CN108872725A - 石墨烯在航天器表面电位测量中的用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯在航天器表面电位测量中的用途，其中将石墨烯阵列通过绝缘体层设置在待测的航天器表面上，通过对石墨烯阵列在空间环境下和航天器表面电位作用下电阻值的变化进行测量，获得待测航天器表面电位的分布情况。本发明结构简单，使用方便，具有无干扰、体积小、结构简单的优点，且通过多个单元的联合拼接，还可以快速实现多维矢量探测，以及多点甚至全方位探测，特别是可以用于内部电场情况监测。

Description

石墨烯在航天器表面电位测量中的用途

技术领域

本发明属于航天器表面电位测量技术领域，具体涉及一种利用石墨烯来监测航天器表面电位的应用。

背景技术

航天器在太空运行过程中，与周围空间等离子体和光电效应等综合作用下，会在航天器表面沉积电荷，形成与背景等离子体环境不同的悬浮电位，即充电的现象。由于航天器本身的电容值非常小，并且电子速度要远大于离子速度，因此航天器带电水平主要取决于环境等离子体的电子温度。美国NOAA研究表明，在地球空间环境中航天器普遍存在表面充电现象，并且在4-7Re(地球半径)区域最强，例如据同步轨道的风云四卫星的最新观测数据发现，最高可达上万伏。

航天器表面充电具有多方面的危害。首先，当航天器表面充电到高电位时，可以引发静电放电(ESD)，静电放电能够损坏表面材料的性能，放电产生的瞬时电磁信号会耦合到航天器的电子设备中，能产生从逻辑开关到整个系统失灵的破坏。多个放电发生时，会造成航天器的扭转和摆动，严重时可导致航天器运行的失败(Robinson Jr,1989)。其次，悬浮电位会与周围等离子体相互作用，干扰航天器上测量载荷的测量精度和测量范围，从而影响科学测量的准确性和可靠性。例如，假设航天器相对背景等离子体环境带有-100V的悬浮电位，能量低于100eV的电子就无法抵达卫星，从而无法被卫星携带的探测载荷所监测到，另一方面能量低于100eV的正离子，则会被卫星的悬浮电位加速，并被探测载荷观测，导致最终探测载荷对于能量低于100eV的电子和离子观测数据与空间等离子体环境的真实情况出现误差。

目前，静电电位的测试方法可分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量需要将被测带电体直接与测量电极相连，测量结果易受输入电容、阻抗的影响。测量精度低，读数随时间按指数衰减，只能适用于测量金属体的静电电压；当被测静电电压超出测量仪器最大量程时，还有可能损坏测量仪器；并且，在空间环境中其测量结果会受带电粒子的影响。非接触式测量时不需与带电体接触，不但能测量金属体的静电电位，也能测量绝缘体、导体和半导体的静电电位，且对被测体影响小。因此，目前普遍采用非接触式测量方法进行静电电位的测量。非接触式测量又可分为感应式与振动电容式两种。感应式电位测量方法原理图例如参见图1，其是利用探头与带电体之间的电容直接感应，对产生的感应电流进行放大及数据处理。使用该测量方法时，在探测前须远离带电体对仪器进行清零，且探测中随着感应电极中电流的变化，输出结果将趋近于零，无法实现长期稳定的探测，因而不能有效应用于空间环境中的静电电位测量。国外静电电位测量系统多采用振动电容式，振动电容电位测量方法原理图参见图2，其是利用机械振动的方法引起感应电极与被测表面间的电容变化，产生感应电流，再通过对感应电流的测量计算得出被测表面的静电电位。使用该方法时，测量仪器无需与被测带电体接触，工作可靠性提高，且测量过程中受空间环境因素影响较小。但此种探测方法缺点是振动的驱动电压贯穿在整个振动电极上，会在感应电极上产生附加感应电流，影响测量结果，此外容易受到探测器与卫星电路和结构间电容变化所影响，并且振动式测量方法结构复杂，寿命和性能与振动电极材料相关，在卫星的具体应用并不常见。

