CN102944721A - 一种卫星尾区离子电流收集测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种卫星尾区离子电流收集测试装置及方法，属于空间充放电效应电流收集领域。所述装置包括金属圆盘、电流收集电极、电流计、等离子体诊断系统、考夫曼离子源、抽真空系统、高压偏置电源、PC机、真空室、灯丝。所述方法包括：打开抽真空系统对真空室抽真空；打开灯丝，使灯丝发射电子电流；打开考夫曼离子源，在离子源栅极上施加离子加速电压，使离子源发射离子束流；打开高压偏置电源，对电流收集电极施加偏置电压，通过电流计读出不同偏置电压下的离子收集电流，作出离子收集电流与施加偏压之间的I-V特性曲线，实现了卫星尾区不同充电电位和不同位置的离子电流收集情况的测量。

Description

一种卫星尾区离子电流收集测试装置及方法
技术领域
本发明涉及一种卫星尾区离子电流收集测试装置及方法，属于空间充放电效应电流收集领域。
背景技术
当卫星运行在低温度高密度等离子体环境中时，在其尾区形成一明显的“航迹”，这是一个不相等的电子和离子耗尽区，由于卫星运动速率大于离子热速率而小于电子热速率，因此电子可较容易地进入这个区域从而形成一负电位势垒，这就是所谓的“尾区效应”，其对卫星的明显作用是在尾区介质表面将充电至一较高的负电位。一般地，卫星因“尾区效应”而形成的表面带电是影响低轨道特别是极轨卫星安全运行的重要问题之一。
尾区带电效应表面电位主要依赖于收集的电子通量与离子通量之比，通过卫星尾区的电流收集特性规律研究，可为进一步开展航天器电位分析提供数据基础。目前，我国在此方面的研究处于空白。因此，本项发明主要提供一种尾区电流收集效应试验装置和方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种为卫星表面充电情况的在轨监测的设计方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种卫星尾区离子电流收集测试装置，所述装置包括：金属圆盘、电流收集电极、电流计、等离子体诊断系统、考夫曼离子源、抽真空系统、高压偏置电源、PC机、真空室、灯丝；
其中，在真空室内部，灯丝对称安装在真空室的上下壁面上；金属圆盘通过金属丝竖直悬挂在真空室的中心位置；考夫曼离子源安装在真空室左侧壁面上，并与金属圆盘的盘面正对；电流收集电极位于金属圆盘的右侧，通过支持杆对电流收集电极进行支撑；考夫曼离子源、金属圆盘、电流收集电极的中心位于一条直线上；等离子体诊断系统位于真空室内部；
在真空室外部，PC机与等离子体诊断系统连接；高压偏置电源一端接地，高压偏置电源另一端通过导线与电流计连接后，导线穿过真空室与电流收集电极连接；抽真空系统与真空室连接；
优选金属圆盘为铝圆盘，直径为10cm，厚度为2cm；
优选所述电流收集电极为直径5mm的不锈钢球；
优选金属圆盘和考夫曼离子源出口之间的距离为30~40cm；电流收集电极与金属圆盘中心的直线距离为1~15cm。
优选所述等离子体诊断系统为Langmuir探针。
优选所述灯丝为钨丝。
一种卫星尾区离子电流收集测试方法，所述方法步骤如下：
步骤一、打开抽真空系统对真空室抽真空；
步骤二、打开灯丝，使灯丝发射电子电流；打开考夫曼离子源，在离子源栅极上施加离子加速电压，使离子源发射离子束流；打开等离子体诊断系统，对等离子体环境的密度和能量进行诊断，根据诊断结果调节发射的离子和电子电流。
步骤三、打开高压偏置电源，对电流收集电极施加偏置电压，通过电流计读出不同偏置电压下的离子收集电流，作出离子收集电流与施加偏压之间的I-V特性曲线。
步骤四、改变电流收集电极与金属圆盘中心的直线距离，重复步骤二和步骤三，获得尾区不同位置下的离子收集电流与施加偏压之间的I-V特性曲线。
优选步骤一中，抽真空后真空室的真空度≤8.0x10-4Pa。
