微波ECR等離子體裝置的性能研究

　　低軌道航天器的空間等離子體環(huán)境主要為低溫、低密度、等離子體。文章詳細(xì)敘述了等離子體對航天器的影響及其兩個ECR 微波等離子體校準(zhǔn)裝置的組成結(jié)構(gòu)，并使用標(biāo)準(zhǔn)Langmuir 探針對等離子體的參數(shù)進(jìn)行實驗測量和分析，得到了電子密度、電子溫度、空間電位和懸浮電位等參數(shù)，滿足了電子密度10⁶ ～ 10⁸ 個/cm³ ，電子溫度1 ～10 eV 等低軌道航天器的空間等離子體參數(shù)要求。

引言

　　空間環(huán)境中存在著以電離層等形式的低溫等離子體，例如太陽在不斷地噴射等離子體微粒流，形成太陽風(fēng)，在磁層中充滿了各種能量的帶電粒子和等離子體。電離層是一種天然的、長期存在的低溫、低密度的等離子體。其中等離子體的密度、溫度、成分和能量等隨著高度不同而有所變化。而在低地球軌道( Low Earth Orbit，LEO) 上運(yùn)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(huán)境因素的相互作用下，導(dǎo)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不同部位間出現(xiàn)相對電位差，當(dāng)電位差到達(dá)一定的閾值時會造成靜電放電，甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞。因此，從保證人員和航天儀器設(shè)備的安全角度考慮，開展等離子體環(huán)境研究，已成為了空間環(huán)境的主要課題之一。

實驗裝置

　　由于低軌道航天器所處的F2 層是低溫、低密度的等離子體，所以等離子體模擬裝置包括真空環(huán)境系統(tǒng)、真空獲得系統(tǒng)、真空測量系統(tǒng)、等離子體源系統(tǒng)、設(shè)備電源系統(tǒng)、等離子體測試系統(tǒng)等。國內(nèi)等離子體環(huán)境模擬設(shè)備主要集中在北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所、中科院空間中心等單位，國外等離子體環(huán)境模擬設(shè)備主要集中在美國海軍實驗室和印度等離子體研究所等單位，如表1 所列。

表1 國內(nèi)外等離子體主要模擬單位及參數(shù)

　　在分析國內(nèi)外此類設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)后，設(shè)計基于ECR 的雙源結(jié)構(gòu)，滿足低軌道要求的等離子體環(huán)境�？臻g等離子體環(huán)境模擬器系統(tǒng)如圖1 所示。裝置的主要技術(shù)指標(biāo): 溫度控制范圍- 60 ～ 100 ℃;真空范圍10⁵ ～ 10 ^{- 5} Pa; 等離子體產(chǎn)生電子密度范圍為10⁶ ～ 10⁸ 個/cm3 ; 電子溫度的范圍為1 ～10 eV; 空間電位的范圍為- 100 ～ 50 V。

圖1 空間等離子體環(huán)境模擬器系統(tǒng)示意圖

1. 供氣系統(tǒng); 2. 微波源系統(tǒng); 3. 電氣控制柜; 4. 探針系統(tǒng);5. 工控機(jī); 6. 真控獲得系統(tǒng); 7. 溫度控制系統(tǒng)

真空環(huán)境模擬系統(tǒng)

　　真空容器是直徑為1 m，長度為1. 5 m 的真空罐，可獲得清潔無油的10 ^{- 5} Pa 真空度。真空罐采用放氣率低的不銹鋼材料制造，真空罐上設(shè)計有觀察窗和多個真空備用接口，容器表面進(jìn)行噴砂處理。真空獲得系統(tǒng)，采用抽速為1 600 L /s 的分子泵及機(jī)械泵和插板閥等，以達(dá)到清潔無油高真空環(huán)境。為提高抽速，縮短真空獲得時間，采用三臺并聯(lián)分子泵抽氣。5 h 后獲得極限真空度為3. 6 × 10 ^{- 5} Pa。真空測量系統(tǒng)，采用電離和電阻復(fù)合式真空計，能夠測量壓力范圍是10⁵ ～ 10 ^-5 Pa，實時可以監(jiān)測真空罐內(nèi)真空度的變化。保證真空罐內(nèi)的真空度完全維持在要求的真空度。

溫度實驗?zāi)�擬系統(tǒng)

　　溫度控制及測量系統(tǒng)，真空室內(nèi)裝有銅材料的熱沉，采用特制硅油作工質(zhì)，用外置復(fù)疊式制冷機(jī)，通過外循環(huán)對熱沉進(jìn)行制冷，用電加熱方式對熱沉進(jìn)行加熱。熱沉表面涂航天專用黑漆，吸收率和半球反射率均高于0. 9，熱沉溫度范圍- 60 ～ 100 ℃。測溫采用FP - 93 型溫控儀，加熱模塊及變壓器，高精度的溫度巡檢儀和高精度鉑電阻等。其中高精度鉑電阻在真空室內(nèi)壁布有9 個測溫點(diǎn)，溫度測量的誤差小于± 0. 3 ℃。

微波放電系統(tǒng)

　　微波電子回旋共振( ECR) 離子源是一種無陰極源，具有電離能力強(qiáng)( 約10%) 、等離子體密度高( 10⁸ ～ 10¹⁴ cm ^{- 3} ) 、氣壓低( 10 ^{- 1} Pa 量級) 、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。反應(yīng)粒子活性高、離子能量低、無高能粒子損傷、沒有污染、磁場約束、減少等離子體與反應(yīng)室壁的相互作用。是一種低氣壓、高密度等離子體源，能夠在較低的氣壓下產(chǎn)生大面積均勻的高密度等離子體。

結(jié)論

　　通過對兩個ECR 等離子體源的對稱放置，減小了環(huán)境模擬裝置中的密度梯度，形成較均勻的等離子體，相對于應(yīng)用環(huán)境模擬裝置中頂部使用一個ECR 等離子體源來說，產(chǎn)生的等離子體較好。以上實驗結(jié)果分析得出，對ECR 源產(chǎn)生的等離子體，及空間電位、懸浮電位、電子密度和電子溫度等模擬參數(shù)，可以得到最優(yōu)化的微波ECR 等離子體工作狀態(tài)，滿足低軌道航天器空間等離子體環(huán)境下校準(zhǔn)朗繆爾探針的需求。