CN105223170B - 一种模拟微小空间碎片撞击诱发放电的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟微小空间碎片撞击诱发放电的装置，所述的装置包括：纳秒脉冲激光器、激光聚焦单元、分束镜、激光测量单元、试样移动机构、真空室、试样充电单元和放电监测单元；本发明还提供了一种基于上述模拟微小空间碎片撞击诱发放电的装置所实现的方法，利用本发明的装置及方法进行激光模拟空间碎片撞击诱发放电，可以充分利用激光能量、束斑大小、作用位置等方便的参数调节优势，大大提高模拟实验效率，同时激光模拟装置与空间碎片模拟装置相比对实验干扰更小，便于对实验过程进行监测，能够深入研究撞击诱发放电的演化过程和微观机理。

Description

一种模拟微小空间碎片撞击诱发放电的装置及方法

技术领域

本发明涉及空间技术领域，尤其涉及一种模拟微小空间碎片撞击诱发放电的装置及方法。

背景技术

在空间环境中，存在着数量众多的微小空间碎片(尺寸在微米至毫米范围内)，而这些空间碎片会频繁地撞击航天器，其平均碰撞速度高达10km/s，如此高的碰撞会在撞击中形成大量高密度的等离子体。一旦撞击发生在航天器带电部位，等离子体形成的“瞬时放电通道”就会诱发放电，并干扰或破坏航天器使其无法正常工作，这种潜在危害近年得到了国际主要航天机构的重视，并被认为可能是导致多颗卫星失效的原因，属于国际空间科技领域的前沿问题，学术创新意义重大，工程应用价值巨大。

研究人员很早就预测到空间碎片撞击航天器的电磁效应，但目前实质性的研究(尤其是实验研究)仍然较少，其主要原因是在轨甄别撞击诱发放电故障和地面模拟撞击诱发放电的实验难度都比较大。而随着航天技术的发展，特别是对航天器寿命和可靠性不断提出的更高要求，使得国际上越来越多的机构开始重视空间碎片撞击航天器所产生的电磁效应及对航天器影响的研究，并利用已有地面模拟实验装置开展了一些初步的研究，陆续证实了这种机制对航天器的安全可靠运行具有极大的潜在威胁。但是，在目前的微小空间碎片地面模拟实验设备中，采用等离子体加速器和静电粉尘加速器每次进行加速的微粒数量多，撞击位置和速度有一定的分布，进而难以在实验前进行准确设定，并且由于设备本身采用电驱动导致电磁干扰较大，使得难以对撞击后产生的等离子体参数进行精确测量，对撞击诱发放电或等离子体扩散过程中电磁干扰信号参数和过程的监测难度非常大。采用轻气炮每次只加速一个微粒，撞击过程和参数测量容易实现，但是其加速的微粒尺寸为数毫米，并且装置自身工作于低真空状态，不能直接与模拟航天器带电的高真空环境兼容。总之，关于空间碎片撞击航天器的电磁效应的研究，已经受到了越来越多的重视，但是由于受制于现有实验条件，难以对其进行深入研究以获得其诱发放电和形成电磁干扰的定量的规律。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有的模拟微小空间碎片撞击诱发放电的设备存在撞击位置和速度无法设定、电磁干扰较大，以及对高真空环境兼容性差的技术问题，本发明提出了一种模拟微小空间碎片撞击诱发放电的装置及方法，该装置通过脉冲激光诱导等离子体进行微小空间碎片撞击诱发放电的模拟实验。

