航天器空間環(huán)境模擬器中的等離子體分布規律

　　低軌道航天器的空間等離子體環(huán)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(diǎn)，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(jìn)行了詳細的實(shí)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(cháng)度的分布規律，得出校準裝置中心200 mm 以?xún)葹榉�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(shù)研究領(lǐng)域廣泛，學(xué)科交叉眾多，應用前景廣闊。從國家重大需求來(lái)看，在空間資源開(kāi)發(fā)和利用方面，我國的航天活動(dòng)日趨頻繁。隨著(zhù)“神舟”載人飛船和“天宮一號”的交會(huì )對接、“雙星”計劃以及探月工程等重大項目的實(shí)施，這些都需要全面的掌握空間等離子體技術(shù)對航天器的影響。低地球軌道( LEO，Low Earth Orbit，簡(jiǎn)稱(chēng)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(huán)境因素，是由太陽(yáng)電磁輻射、宇宙線(xiàn)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?chē)�等離子體、高能帶電粒子、磁場(chǎng)和太陽(yáng)輻射等環(huán)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(shí)候會(huì )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(gè)，以及懸浮電位探針( FPP) 和等離隨著(zhù)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(gè)電極提供交叉數據，互為參考，互相驗證，最終通過(guò)聯(lián)動(dòng)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(zhù)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(gè)重要而急迫的任務(wù)。我們建立了一套低地球軌道等離子體環(huán)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(cháng)度等的分布規律，掌握了等離子體空間物理場(chǎng)的變化，有助于對Langmuir 探針的校準。

實(shí)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。

圖1 空間等離子體測量裝置示意圖

　　環(huán)境模擬裝置: 空間等離子體環(huán)境模擬裝置的主體是一個(gè)臥式無(wú)油清潔真空室( 長(cháng)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(lián)式機械泵、分子泵、、高真空氣動(dòng)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?jì)x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(mǎn)足保證空間等離子體的均勻，在環(huán)境模擬裝置腔體兩端各安裝一個(gè)微波ECR 等離子體源，并且呈軸對稱(chēng)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(jīng)石英玻璃窗注入到等離子體諧振腔，在875 ×10 - 4 T 磁場(chǎng)的作用下，電子在磁場(chǎng)中的回旋頻率與微波頻率相同而發(fā)生回旋共振，吸收能量，使工作氣體電離而形成等離子體，產(chǎn)生的等離子體漂移擴至整個(gè)真空室。

　　系統采用了由高性能微波環(huán)行器，銷(xiāo)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(yōu)良微波傳輸系統。其中等離子體放電腔由優(yōu)質(zhì)不銹鋼焊接而成，帶雙層水冷結構的大容積放電腔。氣體質(zhì)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(shí)驗氣體可以使用Ar、N2、He 等。當氣流量為10 mL /min 左右的時(shí)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?jì)x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(dòng)裝置，測量了不同位置處的等離子體參數。

　　工作基本過(guò)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(chǎn)生穩定、均勻的等離子體環(huán)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(jìn)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(gè)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(jìn)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(jìn)行了充分的試驗，并對試驗結果進(jìn)行總體分析，可以得知空間物理場(chǎng)的分布狀態(tài)，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(gè)參數變化較大，不利于校準。下一步需要在ECR 出口處進(jìn)行結構改造，盡量使之產(chǎn)生均勻的大面積等離子體環(huán)境，模擬低軌道航天器空間等離子體環(huán)境。