[发明专利]一种电推进产生等离子体诱发充放电效应的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电推进产生等离子体诱发充放电效应的装置及方法，适用于电推进工作时产生等离子体和空间天然等离子体综合作用下卫星充放电效应模拟测试，属于测试领域。

背景技术

地磁亚暴期间，地球同步轨道（GEO）会产生能量在1～50keV范围的大通量等离子体，导致GEO卫星表面充电最高至万伏以上，产生的静电放电是通信和气象等卫星产生故障的主要原因。随着我国对卫星长寿命高性能需求的增长，电推进技术作为一种高比冲、长寿命、高效率的空间推进技术将得到广泛应用。推进器工作时会产生低温度、高密度的等离子体，将与空间天然存在的高温度、低密度等离子体发生电荷交换等作用过程，导致卫星的充放电过程更加复杂，同时当电推进系统中和器工作异常时，将会导致卫星结构电位迅速升高，从而影响卫星在轨安全运行。

文献“蔡震波，氙离子发动机对GEO卫星表面充/放电效应的影响，航天器环境工程22（5），2005”仅对GEO轨道卫星上的氙离子发动机工作时喷射出的氙离子及电子、空间等离子体、表面材料二次电子光生电子等因素对GEO卫星的表面充放电过程的影响进行了定性分析，并探讨其设计要求。由于国内电推进技术还未在航天器上得到应用，国内还没有形成电推进产生等离子体诱发充放电效应试验方法。

发明内容

本发明提供一种电推进产生等离子体诱发充放电效应的装置及方法，综合利用电子枪和电推进器模拟空间带电环境，并对材料样品表面电位和放电脉冲进行监测，适用于电推进工作时产生等离子体诱发的充放电效应模拟试验。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种电推进产生等离子体诱发充放电效应的装置，所述装置包括电子枪、离子发动机、中和器、第一非接触式表面电位探头、第一电位计、放电脉冲测试探针、示波器、样品台、材料样品、抽真空系统、绝缘垫、绝缘支撑架、第二非接触式表面电位探头、第二电位计、真空室；

在真空室内部，电子枪安装在真空室顶部；离子发动机和中和器组成电推进系统，通过绝缘支撑架安装在真空室顶部，从而保证电推进系统与真空室的绝缘；

在真空室底部设置样品台，所述样品台中心与电子枪发射端正对；材料样品位于样品台的绝缘垫上，保持材料样品与样品台的绝缘；

材料样品下表面镀金属膜，通过导线将材料样品下表面的金属膜与中和器连接后，依次与真空室外的第二非接触式表面电位探头和第二电位计连接后接地，使材料样品与电推进器地相连接；优选所述金属膜为铝膜；

第一非接触式表面电位探头位于材料样品上方，真空室外的第一电位计一端穿过真空室与第一非接触式表面电位探头连接，另一端接地；

材料样品上表面设有导线，所述导线一端固定在材料样品上表面，另一端穿过真空室后接地，在导线上设有放电脉冲测试探针，示波器与放电脉冲测试探针连接，所述放电脉冲测试探针和示波器位于真空室外部；

在真空室外部，抽真空系统与真空室连接；

一种电推进产生等离子体诱发充放电效应试验方法，所述方法具体步骤如下：

步骤一、使用抽真空系统对真空室抽真空，使真空度≤10^-4Pa，并开启电子枪，产生电子辐照材料样品；

优选所述电子枪发射的电子能量为5～50keV，束流密度为1～10nA/cm²；

步骤二、开启第一电位计，通过第一电位计和第一非接触式表面电位探头，对材料样品的表面电位进行测试；

同时开启示波器，通过放电脉冲测试探针和示波器，获得材料样品的放电脉冲次数以及波形；

优选所述示波器的测试带宽为500MHz；第一、第二电位计的测试范围为-20～20KV；

步骤三、开启电推进器，即开启离子发动机和中和器，使其产生的等离子体与电子枪产生的电子同时辐照材料样品；

优选所述等离子体的密度为10¹⁵～10¹⁷m^-3，中和器产生的电子温度为10～50eV；

步骤四、通过第一电位计和第一非接触式表面电位探头，以及放电脉冲测试探针和示波器，再次测试材料样品的表面电位和放电脉冲；

步骤五、关闭中和器，模拟中和器故障时电推进器产生的等离子体充放电效应，并通过第二非接触式表面电位探头和第二电位计测得电推进器结构电位，即卫星的地电位。

有益效果