[发明专利]一种超高速撞击中瞬态等离子体参数测量的方法

说明书

技术领域

本发明涉及航天领域，特别涉及一种用于超高速撞击中瞬态等离子体参数测量的装置与方法。

背景技术

空间碎片超高速撞击航天器材料可在局部产生瞬态等离子体环境，进而威胁航天器的在轨安全可靠工作。空间碎片的典型速度范围在1-15km/s，当空间碎片以超高速撞击航天器材料表面时会将部分动能转化成气化能和电离能，通过碎片和靶材料的电离会形成一个局部稠密的瞬态等离子体云团。空间碎片撞击形成的瞬态等离子体云团对航天器的影响主要有两种机制，一是撞击形成的致密等离子体覆盖到航天器带电区域，导致该区域在较低电压下发生静电放电，放电脉冲冲击航天器的电子系统导致其异常甚至失效；另一种机制是撞击航天器带电区域形成的等离子体，在扩散过程中通过与已有电场的作用形成一定强度的电磁波，该电磁波可能会耦合到航天器的工作电路和天线中，形成干扰和“虚假”信号。

目前，等离子体参数诊断方法主要有接触法和非接触法两大类。接触法主要包括郎缪尔探针法、法拉第筒、阻滞势分析器和离子捕集器等，接触法的特点是会对等离子体的平衡状态造成扰动，主要用于大范围、均匀分布等离子体参数的测量。非接触法有光谱法、微波透射法、激光诊断法等，其特点是对等离子体产生的扰动较小，一般用于对小范围或非均匀等离子体进行精确诊断。空间碎片超高速撞击产生的等离子体是一种低温、稠密的瞬态等离子体，其持续时间在微秒量级、发光信号较弱。上述传统的等离子体测量仪器无法满足超高速撞击中瞬态等离子体参数测量的需求，具体原因如下：

1、接触法测量超高速撞击瞬态等离子体参数的不足

对于郎缪尔探针法来说，主要通过在探针上加不同电压引起的电流变化推算等离子体参数，因此郎缪尔探针测量法要求等离子体处于某一稳定状态下进行测量，而空间碎片超高速撞击产生的等离子体只能持续几个微秒，因此探针很难在如此短时间内获得足够信息，即使扫描电源具有非常高的扫描频率测量精度也很难保证。对于法拉第筒、阻滞势分析器、离子捕集器来说，主要是根据传感器上直接收集的带电粒子电流来推算等离子体参数，因此传感器的电荷收集效率至关重要。由于空 间碎片超高速撞击形成的等离子体能量较低(1～10eV)，等离子体在扩散到传感器的传输过程中会损失严重导致收集效率低下。

2、非接触法测量超高速撞击瞬态等离子体参数的不足

对于光谱法来说，主要是使用光纤探测等离子体信号，测量等离子体的特征谱线，通过光谱仪进行数据采集和分析来获得等离子体参数。光谱法要求背景干扰的光信号弱，撞击产生的等离子体发光信号强才能得到理想的测量效果。然而，目前国内在地面模拟空间碎片超高速撞击的实验设备，主要采用爆炸、等离子体驱动、激光等手段进行加速，均含有较强的干扰信号；同时，撞击形成的等离子体能量低、持续时间段也导致了其发光强度很弱，因此很难达到测量要求。对于微波透射法、激光诊断法来说，主要是利用微波、激光与等离子体相互作用对等离子体参数进行反演计算。空间碎片超高速撞击的产生的等离子体所在位置具有随机性，因此很难准确设计微波及激光的传输路径。

综上所述，传统的等离子体诊断方法很难满足空间碎片超高速撞击中等离子体参数的测量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的等离子体诊断方法很难满足空间碎片超高速撞击中等离子体参数的测量的缺陷，从而提出一种测量精度高、分辨率好、效率高、成本低的测量装置与方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于超高速撞击中瞬态等离子体参数测量的装置，包括多层栅网传感器、电源和示波器；其中，所述电源为所述多层栅网传感器和示波器提供电能，所述多层栅网传感器利用带电栅网分析空间碎片撞击形成的等离子体能量，从而得到包括等离子体密度、能量、扩散速度在内的参数；所得到的结果在所述示波器上显示；

所述多层栅网传感器按照从上到下的顺序依次包括：屏蔽体、粒子筛选栅网、能量扫描栅网、抑制电子栅网和收集电极；所述的屏蔽体用于屏蔽内部电场，避免各层栅网上所加电压对外界等离子体环境造成影响；所述粒子筛选栅网用于区分正负粒子；所述能量扫描栅网通过加扫描偏压获得粒子的能量信息；所述抑制电子栅网既能防止收集电极上二次电子和光电子的发射，也能防止对前端电子的干扰；所述收集电极用于收集等离子体。

上述技术方案中，各层栅网之间、底层栅网与收集电极之间的距离均为4mm。

上述技术方案中，所述屏蔽体为一个铝合金的空心圆柱体，其顶层开有一个用 于让等离子体进入的孔。