CN109813974A - 一种地球同步轨道材料不等量带电试验装置 - Google Patents

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杨生胜
秦晓刚
赵呈选
王俊
史亮
薛玉雄
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Abstract

本发明公开了一种地球同步轨道材料不等量带电试验装置。使用本发明能够有效的产生实验所需的同步轨道不等量带电环境，具有环境等离子体密度和能量波动小、等离子体参数可调、光照条件可变化等优点。本发明将待测样品放置在真空室内，模拟地球同步轨道的真空环境，然后，采用双麦克斯韦分布函数模拟地球同步轨道高能等离子体的分布，并利用两个电子枪分别模拟双麦克斯韦分布函数中两个峰值所对应的等离子体能量，进而模拟地球同步轨道最恶劣环境，同时，考虑到材料的不等量带电效应收到的光照影响，采用太阳模拟紫外光源模拟照射情况，从而获得待测试样品在该最恶劣条件以及光照条件下的充放电性能。

Description

一种地球同步轨道材料不等量带电试验装置
技术领域
本发明涉及空间等离子体环境地面模拟技术领域，适用于同步轨道航天器表面材料带电环境地面的模拟，具体涉及一种引起航天器表面相邻材料产生不等量带电效应的空间环境磁暴等离子体和光照环境地面模拟的试验装置。
背景技术
地球同步轨道(GEO)地面高度约为36000km，通常情况下，整个轨道贯穿向阳面来自太阳风的高能电子离子云(常引起地磁亚暴)、外范艾伦辐射带以及地球阴影区的低能高密度的等离子体环境。由于同步轨道贯穿的区域不同，而不同区域等离子体能量和温度存在巨大差异，从而形成了同步轨道航天器极其严酷的充电环境。
由于航天器外表面材料的介电特性、光照条件、几何形状等情况不同，不等量带电具体表现为：航天器相邻外表面之间、表面与深层之间、表面与航天器“地”之间产生电位差。研究空间环境中航天器表面不同材料间的相互作用是一项复杂的工作，其困难主要表现在于，当一个表面电位发生变化时，其相邻所有表面电位也不得不随之发生改变。相应地，其它表面电位的变化也会反过来影响第一个表面及其它更多表面的电位。并且，不等量带电会在相邻的不同材料表面附近形成局部势阱和势垒，势阱的形成又会影响材料表面的光电子、背散射电子和二次电子的发射，进而影响材料表面的电位分布。
地磁亚暴期间，同步轨道将有大量高能等离子体，其能量范围为0.1-50keV，目前国内外都是采用单麦克斯韦或双麦克斯韦分布函数对同步轨道等离子体特性进行表征，但由于同步轨道等离子体能量覆盖范围广，导致地面试验中模拟能谱等离子体特性存在很大的技术难度。
目前，针对同步轨道航天器材料不等量带电效应地面模拟试验，国内在这方面的研究处于起步阶段，文献中未见空间材料不等量带电效应的相关试验方法，根据工程需求，需要独立建立并测试不等量带电效应地面试验的有效性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种地球同步轨道材料不等量带电试验装置，利用双电子枪和太阳模拟紫外光源相结合，能够有效的产生实验所需的同步轨道不等量带电环境，具有环境等离子体密度和能量波动小、等离子体参数可调、光照条件可变化等优点，可对同步轨道航天器典型区域材料结构抗静电防护设计进行评价。
本发明的地球同步轨道材料不等量带电试验装置，包括：电子枪A、电子枪B、太阳模拟紫外光源、真空室、抽气单元、电位测量单元、放电测试单元和朗缪尔探针单元；外围设备为待测试样品；
其中，待测试样品放置在真空室内，抽气单元用于对真空室抽真空；
所述电子枪A和电子枪B用于发射电子束，且电子枪A和电子枪B发射的电子束的能量分别为地球同步轨道上等离子双麦克斯韦分布的两个峰值所对应的能量；
所述太阳模拟紫外光源用于模拟地球同步轨道上的太阳紫外光强；
待测试样品位于电子枪A和电子枪B的电子束叠加区域；且位于太阳模拟紫外光源的照射范围；
电位测量单元用于测量待测试样品的不同材料表面和接触面处的电位；
放电测试单元用于测量待测试样品的放电性能；
朗缪尔探针单元用于测量真空室内不同位置处的等离子体密度和能量。
进一步的，电子枪A的束流电子能量为0.2～10keV，束流密度为10nA～50uA；电子枪B的束流电子能量为3～30keV，束流密度为10nA～50uA。
进一步的，太阳模拟紫外光源为氘灯，光谱范围为115～400nm，光强峰值分别为125nm和160nm。
进一步的，抽气单元将真空室抽至10-4Pa以下。
进一步的，所述电位测量单元为非接触式电位探头。
进一步的，放电测试单元包括放电示波器和微电流计，用于测量待测试样品在充电过程中可能发生的放电脉冲及材料间的泄露电流。
进一步的，所述放电示波器为电场感应式的。
有益效果：
(1)本发明中利用双电子枪和太阳模拟紫外光源相结合，能够有效的产生实验所需的同步轨道带电环境，具有电子束流可调节、光照方向可控、结构较为简单等优点。