为实现上述目的，本发明提供一种模拟微小空间碎片撞击诱发放电的装置，所述的装置包括：纳秒脉冲激光器、激光聚焦单元、分束镜、激光测量单元、试样移动机构、真空室、试样充电单元和放电监测单元；所述纳秒脉冲激光器用于发射脉冲激光，所述的激光聚焦单元用于将接收的脉冲激光聚焦并输出至试样表面，所述的分束镜将纳秒脉冲激光器发射的脉冲激光按固定比例分成两束，其中一束脉冲激光输出至激光聚焦单元，另一束脉冲激光输出至激光测量单元,所述激光测量单元用于测量试样表面接收到的脉冲激光的能量和脉冲宽度，所述试样移动机构置于真空室内，其为试样提供安装平台，所述的真空室为试样提供真空环境，所述试样充电单元用于对试样进行充电以模拟在轨带电状态；所述的放电监测单元用于对试样的放电参数和放电过程进行实时监测。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的真空室为空心圆柱体的密封结构，其前端开设有供脉冲激光射入的过真空光学窗。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的试样移动机构的安装平面与激光聚焦单元的主轴垂直，并以激光聚焦单元的主轴作平行或垂直运动。

作为上述技术方案的进一步改进，所述放电监测单元和试样充电单元分别对称设置于真空室的两侧，所述的放电监测单元固定于真空室开设的光学观察窗上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述激光聚焦单元中采用的聚焦透镜的焦距满足：

其中，f表示聚焦透镜的焦距，r_s表示聚焦后的束腰直径，M²表示光束质量因子，d表示聚焦前的束斑直径，l表示脉冲激光的波长，p＝3.14。

基于上述模拟微小空间碎片撞击诱发放电的装置所实现的方法，该方法包括：

步骤1)将试样安装于试样移动机构的安装平面上，并通过试样充电单元对试样进行充电以模拟在轨带电状态；

步骤2)利用纳秒脉冲激光器发射脉冲激光，该脉冲激光通过激光聚焦单元聚焦后射入真空室，并输出至试样表面；

步骤3)根据步骤2)中输出至试样表面的脉冲激光所形成的束斑尺寸，以激光聚焦单元主轴的平行向调节试样移动机构的位置，获得与微小空间碎片直径相等的束斑，以激光聚焦单元主轴的垂直向调节试样移动机构的位置，将束斑移动至试样表面上待测的位置；

步骤4)利用激光测量单元测量试样表面接收到的脉冲激光的能量和脉冲宽度，并通过调节纳秒脉冲激光器的工作压力使该脉冲激光的能量等于微小空间碎片的动能；

步骤5)利用放电监测单元对试样的放电参数和放电过程进行实时监测，获得模拟微小空间碎片撞击诱发放电的结果。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤4)中的激光测量单元接收分束镜输出的脉冲激光，该分束镜将纳秒脉冲激光器发射的脉冲激光按固定比例分成两束，其中一束脉冲激光输出至激光聚焦单元，另一束脉冲激光输出至激光测量单元。

撞击诱发放电中等离子体是触发放电的关键，若能利用其它方法模拟等离子体，就能用该方法来模拟空间碎片撞击诱发放电的现象。通过对比研究发现，脉冲激光诱导等离子体与微小空间碎片撞击形成的等离子体十分相似，因此可以利用该方法来模拟微小空间碎片撞击诱发放电。与现有的微小空间碎片撞击诱发放电的模拟装置相比，激光脉冲的能量、束斑尺寸、作用的位置、方向和时间等可精确调节与控制，且激光器自身的电磁干扰极小，为深入研究微小空间碎片撞击诱发放电研究的机理和影响创造了优越的实验模拟条件。

微小空间碎片撞击形成的等离子体的电子密度为10^17-19cm^-3，其电子温度的范围是2000-45000K之间，形成时间约1.5微秒；而纳秒激光器诱导等离子体的典型参数是电子密度10^16-18cm^-3,电子温度5000-30000K，形成时间约2微秒。可见纳秒脉冲激光诱导等离子体可以用来模拟微小空间碎片撞击生成的等离子体。

本发明的一种模拟微小空间碎片撞击诱发放电的装置及方法优点在于：

利用本发明的装置进行激光模拟空间碎片撞击诱发放电，可以充分利用激光能量、束斑大小、作用位置等方便的参数调节优势，大大提高模拟实验效率，同时激光模拟装置与空间碎片模拟装置相比对实验干扰更小，便于对实验过程进行监测，能够深入研究撞击诱发放电的演化过程和微观机理，且激光模拟空间碎片撞击诱发放电与现有空间碎片模拟装置相比，更加便宜。