可见目前对航天器表面电位的监测手段还存在诸多局限，结构简单的感应式电位探测器实际探测的是特定材料(其探头所采用的材料)在真空环境下的带电情况，与真实卫星表面带电存在差异。而振动电容式探测方法则是结构复杂，测量结构会受到振动驱动电压，卫星电路及结构电容的影响。并且目前所有的探测手段都只能进行点监测，无法进行多维的矢量探测。综上所述，由于空间等离子体和光电效应与航天器相互作用，使得航天器在轨工作期间，会产生一个相对周围等离子体的结构悬浮电位(风云四卫星监测到可达上万伏的负电位)，也会由于材料及方向等原因产生表面差异电位，从而引起：

a.航天器表面充放电风险；

b.干扰探测载荷的科学数据监测；

c.太阳帆板性能下降及损坏；

d.交会对接产生的静电放电及电位波动；

e.表面材料的性能退化损伤；

f.造成航天器内电子设备的干扰。

因此，对航天器的充电情况进行全面监测非常有必要的。

发明内容

基于此，为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明的发明目的是提供一种基于石墨烯的航天器表面电位测量的方法，该测量方法结构简单，测量精度高，能够快速地获得航天器表面电位的数值。本发明是通过如下技术方案实现的：

石墨烯在航天器表面电位测量中的用途，其中将石墨烯阵列通过绝缘体层设置在待测的航天器表面上，通过对石墨烯阵列在空间环境下和航天器表面电位作用下电阻值的变化进行测量，获得待测航天器表面电位的分布情况。

其中，石墨烯阵列为若干石墨烯电位计探测器按照一定规则排列的，每个石墨烯电位计探测器包括两层：石墨烯探测层和绝缘层。

其中，石墨烯探测层主要用于感知所处附近航天器表面携带的悬浮电场，根据石墨烯的电场效应，其电阻值会发生改变，从而利用电阻值的变化作为探测器的输出信号。

其中，通过地面标定，获得电阻值信号与待测航天器表面特定方向电场的一一对应关系，从而实现卫星表面带电电位的单点探测。

其中，通过单点探测的电阻值变化获得航天器表面电位的分布情况。

其中，石墨烯阵列通过多层的联合拼接，能够进行多维矢量的探测和全方位的探测。

本发明可以有效监测航天器表面悬浮电位变化，与传统的感应法和振动电容法探测技术相比，具有无干扰、体积小、结构简单的优点。通过多个单元的联合拼接，还可以快速实现多维矢量探测，以及多点甚至全方位探测，特别是可以用于内部电场情况监测。

附图说明

图1为现有技术中感应式电位测量方法原理图。

图2为现有技术中振动电容电位测量方法原理图。

图3为石墨烯材料的电场效应曲线。

图4为本发明的单个石墨烯探测器结构示意图。

图5为本发明的多个探测器阵列的二维探测示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但这仅仅是示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。具体实施方式如下：

本发明出人意料地发现石墨烯具有显著不同于现有技术中其他材料的电场效应，并将其电场效应加以利用，通过探测石墨烯的电阻变化感知电场的变化，最终实现对航天器电位的探测。具体来说，石墨烯是零带隙的半导体，在电场的作用下，狄拉克一费米子可以从电子(或空穴)连续转变到空穴(或电子)。在距离狄拉克点较远的地方，石墨烯中只有单一的载流子，其浓度和加载的栅极电压成正比。由于电导率和载流子浓度成正比，因此石墨烯的电阻值受到栅极电压的影响(石墨烯的电场效应如图3所示)，这就是石墨烯的电场效应。由图3可知，利用此种原理的电位探测范围非常大，其探测精度与电阻测量精度直接相关。