(2)本发明实施例真空室环境真空度为10-4pa，尽量避免地面环境气体对所模拟同步轨道环境的干扰。
(3)本发明实施例采用双电子枪对材料样品进行不等量带电辐照，双电子枪的束流通过叠加，可以产生两个等离子体能量峰值，可以保证对同步轨道在轨监测到的最恶劣充电环境(双麦克斯韦分布)的最近似模拟。
(4)本发明实施例太阳模拟紫外光源采用氘灯，光强峰值分别为125nm和160nm，可以保证对同步轨道1AU位置处的太阳光照模拟；并且光照方向可调节。
(5)本发明实施例通过在材料不等量带电样品处连接放电脉冲示波器和微电流计，可以实时测量材料样品可能的放电脉冲，进而记录不同材料间的放电阈值和泄露电流。
附图说明
图1为地球同步轨道材料不等量带电试验装置示意图。
其中，1-三坐标传动机构，2-非接触式电位测量探头，3-电子枪A，4-电子枪B，5-太阳模拟紫外光源，6-朗缪尔探针单元，7-不等量带电模型样品，8-放电示波器，9-微电流计，10-电磁阀门，11-真空泵，12-机械泵。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种地球同步轨道材料不等量带电试验装置。
首先，本发明将待测样品放置在真空室内，模拟地球同步轨道的真空环境，然后，采用双麦克斯韦分布函数模拟地球同步轨道高能等离子体的分布，并利用两个电子枪分别模拟双麦克斯韦分布函数中两个峰值所对应的等离子体能量，进而模拟地球同步轨道最恶劣环境，同时，考虑到材料的不等量带电效应还受光照影响，因此，采用太阳模拟紫外光源模拟照射情况，从而获得待测试样品在该最恶劣条件以及光照条件下的充放电性能。然后，利用电位测量单元、放电测试单元和朗缪尔探针单元，对待测试样品的表面电位、放电性能以及电子密度进行测量，从而完成待测试样品的地球同步轨道的不等量带电试验。
本发明的装置示意图如图1所示，包括电子枪A3、电子枪B 4、太阳模拟紫外光源5、真空室、抽气单元、电位测量单元、放电测试单元和朗缪尔探针单元6；
其中，待测试样品7放置在真空室内；抽气单元包括真空泵11和机械泵12，用于对真空室抽真空；
电位测量单元采用非接触式电位测量探头2，非接触式电位测量探头2安装在三坐标传动机构1上，在三坐标传动机构1的带动下移动；
放电测试单元包括放电示波器8和微电流计9，用于测量待测试样品在充电过程中可能发生的放电脉冲及材料间的泄露电流；
朗缪尔探针单元6用于测量真空室内不同位置处的等离子体密度和能量；
采用电子枪A3和电子枪B 4出射双麦克斯韦分布函数中两个峰值所对应的等离子体能量的电子束，两个电子束叠加，近似地模拟出同步轨道最恶劣的充电环境。待测试的样品位于两个电子束的照射重叠区域。其中，电子枪A束流电子能量0.2～10keV，束流密度为10nA～50uA；电子枪B束流电子能量3～30keV，束流密度为10nA～50uA。
采用太阳模拟紫外光源模拟同步轨道航天器的光照条件。太阳模拟紫外光源根据需要提供光照条件，同步轨道1AU位置处，介质材料光电子电流约2nA/cm-2，金属材料光电子电流约3nA/cm-2。因此，太阳模拟紫外光源可以选用氘灯，其光谱范围为115～400nm，光强峰值分别为125nm和160nm，和地球不同轨道处的太阳紫外光近似。
本发明测试装置的测试步骤如下：
步骤一、将已标定的电子枪A、电子枪B安装在真空室的一端，将太阳模拟紫外光源(氘灯)安装在真空室顶端，并将朗缪尔探针和待测试的材料不等量带电模型样品放置在真空室内，连接非接触式电位探头、放电示波器和微电流计，使用真空泵将真空室抽成真空状态。
其中，调整两个电子枪的安装角度，保证其出射束流的叠加部分覆盖整个材料试验样品。真空室真空度要求为优于10-4Pa，尽量避免地面环境气体对所模拟同步轨道环境的干扰造成的实验误差。
步骤二、打开电子枪A和电子枪B，向真空室内出射叠加电子束流，并调节出射电子的能量和束流密度使其满足试验要求；其中，两个电子枪出射的电子束流的能量分别为10keV和30keV，两个电子束的电子叠加密度为106m-3。
步骤三、打开朗缪尔探针单元6，根据测量的收集电流曲线，计算出真空室内样品位置处的电子的密度和能量并和电子枪设置参数比对；打开放电示波器和微电流计，测量材料样品在充电过程中可能发生的放电脉冲及材料间的泄露电流；
其中，选取电场感应式的放电示波器，微电流计采用1～50nA量程范围进行测量。
步骤四、打开太阳模拟紫外光源(氘灯)，光照波长范围为115～400nm；利用太阳模拟紫外光源(氘灯)的光电效应使样品材料出射光电子；同时光照方向设置参数为：0°(光线与材料表面法线夹角)、15°和30°，根据试验需要调节光照角度。
步骤五、开启放电示波器8，监测材料样品可能发生的放电现象并记录；开启微电流计9，监测不同材料间的泄流电流并记录；开启非接触式电位测量探头，待充电平衡时测量不同材料表面和接触面处的电位并记录；
其中，样品的充电平衡时间设置为104s(典型同步轨道充电时间约几十分钟到几个小时)。
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 (7)

