專利名稱：一種衛(wèi)星尾區(qū)離子電流收集測(cè)試裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星尾區(qū)離子電流收集測(cè)試裝置及方法，屬于空間充放電效應(yīng)電流收集領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行在低溫度高密度等離子體環(huán)境中時(shí)，在其尾區(qū)形成一明顯的“航跡”，這是一個(gè)不相等的電子和離子耗盡區(qū)，由于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速率大于離子熱速率而小于電子熱速率，因此電子可較容易地進(jìn)入這個(gè)區(qū)域從而形成一負(fù)電位勢(shì)壘，這就是所謂的“尾區(qū)效應(yīng)”，其對(duì)衛(wèi)星的明顯作用是在尾區(qū)介質(zhì)表面將充電至一較高的負(fù)電位。一般地，衛(wèi)星因“尾區(qū)效應(yīng)”而形成的表面帶電是影響低軌道特別是極軌衛(wèi)星安全運(yùn)行的重要問題之一。尾區(qū)帶電效應(yīng)表面電位主要依賴于收集的電子通量與離子通量之比，通過衛(wèi)星尾區(qū)的電流收集特性規(guī)律研究，可為進(jìn)一步開展航天器電位分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。目前，我國(guó)在此方面的研究處于空白。因此，本項(xiàng)發(fā)明主要提供一種尾區(qū)電流收集效應(yīng)試驗(yàn)裝置和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種為衛(wèi)星表面充電情況的在軌監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下。一種衛(wèi)星尾區(qū)離子電流收集測(cè)試裝置，所述裝置包括金屬圓盤、電流收集電極、電流計(jì)、等離子體診斷系統(tǒng)、考夫曼離子源、抽真空系統(tǒng)、高壓偏置電源、PC機(jī)、真空室、燈絲；其中，在真空室內(nèi)部，燈絲對(duì)稱安裝在真空室的上下壁面上；金屬圓盤通過金屬絲豎直懸掛在真空室的中心位置；考夫曼離子源安裝在真空室左側(cè)壁面上，并與金屬圓盤的盤面正對(duì)；電流收集電極位于金屬圓盤的右側(cè)，通過支持桿對(duì)電流收集電極進(jìn)行支撐；考夫曼離子源、金屬圓盤、電流收集電極的中心位于一條直線上；等離子體診斷系統(tǒng)位于真空室內(nèi)部；在真空室外部，PC機(jī)與等離子體診斷系統(tǒng)連接；高壓偏置電源一端接地，高壓偏置電源另一端通過導(dǎo)線與電流計(jì)連接后，導(dǎo)線穿過真空室與電流收集電極連接；抽真空系統(tǒng)與真空室連接；優(yōu)選金屬圓盤為招圓盤,直徑為IOcm,厚度為2cm ；優(yōu)選所述電流收集電極為直徑5mm的不銹鋼球；優(yōu)選金屬圓盤和考夫曼離子源出口之間的距離為3(T40cm;電流收集電極與金屬圓盤中心的直線距離為f 15cm。優(yōu)選所述等離子體診斷系統(tǒng)為L(zhǎng)angmuir探針。優(yōu)選所述燈絲為鎢絲。一種衛(wèi)星尾區(qū)離子電流收集測(cè)試方法，所述方法步驟如下步驟一、打開抽真空系統(tǒng)對(duì)真空室抽真空；