基于石墨烯的电场效应，本发明提出了通过航天器表面汇集电子产生电场会改变石墨烯探测层的电场强度，从而改变石墨烯的电阻值，来设计石墨烯的电位计探测器。本发明的单个石墨烯电位探测器结构如图4所示，其中，石墨烯电位计探测器包括两层：石墨烯探测层和绝缘层，该电位计相比传统的电位计，具有结构简单，体积小，功耗低等诸多优点。石墨烯探测层主要用于感知所处附近卫星表面携带的悬浮电场，根据石墨烯的电场效应，其电阻值会发生改变，从而利用电阻值的变化作为探测器的输出信号。通过地面标定，可以实现电阻信号与待测表面特定方向电压的一一对应关系，即可实现卫星表面带电电位的单点探测需求。

石墨烯的形状没有特殊的限制，可以为长条形、圆形、正方形等。通过测量石墨烯电阻值的变化量，获得石墨烯所在位置的电场强度的变化量。在实际应用中，采用单个的探测器，可对卫星表面重点区域的电位及其变化情况进行长时间的监测，得到所关注的特定卫星表面相对整体卫星结构的电位差。这里举出一个实际例子，例如长宽比为10的长条形石墨烯，沿长边方向加载电路，测得其在待测表面的电阻值大小，即可依据图3所示的石墨烯电场效应推导出沿长边方向的电场大小，通过积分从而得到这一方向上的电位差。

同时，在实际应用中，可以利用多个探测单元拼接为面阵以多维探测。例如参见图5，图5显示了本发明的多个探测器阵列的二维探测示意图。若采用如图5所示的多个垂直交叉的探测单元对不同方向的同时监测，还可实现对待测卫星表面的二维电场监测。通过前述分析可知，长条形石墨烯探测器可以测量沿长边方向的电场大小，多个沿同一方向分布的长条形石墨烯探测可以获得多个这一方向数值，通过平均加权可获得精确的数值，因此由图5所示的面探测单元可知，探测器可以获得正交的两个方向的二维电场数值，这是传统技术无法实现的，最终完成对卫星表面的不等量电位的测量，以及卫星表面相对太空环境的电位差。

此种阵列探测具有显著两个优点：一是可以实现二维乃至三维矢量监测；二是通过同一方向的多个探条的监测可以提高仪器的探测准确度。

此外，本发明的石墨烯电位计探测器还可以应用于内部重点部位带电监测，其中由于石墨烯电位监测单元结构简单，因此易于安置在特殊部位进行重点监测，可以实现对卫星或者航天器内部重点部位的充放电情况进行监测，有利于掌握关键节点的电场环境变化情况，这也是传统监测手段无法实现的功能。

尽管上文对本发明专利的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明专利的保护范围之内。

Claims (6)

1.石墨烯在航天器表面电位测量中的用途，其中，将石墨烯阵列通过绝缘体层设置在待测的航天器表面上，通过对石墨烯阵列在空间环境下和航天器表面电位作用下电阻值的变化进行测量，获得待测航天器表面电位的分布情况。

2.如权利要求1所述的用途，其中，石墨烯阵列为若干石墨烯电位计探测器按照一定规则排列的，每个石墨烯电位计探测器包括两层：石墨烯探测层和绝缘层。

3.如权利要求1所述的用途，其中，石墨烯探测层主要用于感知所处附近航天器表面携带的悬浮电场，根据石墨烯的电场效应，其电阻值会发生改变，从而利用电阻值的变化作为探测器的输出信号。

4.如权利要求1-3任一项所述的用途，其中，通过地面标定，获得电阻值信号与待测航天器表面特定方向电压的一一对应关系，从而实现卫星表面带电电位的单点探测。

5.如权利要求4所述的用途，其中，通过单点探测的电阻值变化获得航天器表面电位的分布情况。

6.如权利要求4所述的用途，其中，石墨烯阵列通过多层的联合拼接，能够进行多维矢量的探测和全方位的探测。