CN104422478A - 用于超高速撞击中瞬态等离子体参数测量的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于超高速撞击中瞬态等离子体参数测量的装置，包括多层栅网传感器、电源和示波器；其中，多层栅网传感器利用带电栅网分析空间碎片撞击形成的等离子体能量，得到包括等离子体密度、能量、扩散速度在内的参数；所得到的结果在示波器上显示；多层栅网传感器传按照从上到下的顺序依次包括：屏蔽体、粒子筛选栅网、能量扫描栅网、抑制电子栅网和收集电极；屏蔽体用于屏蔽内部电场，避免各层栅网上所加电压对外界等离子体环境造成影响；粒子筛选栅网用于区分正负粒子；能量扫描栅网通过加扫描偏压获得粒子的能量信息；抑制电子栅网既能防止收集电极上二次电子和光电子的发射，也能防止对前端电子学的干扰；收集电极用于收集等离子体。

Description

用于超高速撞击中瞬态等离子体参数测量的装置与方法

技术领域

本发明涉及航天领域，特别涉及一种用于超高速撞击中瞬态等离子体参数测量的装置与方法。

背景技术

空间碎片超高速撞击航天器材料可在局部产生瞬态等离子体环境，进而威胁航天器的在轨安全可靠工作。空间碎片的典型速度范围在1-15km/s，当空间碎片以超高速撞击航天器材料表面时会将部分动能转化成气化能和电离能，通过碎片和靶材料的电离会形成一个局部稠密的瞬态等离子体云团。空间碎片撞击形成的瞬态等离子体云团对航天器的影响主要有两种机制，一是撞击形成的致密等离子体覆盖到航天器带电区域，导致该区域在较低电压下发生静电放电，放电脉冲冲击航天器的电子系统导致其异常甚至失效；另一种机制是撞击航天器带电区域形成的等离子体，在扩散过程中通过与已有电场的作用形成一定强度的电磁波，该电磁波可能会耦合到航天器的工作电路和天线中，形成干扰和“虚假”信号。

目前，等离子体参数诊断方法主要有接触法和非接触法两大类。接触法主要包括郎缪尔探针法、法拉第筒、阻滞势分析器和离子捕集器等，接触法的特点是会对等离子体的平衡状态造成扰动，主要用于大范围、均匀分布等离子体参数的测量。非接触法有光谱法、微波透射法、激光诊断法等，其特点是对等离子体产生的扰动较小，一般用于对小范围或非均匀等离子体进行精确诊断。空间碎片超高速撞击产生的等离子体是一种低温、稠密的瞬态等离子体，其持续时间在微秒量级、发光信号较弱。上述传统的等离子体测量仪器无法满足超高速撞击中瞬态等离子体参数测量的需求，具体原因如下：

1、接触法测量超高速撞击瞬态等离子体参数的不足

对于郎缪尔探针法来说，主要通过在探针上加不同电压引起的电流变化推算等离子体参数，因此郎缪尔探针测量法要求等离子体处于某一稳定状态下进行测量，而空间碎片超高速撞击产生的等离子体只能持续几个微秒，因此探针很难在如此短时间内获得足够信息，即使扫描电源具有非常高的扫描频率测量精度也很难保证。对于法拉第筒、阻滞势分析器、离子捕集器来说，主要是根据传感器上直接收集的带电粒子电流来推算等离子体参数，因此传感器的电荷收集效率至关重要。由于空间碎片超高速撞击形成的等离子体能量较低（1～10eV），等离子体在扩散到传感器的传输过程中会损失严重导致收集效率低下。