优选步骤二中，打开考夫曼离子源在离子源栅极上施加100~1000V的离子加速电压，所述电子电流和离子束流密度范围均为50~200mA/cm2；根据诊断结果调节真空室内的等离子体密度为109~1012/m3。
优选步骤三中，高压偏置电源对离子电流收集电极施加偏置电压的范围为1~-20kV，增加步长为500~2000V。
优选步骤四中，电流收集电极与金属圆盘中心直线距离的变化范围为1~15cm。
有益效果
（1）本发明提供了一种卫星尾区离子电流收集测试装置，所述装置采用了金属圆盘放置在定向流动的等离子体中，在金属圆盘的离子流下游即可产生尾区效应代替卫星结构，产生尾区等离子体环境。消除了卫星上介质充电效应对尾区不同区域离子电流收集的影响；
（2）所述装置利用金属球作为电流收集电极，放置在圆盘的尾区，可在金属球上施加不同的偏置电压模拟不同的充电电位，并能在其接线回路上串联一个电流计用于测量金属球的收集电流。实现了尾区不同充电电位和不同位置的离子电流收集情况的测量。
（3）本发明提供了一种卫星尾区离子电流收集测试方法，将离子电流收集系统放置在金属圆盘后不同的位置，打开真空系统，待真空度达到要求，再打开离子源和等离子体诊断系统，通过在离子电流收集电极（不锈钢球）上施加不同的偏执电压，得到其不同位置的I-V特性曲线。
附图说明
图1为本发明所述的卫星尾区离子电流收集测试装置的示意图。
图中：1为金属圆盘，2为电流收集电极，3为电流计，4为等离子体诊断系统，5为考夫曼离子源，6为灯丝，7为PC机，8为高压偏置电源，9为抽真空系统，10为真空室。
图2为实施例中尾区不同位置下的离子电流收集的I-V特性曲线。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明作进一步说明。
实施例
如图1所示的一种卫星尾区离子电流收集测试装置，所述装置包括：金属圆盘1、电流收集电极2、电流计3、等离子体诊断系统4、考夫曼离子源5、抽真空系统9、高压偏置电源8、PC机7、真空室10、灯丝6；
其中，在真空室10内部，灯丝6对称安装在真空室10的上下壁面上；金属圆盘1通过金属丝竖直悬挂在真空室10的中心位置；考夫曼离子源5安装在真空室10左侧壁面上，并与金属圆盘1的盘面正对；电流收集电极2位于金属圆盘1的右侧，通过支持杆对电流收集电极2进行支撑；考夫曼离子源5、金属圆盘1、电流收集电极2的中心位于一条直线上；等离子体诊断系统4位于真空室10内部；
在真空室10壁面上开有通孔，导线穿过通孔，将位于真空室10外部的PC机7与等离子体诊断系统4连接；真空室10外部的高压偏置电源8一端接地，另一端通过导线与电流计3连接后，导线穿过真空室10与电流收集电极2连接；抽真空系统9与真空室10连接；
其中，所述金属圆盘1为铝圆盘，直径为10cm，厚度为2cm；所述电流收集电极2为直径5mm的不锈钢球；金属圆盘1和考夫曼离子源5出口之间的距离为30~40cm；电流收集电极2与金属圆盘1中心的直线距离为1~15cm。所述等离子体诊断4系统为Langmuir探针。所述灯丝6为钨丝。
一种卫星尾区离子电流收集测试方法，所述方法步骤如下：
步骤一、打开抽真空系统9对真空室10抽真空，使真空度≤8.0x10-4Pa；
步骤二、打开灯丝6，使灯丝6发射35mA/cm2的电子电流；打开考夫曼离子源5，在离子源5栅极上施加100V的离子加速电压，使离子源5发射30mA/cm2的离子束流；打开等离子体诊断系统4，对等离子体环境的密度和能量进行诊断，根据诊断结果调节发射的离子和电子电流，使真空室10内的等离子体密度为109/m3左右。
步骤三、打开高压偏置电源8，对电流收集电极2施加偏置电压，偏置电压的范围为1~-20kV可调，增加步长为500V，通过电流计3读出不同偏置电压下的离子收集电流，作出离子收集电流与施加偏压之间的I-V特性曲线。