附图说明

图1为本发明实施例中的模拟微小空间碎片撞击诱发放电的装置的结构示意图。

图2为利用本发明的装置进行激光模拟诱发放电的电流信号显示图。

图3为现实环境中微小空间碎片撞击诱发放电的电流信号显示图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种模拟微小空间碎片撞击诱发放电的装置及方法进行详细说明。

如图1所示，本发明的一种模拟微小空间碎片撞击诱发放电的装置，包括：纳秒脉冲激光器、激光测量单元、分束镜、激光聚焦单元、试样移动机构、真空室、试样充电单元及放电监测单元。其中，所述纳秒脉冲激光器用于发射脉冲激光，所述的激光聚焦单元用于将接收的脉冲激光聚焦并输出至试样表面，所述的分束镜将纳秒脉冲激光器发射的脉冲激光按固定比例分成两束，其中一束脉冲激光输出至激光聚焦单元，另一束脉冲激光输出至激光测量单元，所述激光测量单元用于测量试样表面接收到的脉冲激光的能量和脉冲宽度，所述试样移动机构置于真空室内，其为试样提供安装平台，所述的真空室为试样提供真空环境，所述的试样充电单元用于对试样进行充电，用来模拟航天器在轨带电情况；所述放电监测单元用于对放电参数和放电过程进行实时监测。在本实施例中，所述的真空室可为空心圆柱体的密封结构，其前端可开设有供脉冲激光射入的过真空光学窗。

基于上述模拟微小空间碎片撞击诱发放电的装置结构，所述放电监测单元和试样充电单元分别对称设置于真空室的两侧，所述的放电监测单元可包含所有对放电发生过程、位置以及放电参数的监测。对放电过程和位置的监测主要通过高速摄像机来实现，通过高速摄像机可以拍摄出放电的过程和放电发生的位置，为此，可在真空室的适当位置开设有供放电监测单元监测的光学观察窗，用于在真空室外利用高速摄像机记录放电的位置和过程。放电参数主要是指放电电流的幅度、持续时间和放电波形，以上参数主要通过罗氏线圈来测量，此外通过电场脉冲仪，可以对放电发生后的空间电场进行测量，与罗氏线圈配合实现对放电参数的辅助测量。

实际上应用中，所述激光聚焦单元可根据激光器、激光波长、聚焦后束腰的尺寸等参数来选择聚焦透镜，该聚焦透镜的焦距应满足：

其中，f表示聚焦透镜的焦距，r_s表示聚焦后的束腰直径，M²表示光束质量因子，d表示聚焦前的束斑直径，l表示脉冲激光的波长，p＝3.14。其中，根据需要可设定激光波长为1.064微米，聚焦前的束斑直径为9毫米，聚焦透镜的焦距为77毫米，光束质量因子约为4，此时可以得到聚焦后的束腰直径约为60微米。

所述的试样充电单元可通过电子枪充电以及紫外辐照来模拟试样在轨带电情况。电子枪和紫外辐照主要用来模拟航天器暴露在高能电子环境中，由于电子入射而带电，以及带电后又被太阳紫外辐射而发生差异带电的情况。因此，在利用电子枪充电和紫外辐照模拟试样在轨带电情况时，应该根据所需模拟的试样在轨高能电子环境、太阳辐照条件和带电条件来确定电子枪的参数和紫外辐照参数。此外，为了进一步测量试样充电后的充电电位，还可配备静电电位计。所述试样移动机构的安装平面与激光聚焦单元的主轴垂直，并以激光聚焦单元的主轴作平行或垂直运动。此时，激光束斑大小可通过调节激光聚焦单元和试样移动机构之间的相对位移实现。纳秒脉冲激光器发出的激光经过激光聚焦单元聚焦，并在脉冲激光的焦点位置束斑尺寸(直径)最小，最小束斑的大小由脉冲激光的光束质量和透镜的聚焦能力决定。以激光聚焦单元主轴的平行向调节试样移动机构的位置，当试样刚好处在脉冲激光的焦点位置时，作用在试样上的束斑尺寸为最小束斑，当试样偏离焦点位置时，作用在试样上的束斑尺寸随偏离位置的增加而增大。因此，作用在试样上的束斑尺寸可以通过调节试样移动机构与激光聚焦单元的相对位置来改变。以激光聚焦单元主轴的垂直向调节试样移动机构的位置时，可将束斑移动至试样表面上待测的位置。