2、非接触法测量超高速撞击瞬态等离子体参数的不足

对于光谱法来说，主要是使用光纤探测等离子体信号，测量等离子体的特征谱线，通过光谱仪进行数据采集和分析来获得等离子体参数。光谱法要求背景干扰的光信号弱，撞击产生的等离子体发光信号强才能得到理想的测量效果。然而，目前国内在地面模拟空间碎片超高速撞击的实验设备，主要采用爆炸、等离子体驱动、激光等手段进行加速，均含有较强的干扰信号；同时，撞击形成的等离子体能量低、持续时间段也导致了其发光强度很弱，因此很难达到测量要求。对于微波透射法、激光诊断法来说，主要是利用微波、激光与等离子体相互作用对等离子体参数进行反演计算。空间碎片超高速撞击的产生的等离子体所在位置具有随机性，因此很难准确设计微波及激光的传输路径。

综上所述，传统的等离子体诊断方法很难满足空间碎片超高速撞击中等离子体参数的测量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的等离子体诊断方法很难满足空间碎片超高速撞击中等离子体参数的测量的缺陷，从而提出一种测量精度高、分辨率好、效率高、成本低的测量装置与方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于超高速撞击中瞬态等离子体参数测量的装置，包括多层栅网传感器、电源和示波器；其中，所述电源为所述多层栅网传感器和示波器提供电能，所述多层栅网传感器利用带电栅网分析空间碎片撞击形成的等离子体能量，从而得到包括等离子体密度、能量、扩散速度在内的参数；所得到的结果在所述示波器上显示；

所述多层栅网传感器传按照从上到下的顺序依次包括：屏蔽体、粒子筛选栅网、能量扫描栅网、抑制电子栅网和收集电极；所述的屏蔽体用于屏蔽内部电场，避免各层栅网上所加电压对外界等离子体环境造成影响；所述粒子筛选栅网用于区分正负粒子；所述能量扫描栅网通过加扫描偏压获得粒子的能量信息；所述抑制电子栅网既能防止收集电极上二次电子和光电子的发射，也能防止对前端电子学的干扰；所述收集电极用于收集等离子体。

上述技术方案中，各层栅网之间、底层栅网与收集电极之间的距离均为4mm。

上述技术方案中，所述屏蔽体为一个铝合金的空心圆柱体，其顶层开有一个用于让等离子体进入的孔。

上述技术方案中，所述粒子筛选栅网、能量扫描栅网、抑制电子栅网所采用的材料包括钨、金、铍铜以及奥氏体不锈钢。

上述技术方案中，所述粒子筛选栅网、能量扫描栅网、抑制电子栅网的网丝粗细为0.2mm，网格尺寸为1.5×2mm，栅网单层正面透过率为80.2%。

上述技术方案中，所述收集电极采用印刷电路板镀金的工艺制作。

本发明还提供了一种超高速撞击中瞬态等离子体参数测量的方法，用于在包含撞击靶、至少两个所述装置的真空靶室中测量等离子体的参数，该方法包括：

步骤1）、装置调试步骤；

该步骤进一步包括：

将传感器中的屏蔽体接地；

为粒子筛选栅网加载电压，若要测量等离子体中的电子密度，则为粒子筛选栅网加正电，若要测量等离子体中的离子密度，则为粒子筛选栅网加负电，所要加载的电压的大小根据所要测量的等离子体中的粒子能量确定；

为能量扫描栅网加载电压，若要测量等离子体中的电子能量，则为能量扫描栅网加载负电，若要测量等离子体中的离子能量，则为能量扫描栅网加载正电；

为抑制电子栅网加载负电，所加载负电的电压值由待测等离子体能量确定；

为收集电极串联一个取样电阻然后接地，所述取样电阻上的电压信号会被示波器采集；

步骤2）、等离子体参数测量的步骤；

当启动空间碎片加速器后，开始对等离子体参数进行测量；对等离子体参数的测量包括等离子体密度、等离子体能量和等离子体扩散速度的测量；

等离子体密度测量包括：利用示波器收集传感器中的收集电极在不同速度空间碎片撞击下形成的电压信号，结合取样电阻值获得电流信号，将电流信号对时间求积分即可得到收集的等离子体总电荷，从而得到等离子体的密度信息；

等离子体能量的测量包括：改变能量扫描栅网上所加载的电压，根据能量扫描栅网上所加载的不同电压值收集粒子电流信息，从而获得完整的V-I曲线，进而可获得等离子体中的粒子能量参数；

