等離子體驅動微小碎片加速器上碎片按速度的篩選

高著秀1 孫健 王玉林 李宏偉

摘 要：等離子體驅動微小碎片加速器是用于模擬空間毫米級以下碎片撞擊效應的地面實驗裝置。該加速器可以將直徑（10～1 000 μm）的微小固體顆粒加速至超高速（1～15 km/s）。但是由于是群發射，被加速的微粒速度比較分散。為了選取某一特定速度范圍的微粒，在原有裝置上進行改進，安裝速度選擇器，使得原來速度比較分散的微粒有效地被攔截，通過的時間相對集中，成功實現微粒的篩選。

關鍵詞：等離子體加速器 微小碎片 速度篩選

中圖分類號：V4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）07（a）-0009-02

長期以來，由于對航天器構成嚴重威脅，空間碎片一直是航天活動所關注和研究的對象，對空間碎片研究表明，大量存在于太空中的空間碎片，99%以上的碎片是1 μm～1 mm之間的微小碎片，速度主要分布在1～15 km/s，空間碎片與航天器的平均碰撞速度高達10 km/s[1-3]，由于其數量巨大，頻繁地撞擊衛星外表材料，直接損傷航天器表面熱控涂層、太陽能電池和光學鏡頭及窗口，并且砂蝕航天器表面材料造成空間原子氧剝蝕加劇，嚴重影響航天器的壽命及可靠性[4-6]。在模擬微米至毫米范圍的空間微小碎片撞擊效應方面，等離子體驅動微小碎片加速器在碎片尺寸、速度、材料及形狀等方面更加符合模擬要求，是最佳選擇。國際上曾經用于微小空間碎片撞擊研究的等離子體加速器有3臺[7]，分別是由德國慕尼黑技術大學空間研究所、日本東京技術研究所和美國奧本大學空間研究所。等離子體驅動碎片加速器可將幾微米至幾百微米的微粒加速到1～15 km/s的速度[8-9]。但是由于是群發射，每次加速的微粒不是單個發射，得到的是一個速度范圍內的一群微粒。在做一些地面模擬實驗時，需要的是某些特定速度范圍的微粒，因此需要對被加速的微粒加以篩選。例如由于空間微小碎片速度基本大于1 km/s，但是由加速器發射的微粒有些是速度小于1 km/s的，就需要對小于該速度的微粒進行過濾。針對此需要，筆者設計了進行速度篩選的裝置（簡稱快門），并對此裝置的可靠性進行了實驗測試。

1 設計原理

等離子體驅動微小碎片加速器是通過高壓電容器對同軸槍放電形成等離子體，在強大磁壓力下將等離子體高速驅動，并通過一個壓縮線圈將等離子體通過電磁作用壓縮成高溫、高密、高速等離子體流，將置于噴嘴處的微粒瞬間噴射而出形成超高速微粒，在等離子體驅動微小碎片加速器上運用快門工作時，先發出啟動快門轉動的信號，該信號經過一定的時間延遲t延遲后觸發充氣閥門充氣，經過時間τ工作氣體放電，粒子被加速。快門啟動后，孔欄便以均勻角速度ω從初始位置（虛線）沿順時針旋轉，同時啟動脈沖信號經過一定的延遲后去觸發碎片加速器，當旋轉至正中位置時，如果加速器發射的微粒正好到達該位置，則微粒可以通過。滿足如下條件時準許粒子通過：

式中：孔欄中軸線轉過的角度（60°）；為孔欄轉動的角速度；v為粒子飛行速度；l為管道長度（5.3 m）；t延遲為閥門的觸發延遲時間；τ為加速器觸發信號（充氣脈沖）與放電觸發信號的時間延遲（526 ms）。

而通過粒子的速度范圍為：

式中：min為可通過的粒子的最小速度；max為可通過的粒子的最大速度；為孔欄的張角（約20°）。

因此，根據公式（1）、（2），設定合適的角速度ω和觸發延遲時間t延遲，即可使特定速度范圍的粒子通過。通過粒子的時間跨度為，但是由于實際情況下，有些粒子在通過快門時，可能由于撞擊到快門而產生二次碎片，粒子的速度大小和方向被改變，飛過快門后的個別粒子并不是與軸向平行，而是與軸向有一定角度，因此，由壓電傳感器上收集到的粒子信號在速度大小和時間跨度上與理論上的值有一定的偏差。

2 快門工作性能的實驗測試

2.1 低通性能測試

實驗時，采用一組電容器放電，加15 kV電壓，被加速微粒為直徑100 ?m陶瓷顆粒，加速器上產生一定速度范圍的粒子，設定快門參數，使其最低放行速度v最小處于該速度范圍內，驗證其對低速粒子的攔截情況是否與預期設想一致。速度信號由壓電傳感器及示波器來采集。有兩種等測量微粒速度的方法，分別是壓電測試方法和激光測試方法[10]，由于激光測速干擾因素較多，通常用的是壓電測速，壓電測速的原理是“飛行時間法”，即通過測量微粒飛過一段距離所用的時間，來間接得到微粒的速度。飛行距離是是5.3米，是微粒在離子體加速器漂移管道中飛行的距離，在示波器上獲取微粒被加速的起始時刻和到達靶材的終止時刻，即可得到粒子飛行的速度（見表1）。

測試結果如表2所示，給出了第2次放電快門未開時的粒子速度信號和第1、第3次放電并且快門工作時的粒子速度測試結果。

從表2中可以看到，不加快門時粒子的速度為0.09～2 km/s，時間跨度約60 ms，加上快門時速度范圍為0.33～2.5 km/s，可見，快門擋住很多速度比較小的粒子，通過粒子的時間范圍相對集中了。

2.2 帶通性能測試

設定快門參數，使其最低放行速度vmin及最高放行速度vmax均處于加速器產生的粒子速度范圍內，驗證其對低速粒子和高速粒子的攔截情況是否與預期設想一致。

粒子被攔截的情況如表3所示，分別給出了第7次放電快門未工作時的速度信號和第4、第5、第6、第8及第9次放電加上快門時的粒子速度測試結果。

帶通性能測試的效果非常明顯，加快門后，較大速度和較小速度的粒子都有效地被攔截，粒子通過的時間跨度被有效地縮短（見表4）。

3 結語

該文通過對速度選擇器的工作性能測試得出了以下主要結論：通過快門工作前后微粒速度信號對比可知，快門對粒子的選擇性放行是顯然的。通過對低通、帶通兩種條件下的實驗測試，結果表明最低放行速度min和最高攔截速度max實測值與設計值存在一定偏差，例如，通常min比設計值低約0.5 km/s，測到的最大偏差約1 km/s；max實測值比設計值高約0.6 km/s。速度窗口的偏差并不影響快門的實際使用，可以摸索偏差規律，通過延遲時間的調整來補償偏差，也可在靶材前面放置圓錐形擋板過濾二次碎片，使得快門達到設計要求，滿足使用需要。

參考文獻

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[9] 李宏偉.微小空間碎片撞擊效應研究[D].北京：中國科學院空間科學與應用研究中心，2010.

[10] 韓建偉，張振龍，李小銀，等.等離子體微小空間碎片加速器研究進展[J].空間碎片研究，2006，6（3）：13-20.