步驟二、打開燈絲，使燈絲發(fā)射電子電流；打開考夫曼離子源，在離子源柵極上施加離子加速電壓，使離子源發(fā)射離子束流；打開等離子體診斷系統(tǒng)，對(duì)等離子體環(huán)境的密度和能量進(jìn)行診斷，根據(jù)診斷結(jié)果調(diào)節(jié)發(fā)射的離子和電子電流。步驟三、打開高壓偏置電源，對(duì)電流收集電極施加偏置電壓，通過電流計(jì)讀出不同偏置電壓下的離子收集電流，作出離子收集電流與施加偏壓之間的I-V特性曲線。步驟四、改變電流收集電極與金屬圓盤中心的直線距離，重復(fù)步驟二和步驟三，獲得尾區(qū)不同位置下的離子收集電流與施加偏壓之間的I-V特性曲線。優(yōu)選步驟一中，抽真空后真空室的真空度彡8. 0xl0_4Pa。優(yōu)選步驟二中，打開考夫曼離子源在離子源柵極上施加10(T1000V的離子加速電壓，所述電子電流和離子束流密度范圍均為5(T200mA/Cm2 ;根據(jù)診斷結(jié)果調(diào)節(jié)真空室內(nèi)的等離子體密度為109 1012/m3。·
優(yōu)選步驟三中，高壓偏置電源對(duì)離子電流收集電極施加偏置電壓的范圍為I -20kV，增加步長(zhǎng)為500 2000V。優(yōu)選步驟四中，電流收集電極與金屬圓盤中心直線距離的變化范圍為f 15cm。有益效果( I)本發(fā)明提供了一種衛(wèi)星尾區(qū)離子電流收集測(cè)試裝置，所述裝置采用了金屬圓盤放置在定向流動(dòng)的等離子體中，在金屬圓盤的離子流下游即可產(chǎn)生尾區(qū)效應(yīng)代替衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生尾區(qū)等離子體環(huán)境。消除了衛(wèi)星上介質(zhì)充電效應(yīng)對(duì)尾區(qū)不同區(qū)域離子電流收集的影響；(2)所述裝置利用金屬球作為電流收集電極，放置在圓盤的尾區(qū)，可在金屬球上施加不同的偏置電壓模擬不同的充電電位，并能在其接線回路上串聯(lián)一個(gè)電流計(jì)用于測(cè)量金屬球的收集電流。實(shí)現(xiàn)了尾區(qū)不同充電電位和不同位置的離子電流收集情況的測(cè)量。(3)本發(fā)明提供了一種衛(wèi)星尾區(qū)離子電流收集測(cè)試方法，將離子電流收集系統(tǒng)放置在金屬圓盤后不同的位置，打開真空系統(tǒng)，待真空度達(dá)到要求，再打開離子源和等離子體診斷系統(tǒng)，通過在離子電流收集電極(不銹鋼球)上施加不同的偏執(zhí)電壓，得到其不同位置的I-V特性曲線。


圖I為本發(fā)明所述的衛(wèi)星尾區(qū)離子電流收集測(cè)試裝置的示意圖。圖中1為金屬圓盤，2為電流收集電極，3為電流計(jì)，4為等離子體診斷系統(tǒng)，5為考夫曼離子源，6為燈絲,7為PC機(jī),8為高壓偏置電源,9為抽真空系統(tǒng)，10為真空室。圖2為實(shí)施例中尾區(qū)不同位置下的離子電流收集的I-V特性曲線。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例如圖I所示的一種衛(wèi)星尾區(qū)離子電流收集測(cè)試裝置，所述裝置包括金屬圓盤I、電流收集電極2、電流計(jì)3、等離子體診斷系統(tǒng)4、考夫曼離子源5、抽真空系統(tǒng)9、高壓偏置電源8、PC機(jī)7、真空室10、燈絲6 ；
其中，在真空室10內(nèi)部，燈絲6對(duì)稱安裝在真空室10的上下壁面上；金屬圓盤I通過金屬絲豎直懸掛在真空室10的中心位置；考夫曼離子源5安裝在真空室10左側(cè)壁面上，并與金屬圓盤I的盤面正對(duì)；電流收集電極2位于金屬圓盤I的右側(cè)，通過支持桿對(duì)電流收集電極2進(jìn)行支撐；考夫曼離子源5、金屬圓盤I、電流收集電極2的中心位于一條直線上；等離子體診斷系統(tǒng)4位于真空室10內(nèi)部；在真空室10壁面上開有通孔，導(dǎo)線穿過通孔，將位于真空室10外部的PC機(jī)7與等離子體診斷系統(tǒng)4連接；真空室10外部的高壓偏置電源8 一端接地，另一端通過導(dǎo)線與電流計(jì)3連接后，導(dǎo)線穿過真空室10與電流收集電極2連接；抽真空系統(tǒng)9與真空室10連接；其中，所述金屬圓盤I為招圓盤，直徑為IOcm,厚度為2cm ;所述電流收集電極2為直徑5mm的不銹鋼球；金屬圓盤I和考夫曼離子源5出口之間的距離為3(T40cm ；電流收集 電極2與金屬圓盤I中心的直線距離為l 15cm。