等离子体扩散速度的测量包括：测量空间碎片在两个传感器中的撞击点距离，结合采集信号的时间差，计算出等离子体扩散速度参数。

上述技术方案中，所述步骤1）还包括对撞击靶的调试，包括：在撞击靶上或撞击靶后面加一个电压，对形成的等离子体电子或离子进行加速，以提高测量精度；如果要测量等离子体中电子参数，则撞击靶上加负电；如果要测量等离子体中离子参数，则撞击靶上加正电。

本发明的优点在于：

1、本发明中的传感器可直接收集空间碎片撞击形成的等离子体电子或离子，利用示波器可采集到一个持续时间为几微秒的电压脉冲信号，结合采集电路中电阻值可将电压信号换算成电流信号，通过对电流信号与时间的积分可求得电荷数，进而得到等离子体密度参数；通过调节能量扫描栅网电压，可得到等离子体的能量参数。

2、测量实验中通过撞击靶上加电压可对等离子体的电子或离子进行加速，从而降低等离子体在扩散传输中的损失，提高测量结果的准确性。

3、本发明具有完善的屏蔽设计，确保栅网上所加电压不会对外部等离子体环境造成影响，使测量结果更准确、可靠；

4、本发明能够同时高效测量多颗空间碎片撞击形成的等离子体参数；空间碎片往往同时多颗撞击靶上，本方法具有非常好的时间分辨特性，能够同时高效得测量不同速度的空间碎片撞击形成的等离子体参数。

5、成本低、效率高。

附图说明

图1是多层栅网传感器的结构示意图；

图2是本发明的应用场景的示意图；

图3是示波器采集的实验结果的示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的用于空间碎片超高速撞击中瞬态等离子体参数测量的装置包括多层栅网传感器、电源和示波器；其中，所述电源为所述多层栅网传感器和示波器提供电能，所述多层栅网传感器利用带电栅网分析空间碎片撞击形成的等离子体能量，从而得到包括等离子体密度、能量、扩散速度在内的参数；所得到的结果在所述示波器上显示。

在图1中对所述多层栅网传感器的结构做了进一步的描述。如图所示，该传感器按照从上到下的顺序依次包括：屏蔽体、粒子筛选栅网、能量扫描栅网、抑制电子栅网和收集电极；其中的屏蔽体用于屏蔽内部电场，可避免各层栅网上所加电压对外界等离子体环境造成影响，一般需要将其接地；粒子筛选栅网主要用于区分正负粒子，如果测量带正电荷粒子则加负电，如果测量电子则加正电；能量扫描栅网主要通过加扫描偏压获得粒子的能量信息，只有高于阻滞能量的粒子才能通过能量扫描栅网到达收集电极；抑制电子栅网既可防止收集电极上二次电子和光电子的发射，也可防止对前端电子学的干扰；收集电极用于收集等离子体。

在本实施例中，各层栅网之间、底层栅网与收集电极之间的距离均为4mm，在其他实施例中，各层栅网之间的距离以及底层栅网与收集电极之间的距离可以互不相等，且不局限于4mm。

所述屏蔽体为一个铝合金的空心圆柱体，其顶层开有一个用于让等离子体进入的孔，在本实施例中，该孔为直径为5cm的圆孔，在其他实施例中，该孔的形状与大小可依据实际情况而定。

包括粒子筛选栅网、能量扫描栅网、抑制电子栅网在内的各个栅网要求电导率高、机械性能强、磁性低、栅网透过率尽可能高。为了满足上述要求，所述各个栅网可使用的材料包括钨、金、铍铜以及奥氏体不锈钢。在本实施例中，所述栅网选用的材料为不锈钢0Cr19Ni9，其具有耐腐蚀、耐高温、低温强度大、机械性能好等特点。

