[发明专利]一种采用单能电子束模拟空间能谱环境的方法

说明书

技术领域

本发明属于GEO轨道卫星充放电效应模拟试验技术领域，具体涉及一种采用单能电子束模拟空间能谱环境的方法。

背景技术

空间等离子体环境和航天器表面材料的相互作用将产生表面充放电效应，诱发的静电放电将导致电磁干扰，表面材料性能衰退、敏感元件的失效等危害。国内外一直都在积极研究影响等离子体与航天器相互作用的模拟试验技术，使用低温等离子体源模拟空间低轨道等离子体环境，或使用电子枪模拟地球同步轨道(GEO)的等离子体环境。

空间等离子体的能量和密度分布范围很广，尤其在GEO轨道，其等离子体环境非常复杂，并受太阳风影响很大，粒子能量范围很宽，几乎涉及所有能量的等离子体，粒子的能谱也不完全一样；在不同的地磁活动条件下，其构成区域也不完全相同，在地磁宁静时，该区域充满冷等离子体(E≤10eV)，发生地磁暴时有大量热等离子体(E＞10eV，最高可达100keV)进入此区域。

针对GEO轨道的等离子体特性，国内外都是采用基于等离子体的单麦克斯韦或双麦克斯韦分布函数进行表征。然而在地面模拟试验中，希望采用电子枪模拟空间等离子体能谱的分布特性，但是由于电子枪只能产生单能的电子束，因此无法准确模拟空间等离子体能谱的分布特性，导致地面模拟试验的准确度降低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种采用单能电子束模拟空间能谱环境的方法，适用于GEO轨道卫星充放电效应模拟试验，该方法能够提高单能电子束模拟空间等离子体环境的准确性，保证地面模拟试验的准确度。

为解决上述技术问题，本发明具体方法如下：

一种采用单能电子束模拟空间能谱环境的方法，包括：

步骤一、确定GEO轨道空间等离子体分布函数f(v)，以及该分布函数的速度要素；

步骤二、分别建立单能电子束和等离子体的表征参数与所述速度要素的表达关系；

步骤三、以速度要素相同为匹配目标，根据所要模拟的空间能谱环境的等离子体表征参数值，建立匹配方程，通过解方程获得用于模拟空间能谱环境的单能电子束的密度和速度，进而转化为单能电子束的能量和束流密度。

优选地，定义GEO轨道空间等离子体分布函数的速度要素为M₀、M₁、M₂、M₃；

其中，K＝0,1,2,3，v为等离子体的速度；

所述单能电子束的表征参数为密度n_b和速度v_b，等离子体的表征参数为给定粒子类型的密度<N>、粒子束流<NF>，束流压力<P>和能量束流<EF>；

则单能电子束的表征参数与4个速度要素的表达关系为：

M₀＝n_b

M₁＝v_bn_b

则等离子体的表征参数与4个速度要素的表达关系为：

M₀＝<N>＝n

式中k为玻尔兹曼常数，T为等离子体的粒子温度，m为等离子体的粒子质量，n为等离子体的粒子密度。

优选地，对于1个单能电子束模拟等离子体的情况：

n_b＝n

其中，T_AV为等离子体的平均温度：

优选地，对于1个单能电子束模拟等离子体的情况：

其中，T_RMS为等离子体的均方根温度，<v>为等离子体的平均速度；

优选地，对于2个单能电子束模拟等离子体的情况：

式中v₁取“+”号，v₂取“-”号。

n2＝n-n₁

其中，v₁和v₂分别为2个单能电子束的速度，n₁和n₂分别为2个单能电子束的密度；T_AV为等离子体的平均温度，T_RMS为等离子体的均方根温度，<v>为等离子体的平均速度：