[发明专利]一种高轨星用材料带电效应地面模拟试验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高轨星用材料带电效应地面模拟试验装置及方法，属于测量领域。

背景技术

GEO的空间带电环境由两部分组成。首先是地磁亚暴等离子体，当太阳耀斑发生时，太阳风与地球磁场相互作用会产生地磁亚暴现象，此时在地球同步轨道会产生能量在1～50keV，密度在10⁵～10⁶m^-3范围内的大通量等离子体，会使GEO卫星表面充电至万伏以上；其次，GEO处于地球外辐射带的边缘，高能电子能量在0.1～10MeV，通量在10⁷e/cm²·s的范围左右，大通量高能电子容易使GEO卫星产生内带电效应。当材料中电荷的积累率高于电荷的泄放率时，这些电荷产生的电场不断增强，当超过材料的击穿阈值时，就会造成材料的击穿，引起材料的静电放电，产生的电磁脉冲会引起卫星不同程度的损坏，造成数据翻转，干扰甚至破坏电子系统的正常工作，严重时会导致航天器完全失效。因此，表面带电和内带电所产生的放电是通信和气象等地球高轨道卫星产生故障的主要原因。

随着我国空间应用技术的不断发展，GEO轨道的导航卫星、通信卫星、气象卫星等的数量越来越多，对GEO轨道星用材料带电效应的研究是势在必行。目前，我国对星用材料带电效应的认识还不够深入，缺乏有效的防护方法和设计手段，无法完全保证GEO轨道卫星的在轨稳定运行。因此，亟需开展高地球轨道星用材料带电效应地面模拟试验的研究。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对高地球轨道中同时存在等离子体和高能电子的空间带电环境，提供一种高轨星用材料带电效应地面模拟试验装置及方法，利用电子加速器和等离子体源模拟高轨的高能电子和等离子体，开展星用材料带电效应地面模拟试验。

本发明的技术方案如下：

一种高轨星用材料带电效应地面模拟试验装置，所述装置包括屏蔽室、真空室、电子加速器、屏蔽壳、等离子体源、样品台、绝缘垫、真空抽气系统、三维传动机构、示波器、脉冲电流探针、非接触电位计、摄像头，以及可调电源。

在真空室内部，电子加速器和摄像头安装在真空室顶部；等离子体源安装在真空室侧壁，在等离子体源的外围设有屏蔽壳，防止电子将等离子体源损坏；

样品台安装在真空室底面上，样品台上设置绝缘垫；材料样品放置在绝缘垫上表面，在材料样品下表面设有金属背电极；所述材料样品与真空室外的可调电源连接。三维传动机构位于真空室内，三维传动机构上设有非接触式表面电位计探头；在真空室外，真空抽气系统与真空室连接；

示波器、脉冲电流探针、非接触电位计位于屏蔽室内，非接触电位计一端接地，另一端与穿过屏蔽室和真空室与非接触式表面电位计探头连接；连接材料样品金属背电极的导线穿过真空室和屏蔽室后在屏蔽室内接地，在导线上设有脉冲电流探针，所述脉冲电流探针与示波器连接。

其中，优选所述金属背电极为导电金属胶带。

一种高轨星用材料带电效应地面模拟试验方法，包括以下步骤：

步骤一、开启真空抽气系统给真空室抽真空；

步骤二、开启等离子体源模拟GEO轨道等离子体带电环境；

步骤三、开启电子加速器模拟GEO轨道高能电子带电环境；

步骤四、利用脉冲电流探针和示波器监测材料样品放电瞬态脉冲，利用非接触式电位计监测材料样品的表面电位，利用摄像头记录二次放电现象。

其中，优选所述步骤一中真空环境真空度要求低于3.0×10^-4Pa。

优选所述步骤二中等离子体源产生的等离子体温度范围为1～50KeV可调，密度范围为1×10⁵～1×10⁶/m³可调。

优选所述步骤三中电子加速器提供高能电子的能量范围在0.8～2.3MeV内可调，束流密度范围在1～25nA/cm²内可调。

优选所述步骤四中采用CT-2脉冲电流探针监测材料样品瞬态放电脉冲，采用Trek341A非接触式电位计监测材料样品表面电位。

优选所述材料样品为高压太阳电池。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

（1）采用电子加速器和等离子体源，能较好的模拟高轨道在地磁亚暴时的带电环境；

（2）高轨星用材料带电效应地面模拟试验装置及方法可操作性强，试验装置工作稳定，适用于测量各种星用材料的带电效应。

附图说明