等离子体具有自屏蔽效应。一个处于等离子体中的电极，其发出的电场不同于真空电场，而是会迅速衰减，在一个德拜半径距离以外电位便衰减到大约1/e。为了保证栅网电压的有效性，国际上设计此类仪器时所通用的一个设计标准是：栅网网孔尺寸l≤2λ_D，其中λ为等离子体的德拜半径。根据国际上已有研究成果，可知空间碎片撞击产生的等离子体密度满足McBride和McDonnell的经验公式，在距离撞击点15cm处密度范围大约为10⁶-10⁹左右，能量1ev时对应得的德拜半径为236微米-7.5毫米，在测量实验中，为提高收集效率可在撞击靶上通过加负高压将电子加速到1000eV，此时德拜半径可到厘米量级，因此测量空间碎片撞击产生的等离子体所要求的栅网网格直径在厘米量级即可。在本实施例中，所述栅网的网丝粗细为0.2mm，网格尺寸为1.5×2mm，栅网单层正面透过率为80.2%。

所述收集电极采用印刷电路板镀金的工艺制作，具有优良的导电性能。

以上是对本发明的装置的描述，下面对如何利用该装置进行测量的方法加以说明。

图2是本发明装置中的传感器在真空靶室中的布局图，在该真空靶室的中间位置安装有撞击靶，在真空靶室外安装有空间碎片加速器，所述空间碎片加速器所产生的空间碎片的入射方向与真空靶室内的撞击靶的垂直。在真空靶室内、空间碎片的入射通道两侧各自安装有本发明装置中的传感器。

以上述应用背景为基础，对如何利用本发明的装置测量瞬态等离子体参数的方法进行说明。

步骤1）、装置调试步骤。

该步骤进一步包括：

将传感器中的屏蔽体接地，以避免传感器中的栅网所加电压对外界待测等离子体分布造成影响；

为粒子筛选栅网加载电压，若要测量等离子体中的电子密度，则为粒子筛选栅网加正电，若要测量等离子体中的离子密度，则为粒子筛选栅网加负电，所要加载的电压的大小根据所要测量的等离子体中的粒子能量确定；

为能量扫描栅网加载电压，若要测量等离子体中的电子能量，则为能量扫描栅网加载负电，若要测量等离子体中的离子能量，则为能量扫描栅网加载正电；

为抑制电子栅网加载负电，所加载负电的电压值由待测等离子体能量确定，一般十几伏特即可；

为收集电极串联一个取样电阻然后接地，所述取样电阻上的电压信号会被示波器采集；

作为一种优选实现方式，该步骤还可包括对撞击靶的调试，包括：为了减少碎片撞击产生的瞬态等离子体在扩散过程中的损失，可在撞击靶上或撞击靶后面加一个电压，对形成的等离子体电子或离子进行加速，提高测量精度。如果要测量等离子体中电子参数，则撞击靶上加负电；如果要测量等离子体中离子参数，则撞击靶上加正电。

步骤2）、等离子体参数测量的步骤。

当启动空间碎片加速器后，开始对等离子体参数进行测量。等离子体参数测量包括等离子体密度、等离子体能量和等离子体扩散速度的测量。

等离子体密度测量包括：利用示波器收集传感器中的收集电极在不同速度空间碎片撞击下形成的电压信号（例如图3所示），结合取样电阻值获得电流信号，将电流信号对时间求积分即可得到收集的等离子体总电荷，从而得到等离子体的密度信息；

等离子体能量的测量包括：改变能量扫描栅网上所加载的电压，根据能量扫描栅网上所加载的不同电压值收集粒子电流信息，从而获得完整的V-I曲线，进而可获得等离子体中的粒子能量参数；

等离子体扩散速度的测量包括：测量空间碎片在两个传感器中的撞击点距离，结合采集信号的时间差，计算出等离子体扩散速度参数。

上述三个参数的测量在时间上没有先后顺序。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种用于超高速撞击中瞬态等离子体参数测量的装置，其特征在于，包括多层栅网传感器、电源和示波器；其中，所述电源为所述多层栅网传感器和示波器提供电能，所述多层栅网传感器利用带电栅网分析空间碎片撞击形成的等离子体能量，从而得到包括等离子体密度、能量、扩散速度在内的参数；所得到的结果在所述示波器上显示；