所述等離子體診斷4系統(tǒng)為L(zhǎng)angmuir探針。所述燈絲6為鶴絲。一種衛(wèi)星尾區(qū)離子電流收集測(cè)試方法，所述方法步驟如下步驟一、打開抽真空系統(tǒng)9對(duì)真空室10抽真空，使真空度彡8. 0xl0-4Pa ；步驟二、打開燈絲6，使燈絲6發(fā)射35mA/cm2的電子電流；打開考夫曼離子源5，在離子源5柵極上施加100V的離子加速電壓，使離子源5發(fā)射30mA/cm2的離子束流；打開等離子體診斷系統(tǒng)4，對(duì)等離子體環(huán)境的密度和能量進(jìn)行診斷，根據(jù)診斷結(jié)果調(diào)節(jié)發(fā)射的離子和電子電流，使真空室10內(nèi)的等離子體密度為109/m3左右。步驟三、打開高壓偏置電源8，對(duì)電流收集電極2施加偏置電壓，偏置電壓的范圍為l'20kV可調(diào)，增加步長(zhǎng)為500V，通過電流計(jì)3讀出不同偏置電壓下的離子收集電流，作出離子收集電流與施加偏壓之間的ι-v特性曲線。步驟四、改變電流收集電極2與金屬圓盤I中心的直線距離，所述直線距離變化范圍為f 15cm，重復(fù)步驟二和步驟三，獲得尾區(qū)不同位置下的離子收集電流與施加偏壓之間的I-V特性曲線。圖2為為電流收集電極2與金屬圓盤I中心直線距離分別為2、4、10cm時(shí)(分別對(duì)應(yīng)曲線a、b、c)，離子收集電流與施加偏壓之間的I-V特性曲線。從圖2中可以看出，當(dāng)電流收集電極2與金屬圓盤I距離越近時(shí)，在同一施加偏壓下對(duì)應(yīng)的電流值越小，可以很好模擬衛(wèi)星尾區(qū)的狀況。綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種衛(wèi)星尾區(qū)離子電流收集測(cè)試裝置，其特征在于所述裝置包括金屬圓盤(I)、電流收集電極(2)、電流計(jì)(3)、等離子體診斷系統(tǒng)(4)、考夫曼離子源(5)、抽真空系統(tǒng)(9)、高壓偏置電源(8)、PC機(jī)(7)、真空室(10)、燈絲(6)； 其中，在真空室(10)內(nèi)部，燈絲(6)對(duì)稱安裝在真空室(10)的上下壁面上；金屬圓盤(1)通過金屬絲豎直懸掛在真空室(10)的中心位置；考夫曼離子源(5)安裝在真空室(10)左側(cè)壁面上，并與金屬圓盤(I)的盤面正對(duì)；電流收集電極(2)位于金屬圓盤(I)的右側(cè)，通過支持桿對(duì)電流收集電極(2 )進(jìn)行支撐；考夫曼離子源(5 )、金屬圓盤(I)、電流收集電極(2)的中心位于一條直線上；等離子體診斷系統(tǒng)(4)位于真空室(10)內(nèi)部； 在真空室(10)外部，PC機(jī)(7)與等離子體診斷系統(tǒng)(4)連接；高壓偏置電源(8)—端接地，另一端通過導(dǎo)線與電流計(jì)(3)連接后，導(dǎo)線穿過真空室(10)與電流收集電極(2)連接；抽真空系統(tǒng)(9)與真空室(10)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種衛(wèi)星尾區(qū)離子電流收集測(cè)試裝置，其特征在于金屬圓盤(I)為鋁圓盤，直徑為10cm，厚度為2cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種衛(wèi)星尾區(qū)離子電流收集測(cè)試裝置，其特征在于所述電流收集電極(2)為直徑5mm的不銹鋼球。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種衛(wèi)星尾區(qū)離子電流收集測(cè)試裝置，其特征在于金屬圓盤(I)和考夫曼離子源(5)出口之間的距離為3(T40cm;電流收集電極(2)與金屬圓盤(I)中心的直線距離為f 15cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種衛(wèi)星尾區(qū)離子電流收集測(cè)試裝置，其特征在于所述等離子體診斷系統(tǒng)(4)為L(zhǎng)angmuir探針。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種衛(wèi)星尾區(qū)離子電流收集測(cè)試裝置，其特征在于所述燈絲(6)為鶴絲。
