振( ECR,Electron Cyclotron Resonance)等離子體源系統、供氣系統,Langmuir 探針系統、工控機系統等組成。下面對主要裝置詳細介紹。

空間等離子體測量裝置示意圖

圖1 空間等離子體測量裝置示意圖

  環境模擬裝置: 空間等離子體環境模擬裝置的主體是一個臥式無油清潔真空室( 長1. 5 m、直徑1m) ,極限真空度為5 × 10 - 5 Pa,溫度控制范圍:- 60 ~ + 100℃。真空系統包括直聯式機械泵分子泵、、高真空氣動插板閥復合真空計、不銹鋼真空管路與法蘭等真空獲得和真空測量儀器。溫度系統包括低溫機組、熱沉、溫度巡檢儀、加熱模塊及變壓器。微波源裝置: 滿足保證空間等離子體的均勻,在環境模擬裝置腔體兩端各安裝一個微波ECR 等離子體源,并且呈軸對稱型安裝。使用的微波功率為50 ~ 500 W 連續可調, 2450MHz 程控微波功率源。將頻率為2. 45 GHz 的微波經石英玻璃窗注入到等離子體諧振腔,在875 ×10 - 4 T 磁場的作用下,電子在磁場中的回旋頻率與微波頻率相同而發生回旋共振,吸收能量,使工作氣體電離而形成等離子體,產生的等離子體漂移擴至整個真空室。

  系統采用了由高性能微波環行器,銷釘調配器,帶反射波取樣的水負載以及外部連接波導組成的優良微波傳輸系統。其中等離子體放電腔由優質不銹鋼焊接而成,帶雙層水冷結構的大容積放電腔。氣體質量流量控制裝置: 采用3 路氣體供給和控制系統。各路氣體流量量程分別為: 20,20,10mL /min。實驗氣體可以使用Ar、N2、He 等。當氣流量為10 mL /min 左右的時候,真空室壓力能維持在5 × 100 ~ 5 × 10 -3 Pa。

  Langmuir 探針裝置: 使用Langmuir 探針作為測量儀器,測量了等離子體的密度、電子溫度、空間電位、懸浮電位等參數。探針掃描電壓范圍: - 150 ~+ 150 V,探針電流范圍: 15 nA ~ 150 mA。使用了一維的電機驅動裝置,測量了不同位置處的等離子體參數。

  工作基本過程是: 熱真空系統達到預先設定的真空度,利用微波ECR 等離子體源,產生穩定、均勻的等離子體環境,等離子體密度范圍為106 ~ 108 /cm3,等離子體溫度為1 ~ 10 eV,利用計算機控制步進電機把探針送到預定探測位置。用幅度和頻率可調的鋸齒波電源給探針加上一個周期變化的電壓,利用數據采集模塊采集探針上的電壓和電流值,送到計算機進行數據處理,得到探針的懸浮電位和等離子體的空間電位、電子溫度和密度的參數。

結論

  在此空間等離子體模擬裝備上進行了充分的試驗,并對試驗結果進行總體分析,可以得知空間物理場的分布狀態,如空間電位、懸浮電位、電子溫度在300 到中心位置處500 mm,比較穩定,有利于Langmuir探針的校準。而從等離子體器壁鞘層處到器壁這一段距離,各個參數變化較大,不利于校準。下一步需要在ECR 出口處進行結構改造,盡量使之產生均勻的大面積等離子體環境,模擬低軌道航天器空間等離子體環境。