如图1所示，所述的模拟微小空间碎片撞击诱发放电的装置还可包括分束镜，该分束镜将纳秒脉冲激光器发射的脉冲激光按固定比例分成两束，其中一束脉冲激光输出至激光聚焦单元，另一束脉冲激光输出至激光测量单元。由于纳秒脉冲激光器工作在脉冲状态，每次发射的一束脉冲激光的能量具有一定的不稳定性，因此在实验中需要实时测量脉冲激光的能量。为了达到以上目的，在纳秒脉冲激光器的出束端设置分束镜将一束脉冲激光按固定比例分成两束，其中一束脉冲激光用来作用在试样上，另一束脉冲激光被激光测量单元接收，并测量该束脉冲激光的能量，此时根据分束镜分光后两束脉冲激光的比例关系就能计算得出作用在试样上的脉冲激光的能量。此外，在实验中，脉冲激光能量的调节也需要根据分束镜分束后，激光测量单元测量的能量的大小和分配比例关系来实现，以使脉冲激光的能量应与微小空间碎片动能相等。其中，脉冲激光的能量可以通过调节纳秒脉冲激光器的工作电压大小来调节。

所述的真空室为空心圆柱体的密封结构，其前端开设有供脉冲激光射入的过真空光学窗。上述纳秒脉冲激光器、激光测量单元、激光聚焦单元和试样移动机构是实现激光模拟空间碎片撞击试样生成等离子体的核心结构，纳秒脉冲激光器发出的激光经激光聚焦单元聚焦后作用在带电试样上形成等离子体并触发放电，激光测量单元用于激光能量和脉冲宽度的测量，试样移动机构通过移动改变试样与激光聚焦单元的相对距离，进而改变作用在试样上的光斑的大小。其中，试样表面的脉冲激光束斑的大小应与所模拟的微小空间碎片的尺寸一致，激光能量应与所模拟的微小空间碎片的动能相同。基于上述模拟微小空间碎片撞击诱发放电的装置的具体实现方法包括：

步骤1)将试样安装于试样移动机构的安装平面上，并通过试样充电单元对试样进行充电以模拟在轨带电状态；

步骤2)利用纳秒脉冲激光器发射脉冲激光，该脉冲激光通过激光聚焦单元聚焦后射入真空室，并输出至试样表面；

步骤3)根据步骤2)中输出至试样表面的脉冲激光所形成的束斑尺寸，以激光聚焦单元主轴的平行向调节试样移动机构的位置，获得与微小空间碎片直径相等的束斑，以激光聚焦单元主轴的垂直向调节试样移动机构的位置，将束斑移动至试样表面上待测的位置；

步骤4)利用激光测量单元测量试样表面接收到的脉冲激光的能量和脉冲宽度，并通过调节纳秒脉冲激光器的工作压力使该脉冲激光的能量等于微小空间碎片的动能；

步骤5)利用放电监测单元对试样的放电参数和放电过程进行实时监测，获得模拟微小空间碎片撞击诱发放电的结果。

基于上述模拟微小空间碎片撞击诱发放电的方法，所述步骤4)中的激光测量单元接收分束镜输出的脉冲激光，该分束镜将纳米激光器发射的脉冲激光按固定比例分成两束，其中一束脉冲激光输出至激光聚焦单元，另一束脉冲激光输出至激光测量单元。本发明通过激光诱导等离子体触发放电来模拟微小空间碎片超高速撞击诱发放电现象。由于微小空间碎片撞击诱发放电的关键因素是撞击形成的等离子体所构成的瞬时放电通道触发试样带电部位的放电，而采用纳秒脉冲激光器诱导形成的等离子体与微小空间碎片撞击形成的等离子体的特征十分相似，因此利用激光诱导等离子体模拟空间碎片撞击诱发放电是可行的。