7.—種衛(wèi)星尾區(qū)離子電流收集測(cè)試方法，其特征在于所述方法使用如權(quán)利要求1飛所述的裝置，步驟如下 步驟一、打開抽真空系統(tǒng)(9)對(duì)真空室抽真空； 步驟二、打開燈絲(6 )發(fā)射電子電流；打開考夫曼離子源(5 )，在離子源(5 )柵極上施加離子加速電壓，使離子源(5)發(fā)射離子束流；打開等離子體診斷系統(tǒng)(4)，對(duì)等離子體環(huán)境的密度和能量進(jìn)行診斷； 步驟三、打開高壓偏置電源(8)，對(duì)電流收集電極(2)施加偏置電壓，通過電流計(jì)(3)讀出不同偏置電壓下的離子收集電流，作出離子收集電流與施加偏壓之間的I-V特性曲線； 步驟四、改變電流收集電極(2)與金屬圓盤(I)中心的直線距離，重復(fù)步驟二和步驟三，獲得不同位置下的離子收集電流與施加偏壓之間的I-V特性曲線。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種衛(wèi)星尾區(qū)離子電流收集測(cè)試方法，其特征在于步驟一中，抽真空后真空室(10)的真空度彡8. 0xl0-4Pa。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種衛(wèi)星尾區(qū)離子電流收集測(cè)試方法，其特征在于步驟二中，打開考夫曼離子源(5)在離子源柵極上施加10(T1000V的離子加速電壓，所述電子電流和離子束流密度范圍均為5(T200mA/Cm2 ;根據(jù)診斷結(jié)果調(diào)節(jié)真空室(10)內(nèi)的等離子體密度為 IO9 1012/m3。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種衛(wèi)星尾區(qū)離子電流收集測(cè)試方法，其特征在于步驟三中，高壓偏置電源(8)對(duì)電流收集電極(2)施加偏置電壓的范圍為l'20kV，增加步長(zhǎng)為 50(T2000V。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星尾區(qū)離子電流收集測(cè)試裝置及方法，屬于空間充放電效應(yīng)電流收集領(lǐng)域。所述裝置包括金屬圓盤、電流收集電極、電流計(jì)、等離子體診斷系統(tǒng)、考夫曼離子源、抽真空系統(tǒng)、高壓偏置電源、PC機(jī)、真空室、燈絲。所述方法包括打開抽真空系統(tǒng)對(duì)真空室抽真空；打開燈絲，使燈絲發(fā)射電子電流；打開考夫曼離子源，在離子源柵極上施加離子加速電壓，使離子源發(fā)射離子束流；打開高壓偏置電源，對(duì)電流收集電極施加偏置電壓，通過電流計(jì)讀出不同偏置電壓下的離子收集電流，作出離子收集電流與施加偏壓之間的I-V特性曲線，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星尾區(qū)不同充電電位和不同位置的離子電流收集情況的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01R19/00GK102944721SQ201210484649
公開日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月25日
發(fā)明者湯道坦, 秦曉剛, 李得天, 楊生勝, 陳益峰 申請(qǐng)人:中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第五研究院第五一〇研究所