低地球軌道空間等離子體參數的試驗研究

　　由于低地球軌道(LEO)空間中存在等離子體，會(huì )造成航天器表面的絕對電位不同，在空間站對接等過(guò)程中容易產(chǎn)生靜電放電，從而影響航天器的正常運行。為了更準確的研究低地球軌道高度上等離子體對航天器表面電位的影響，本文采用微波電子回旋共振(ECR)等離子體源模擬了空間等離子體，運用靜電探針?lè )ǐ@取了等離子體的伏安特性曲線(xiàn)，并分析了氣流量和微波源功率對電子密度的影響，對模擬分析不同軌道高度空間等離子體對航天器電位影響有重要意義。

　　等離子體是宇宙空間物質(zhì)結構的主要形態(tài)，尤其是在高度為200 km~400 km 的低地球軌道(LEO)上，由于光致電離的作用，其空間等離子體的溫度一般在1 eV 左右，密度為10⁹ /m³~10¹³/m³，而且在空間尺度上很均勻�？梢钥闯�，在低軌道空間的等離子體屬于低溫等離子體，而為了模擬空間等離子體環(huán)境，首先必須選擇合適的等離子體源。等離子體源按照放電類(lèi)型來(lái)分類(lèi)可以分為熱陰極、冷陰極、高頻和微波源。在本研究中采用微波電子回旋共振(ECR)等離子體源來(lái)獲取所需的低溫等離子體。ECR 等離子體源主要由高壓電源、磁控管、磁場(chǎng)線(xiàn)圈、環(huán)行器、銷(xiāo)釘調配器等部分組成，其工作原理如圖1 所示。同傳統的等離子體源相比，由于其沒(méi)有陰極，所以無(wú)電極燒蝕的弊端，具有電離度高、效率高、工作壽命長(cháng)的特點(diǎn)，使用氣體的種類(lèi)多(氬、氮、氦、氫、氧氣等)，而且性能也比較穩定，適合空間實(shí)驗長(cháng)時(shí)間的要求。

圖1 微波ECR 等離子體源工作原理圖

　　對空間等離子體的診斷，目前常用的儀器主要有各種粒子譜儀和靜電探針。靜電探針，又稱(chēng)為朗繆爾探針(Langmuir probe)，是最古老的、但又最常用的低溫等離子體診斷方法，其具有質(zhì)量小、結構相對簡(jiǎn)單、所獲信息豐富等特點(diǎn)，在等離子體診斷中應用十分廣泛。通過(guò)一定的簡(jiǎn)化模型，可以獲取探針所在空間內的等離子體的空間電位、懸浮電位、電子溫度、電子密度等參量。因此，在本研究中采用朗繆爾探針對等離子體的特征參數進(jìn)行了診斷。

1、試驗裝置

　　空間等離子體模擬試驗裝置如圖2 所示，其中，該裝置中的真空室直徑1 m，長(cháng)1.5 m。依次啟動(dòng)各級真空泵后，室溫下真空室空載壓強可達5×10^-5 Pa。真空室內放入被檢測儀器、導線(xiàn)和實(shí)驗平臺后，真空室壓強仍然可以達到5×10^-4 Pa，完全可以滿(mǎn)足模擬空間環(huán)境對真空壓強的要求。真空獲得由分子泵和機械泵共同實(shí)現，為清潔無(wú)油高真空系統。該真空系統的一側對稱(chēng)開(kāi)有法蘭口，裝有ECR 微波源，真空室頂部法蘭口上裝有朗繆爾探針。

圖2 空間等離子體模擬試驗裝置示意圖

結論

　　通過(guò)診斷試驗，獲得了等離子體的I-V 特性曲線(xiàn)，從結果看出，其實(shí)際變化趨勢符合相關(guān)理論。獲得的等離子體的特征參數符合低地球軌道空間等離子體的量值。同時(shí)，從對氣體流量和微波功率對等離子體參數影響的討論結果可以看出，氣體流量和微波功率對等離子體電子密度的影響較顯著(zhù)。隨氣流量的增大，電子密度在逐漸降低;而在一定范圍內隨著(zhù)微波功率增大，電子密度也會(huì )隨之增大。通過(guò)調節這兩個(gè)參數可以方便實(shí)現對具有特定電子密度的等離子體的獲得，對于研究特定軌道上等離子體對航天器表面電位的影響有重要意義。