所述多层栅网传感器传按照从上到下的顺序依次包括：屏蔽体、粒子筛选栅网、能量扫描栅网、抑制电子栅网和收集电极；所述的屏蔽体用于屏蔽内部电场，避免各层栅网上所加电压对外界等离子体环境造成影响；所述粒子筛选栅网用于区分正负粒子；所述能量扫描栅网通过加扫描偏压获得粒子的能量信息；所述抑制电子栅网既能防止收集电极上二次电子和光电子的发射，也能防止对前端电子学的干扰；所述收集电极用于收集等离子体。

2.根据权利要求1所述的用于超高速撞击中瞬态等离子体参数测量的装置，其特征在于，各层栅网之间、底层栅网与收集电极之间的距离均为4mm。

3.根据权利要求1所述的用于超高速撞击中瞬态等离子体参数测量的装置，其特征在于，所述屏蔽体为一个铝合金的空心圆柱体，其顶层开有一个用于让等离子体进入的孔。

4.根据权利要求1所述的用于超高速撞击中瞬态等离子体参数测量的装置，其特征在于，所述粒子筛选栅网、能量扫描栅网、抑制电子栅网所采用的材料包括钨、金、铍铜以及奥氏体不锈钢。

5.根据权利要求1所述的用于超高速撞击中瞬态等离子体参数测量的装置，其特征在于，所述粒子筛选栅网、能量扫描栅网、抑制电子栅网的网丝粗细为0.2mm，网格尺寸为1.5×2mm，栅网单层正面透过率为80.2%。

6.根据权利要求1所述的用于超高速撞击中瞬态等离子体参数测量的装置，其特征在于，所述收集电极采用印刷电路板镀金的工艺制作。

7.一种超高速撞击中瞬态等离子体参数测量的方法，用于在包含撞击靶、至少两个权利要求1-6之一所述装置的真空靶室中测量等离子体的参数，该方法包括：

步骤1）、装置调试步骤；

该步骤进一步包括：

将传感器中的屏蔽体接地；

为粒子筛选栅网加载电压，若要测量等离子体中的电子密度，则为粒子筛选栅网加正电，若要测量等离子体中的离子密度，则为粒子筛选栅网加负电，所要加载的电压的大小根据所要测量的等离子体中的粒子能量确定；

为能量扫描栅网加载电压，若要测量等离子体中的电子能量，则为能量扫描栅网加载负电，若要测量等离子体中的离子能量，则为能量扫描栅网加载正电；

为抑制电子栅网加载负电，所加载负电的电压值由待测等离子体能量确定；

为收集电极串联一个取样电阻然后接地，所述取样电阻上的电压信号会被示波器采集；

步骤2）、等离子体参数测量的步骤；

当启动空间碎片加速器后，开始对等离子体参数进行测量；对等离子体参数的测量包括等离子体密度、等离子体能量和等离子体扩散速度的测量；

等离子体密度测量包括：利用示波器收集传感器中的收集电极在不同速度空间碎片撞击下形成的电压信号，结合取样电阻值获得电流信号，将电流信号对时间求积分即可得到收集的等离子体总电荷，从而得到等离子体的密度信息；

等离子体能量的测量包括：改变能量扫描栅网上所加载的电压，根据能量扫描栅网上所加载的不同电压值收集粒子电流信息，从而获得完整的V-I曲线，进而可获得等离子体中的粒子能量参数；

等离子体扩散速度的测量包括：测量空间碎片在两个传感器中的撞击点距离，结合采集信号的时间差，计算出等离子体扩散速度参数。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤1）还包括对撞击靶的调试，包括：在撞击靶上或撞击靶后面加一个电压，对形成的等离子体电子或离子进行加速，以提高测量精度；如果要测量等离子体中电子参数，则撞击靶上加负电；如果要测量等离子体中离子参数，则撞击靶上加正电。