1.一种地球同步轨道材料不等量带电试验装置，其特征在于，包括：电子枪A(3)、电子枪B(4)、太阳模拟紫外光源(5)、真空室、抽气单元、电位测量单元、放电测试单元和朗缪尔探针单元(6)；外围设备为待测试样品(7)；
其中，待测试样品(7)放置在真空室内，抽气单元用于对真空室抽真空；
所述电子枪A(3)和电子枪B(4)用于发射电子束，且电子枪A(3)和电子枪B(4)发射的电子束的能量分别为地球同步轨道上等离子双麦克斯韦分布的两个峰值所对应的能量；
所述太阳模拟紫外光源(5)用于模拟地球同步轨道上的太阳紫外光强；
待测试样品位于电子枪A(3)和电子枪B(4)的电子束叠加区域；且位于太阳模拟紫外光源(5)的照射范围；
电位测量单元用于测量待测试样品(7)的不同材料表面和接触面处的电位；
放电测试单元用于测量待测试样品(7)的放电性能；
朗缪尔探针单元(6)用于测量真空室内不同位置处的等离子体密度和能量。
2.如权利要求1所述的地球同步轨道材料不等量带电试验装置，其特征在于，电子枪A(3)的束流电子能量为0.2～10keV，束流密度为10nA～50uA；电子枪B(4)的束流电子能量为3～30keV，束流密度为10nA～50uA。
3.如权利要求1所述的地球同步轨道材料不等量带电试验装置，其特征在于，太阳模拟紫外光源为氘灯，光谱范围为115～400nm，光强峰值分别为125nm和160nm。
4.如权利要求1所述的地球同步轨道材料不等量带电试验装置，其特征在于，采用抽气单元将真空室抽至10-4Pa以下。
5.如权利要求1所述的地球同步轨道材料不等量带电试验装置，其特征在于，所述电位测量单元为非接触式电位探头。
6.如权利要求1所述的地球同步轨道材料不等量带电试验装置，其特征在于，放电测试单元包括放电示波器(8)和微电流计(9)，用于测量待测试样品在充电过程中可能发生的放电脉冲及材料间的泄露电流。
7.如权利要求6所述的地球同步轨道材料不等量带电试验装置，其特征在于，所述放电示波器(8)为电场感应式的。
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