[发明专利]高真空环境下介质材料表面电位主动控制系统

说明书

技术领域

本发明属于等离子体与材料相作用科学研究领域，具体涉及一种高真空环境下介质材料表面电位主动控制系统。

背景技术

航天器在轨运行期间，其表面受空间等离子体、高能电子、太阳辐射、空间带电尘埃等环境的影响，可能发生静电荷积累和泄漏的现象。这种充放电过程可能造成航天器材料的击穿、材料表面性能下降，使太阳电池、电子器件和光学敏感器性能下降或出现损伤；同时这种充放电过程产生的强电磁脉冲会严重干扰航天器内部仪器系统，产生异常、故障、失灵甚至导致航天器报废等，将严重影响重大空间任务的执行。因此，对航天器表面电位进行有效控制对于保障我国航天器在轨安全稳定运行具有非常重要的意义。

空间的恶劣环境复杂多变（如超低温、极低真空、高能电子离子辐照等），常规可用的地面除静电的方式（如加湿空气、电晕放电等）将无法使用。目前存在的介质表面电位控制方法主要分被动式控制和主动式控制两种，相比较前者主动式控制更为灵活有效和彻底。通常发射的荷电粒子束流主要有三种：电子束、离子束和等离子体束，其中电子束和离子束均为单一电性的粒子流。国际空间站（ISS）使用发射电子的空心阴极组件，通过其发射的电子束流为空间站与空间等离子体环境之间提供一种低阻抗通路，降低并控制空间站表面电位，这种空心等离子体源电子发射能力强，但离子较少，功耗较大，中和不彻底。欧空局提出了一种离子源主动控制方法，使用液态金属蒸发、离化并被加速极的电压加速喷出形成离子束，但这种离子源的结构较为复杂，且只能中和负电位，不能中和正电位，同时会带来不利的材料污染等。因为空间环境的恶劣多变以及飞行器位置时常发生变化，飞行器表面介质材料的电位幅值与极性可能随时间发生变化，如果飞行器表面向阳，且空间等离子体密度和能量很低时，飞行器表面可能带较低的正电位；而如果飞行器表面背阳，且空间等离子体的密度和能量高时，卫星表面可能带很高的负电位。因此使用低能的等离子体束将比电子束和离子束的电位主动控制方式更加的有效，将可以对介质表面的电位进行有效调控。俄罗斯和平号空间站使用一种脉冲等离子体源实现空间中介质表面电荷，具有结构简单、中和效率高、工作稳定等特点，但该脉冲等离子体源通过高温电弧烧蚀工质表面材料分解并离化产生等离子体，能耗高且消耗固材。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高真空环境下介质材料表面电位主动控制系统，在10^-4Pa以下的高真空环境下，将2.45GHz微波以TEM模式通过同轴波导馈入到位于真空室内的等离子源体，并通过微波同轴天线在等离子体室内击穿工作气体，形成等离子体，位于等离子体室内的环形永磁钢用于产生磁场，且在磁场强度为0.0875特斯拉处发生电子回旋共振使电子加速，从而使气体电离，形成高密度的电子回旋共振等离子体，所形成的等离子体包含电子和离子通过等离子体调节板扩散至待处理工件环境，实现介质表面电荷的主动调节。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高真空环境下介质材料表面电位主动控制系统，包括等离子体源体、微波系统、供气系统和真空系统，所述微波系统包括用于产生2.45GHz微波的微波发生器和微波传输系统，所述微波发生器由微波电源和磁控管构成；所述微波发生器其产生的微波通过微波传输系统传输至等离子体源体的等离子体室内；所述供气系统包括气体储存系统和用于控制进入等离子体室内气体的气压和流量的气体控制系统，所述气体储存系统的气体通过进气管通入等离子体源体的等离子体室，所述真空系统包括真空室，所述真空室内装有用于测试介质材料表面电位的电位计和待控制表面电位的介质材料及介质材料放置平台，真空室其真空度在10^-4Pa以下；所述等离子体源体其产生的等离子体导入真空室内，并作用于待控制表面电位的介质材料表面。

进一步地，所述等离子体源体包括进气管、同轴微波天线、环形永磁钢、磁钢固定套筒以及等离子体调节板，所述磁钢固定套筒为下端开放的筒状结构，微波同轴天线和进气管从磁钢固定套筒的封闭端插入其内腔，所述环形永磁钢固定安装在磁钢固定套筒内侧，且围绕在微波同轴天线外侧，所述等离体调节板固定安装在磁钢固定套筒的开放端，所述环形永磁钢、磁钢固定套筒、等离子体调节板与微波同轴天线构成等离子体室。