步骤四、改变电流收集电极2与金属圆盘1中心的直线距离，所述直线距离变化范围为1~15cm，重复步骤二和步骤三，获得尾区不同位置下的离子收集电流与施加偏压之间的I-V特性曲线。图2为为电流收集电极2与金属圆盘1中心直线距离分别为2、4、10cm时（分别对应曲线a、b、c），离子收集电流与施加偏压之间的I-V特性曲线。从图2中可以看出，当电流收集电极2与金属圆盘1距离越近时，在同一施加偏压下对应的电流值越小，可以很好模拟卫星尾区的状况。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种卫星尾区离子电流收集测试装置，其特征在于：所述装置包括：金属圆盘（1）、电流收集电极（2）、电流计（3）、等离子体诊断系统（4）、考夫曼离子源（5）、抽真空系统（9）、高压偏置电源（8）、PC机（7）、真空室（10）、灯丝（6）；
其中，在真空室（10）内部，灯丝（6）对称安装在真空室（10）的上下壁面上；金属圆盘（1）通过金属丝竖直悬挂在真空室（10）的中心位置；考夫曼离子源（5）安装在真空室（10）左侧壁面上，并与金属圆盘（1）的盘面正对；电流收集电极（2）位于金属圆盘（1）的右侧，通过支持杆对电流收集电极（2）进行支撑；考夫曼离子源（5）、金属圆盘（1）、电流收集电极（2）的中心位于一条直线上；等离子体诊断系统（4）位于真空室（10）内部；
在真空室（10）外部，PC机（7）与等离子体诊断系统（4）连接；高压偏置电源（8）一端接地，另一端通过导线与电流计（3）连接后，导线穿过真空室（10）与电流收集电极（2）连接；抽真空系统（9）与真空室（10）连接。
2.根据权利要求1所述的一种卫星尾区离子电流收集测试装置，其特征在于：金属圆盘（1）为铝圆盘，直径为10cm，厚度为2cm。
3.根据权利要求1所述的一种卫星尾区离子电流收集测试装置，其特征在于：所述电流收集电极（2）为直径5mm的不锈钢球。
4.根据权利要求1所述的一种卫星尾区离子电流收集测试装置，其特征在于：金属圆盘（1）和考夫曼离子源（5）出口之间的距离为30~40cm；电流收集电极（2）与金属圆盘（1）中心的直线距离为1~15cm。
5.根据权利要求1所述的一种卫星尾区离子电流收集测试装置，其特征在于：所述等离子体诊断系统（4）为Langmuir探针。
6.根据权利要求1所述的一种卫星尾区离子电流收集测试装置，其特征在于：所述灯丝（6）为钨丝。
7.一种卫星尾区离子电流收集测试方法，其特征在于：所述方法使用如权利要求1~6所述的装置，步骤如下：
步骤一、打开抽真空系统（9）对真空室抽真空；
步骤二、打开灯丝（6）发射电子电流；打开考夫曼离子源（5），在离子源（5）栅极上施加离子加速电压，使离子源（5）发射离子束流；打开等离子体诊断系统（4），对等离子体环境的密度和能量进行诊断；
步骤三、打开高压偏置电源（8），对电流收集电极（2）施加偏置电压，通过电流计（3）读出不同偏置电压下的离子收集电流，作出离子收集电流与施加偏压之间的I-V特性曲线；
步骤四、改变电流收集电极（2）与金属圆盘（1）中心的直线距离，重复步骤二和步骤三，获得不同位置下的离子收集电流与施加偏压之间的I-V特性曲线。
8.根据权利要求7所述的一种卫星尾区离子电流收集测试方法，其特征在于：步骤一中，抽真空后真空室（10）的真空度≤8.0x10-4Pa。
9.根据权利要求7所述的一种卫星尾区离子电流收集测试方法，其特征在于：步骤二中，打开考夫曼离子源（5）在离子源栅极上施加100~1000V的离子加速电压，所述电子电流和离子束流密度范围均为50~200mA/cm2；根据诊断结果调节真空室（10）内的等离子体密度为109~1012/m3。
10.根据权利要求7所述的一种卫星尾区离子电流收集测试方法，其特征在于：步骤三中，高压偏置电源（8）对电流收集电极（2）施加偏置电压的范围为1~-20kV，增加步长为500~2000V。
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