如图2所示，利用本发明的装置及方法进行模拟微小空间碎片撞击诱发放电得到的实验数据，其测量获得的电流信号显示结果与图3所示的微小空间碎片撞击诱发放电的电流信号对比，两者的电流信号波形相似。以上实验证实了利用本发明的装置及方法模拟微小空间碎片撞击诱发放电的可行性，同时通过实验发现利用该装置及方法不仅能够提高实验效率，而且该装置的成本更加低廉。

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 (6)

1.一种模拟微小空间碎片撞击诱发放电的装置，其特征在于，所述的装置包括：纳秒脉冲激光器、激光聚焦单元、分束镜、激光测量单元、试样移动机构、真空室、试样充电单元和放电监测单元；所述纳秒脉冲激光器用于发射脉冲激光，所述的激光聚焦单元用于将接收的脉冲激光聚焦并输出至试样表面，所述的分束镜将纳秒脉冲激光器发射的脉冲激光按固定比例分成两束，其中一束脉冲激光输出至激光聚焦单元，另一束脉冲激光输出至激光测量单元,所述激光测量单元用于测量试样表面接收到的脉冲激光的能量和脉冲宽度，所述试样移动机构置于真空室内，其为试样提供安装平台，所述的真空室为试样提供真空环境，所述试样充电单元用于对试样进行充电以模拟在轨带电状态；所述的放电监测单元用于对试样的放电参数和放电过程进行实时监测。

2.根据权利要求1所述的模拟微小空间碎片撞击诱发放电的装置，其特征在于，所述的真空室为空心圆柱体的密封结构，其前端开设有供脉冲激光射入的真空光学窗。

3.根据权利要求1所述的模拟微小空间碎片撞击诱发放电的装置，其特征在于，所述的试样移动机构的安装平面与激光聚焦单元的主轴垂直，并以激光聚焦单元的主轴作平行或垂直运动。

4.根据权利要求1所述的模拟微小空间碎片撞击诱发放电的装置，其特征在于，所述放电监测单元和试样充电单元分别对称设置于真空室的两侧，所述的放电监测单元固定于真空室开设的光学观察窗上。

5.根据权利要求1所述的模拟微小空间碎片撞击诱发放电的装置，其特征在于，所述激光聚焦单元中采用的聚焦透镜的焦距满足：

<mrow> <mi>f</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>r</mi> <mi>s</mi> </msub> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>d</mi> </mrow> <mrow> <mn>4</mn> <msup> <mi>M</mi> <mn>2</mn> </msup> <mi>&amp;lambda;</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，f表示聚焦透镜的焦距，r_s表示聚焦后的束腰直径，M²表示光束质量因子，d表示聚焦前的束斑直径，λ表示脉冲激光的波长，π＝3.14。

6.基于权利要求1-5之一所述模拟微小空间碎片撞击诱发放电的装置的实现方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1)将试样安装于试样移动机构的安装平面上，并通过试样充电单元对试样进行充电以模拟在轨带电状态；

步骤2)利用纳秒脉冲激光器发射脉冲激光，该脉冲激光通过激光聚焦单元聚焦后射入真空室，并输出至试样表面；

步骤3)根据步骤2)中输出至试样表面的脉冲激光所形成的束斑尺寸，以激光聚焦单元主轴的平行向调节试样移动机构的位置，获得与微小空间碎片直径相等的束斑，以激光聚焦单元主轴的垂直向调节试样移动机构的位置，将束斑移动至试样表面上待测的位置；

步骤4)利用激光测量单元测量试样表面接收到的脉冲激光的能量和脉冲宽度，并通过调节纳秒脉冲激光器的工作压力使该脉冲激光的能量等于微小空间碎片的动能；

步骤5)利用放电监测单元对试样的放电参数和放电过程进行实时监测，获得模拟微小空间碎片撞击诱发放电的结果。