等离子体驱动微小碎片加速器上碎片按速度的筛选

高著秀1 孙健 王玉林 李宏伟

摘 要：等离子体驱动微小碎片加速器是用于模拟空间毫米级以下碎片撞击效应的地面实验装置。该加速器可以将直径（10～1 000 μm）的微小固体颗粒加速至超高速（1～15 km/s）。但是由于是群发射，被加速的微粒速度比较分散。为了选取某一特定速度范围的微粒，在原有装置上进行改进，安装速度选择器，使得原来速度比较分散的微粒有效地被拦截，通过的时间相对集中，成功实现微粒的筛选。

关键词：等离子体加速器 微小碎片 速度筛选

中图分类号：V4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）07（a）-0009-02

长期以来，由于对航天器构成严重威胁，空间碎片一直是航天活动所关注和研究的对象，对空间碎片研究表明，大量存在于太空中的空间碎片，99%以上的碎片是1 μm～1 mm之间的微小碎片，速度主要分布在1～15 km/s，空间碎片与航天器的平均碰撞速度高达10 km/s[1-3]，由于其数量巨大，频繁地撞击卫星外表材料，直接损伤航天器表面热控涂层、太阳能电池和光学镜头及窗口，并且砂蚀航天器表面材料造成空间原子氧剥蚀加剧，严重影响航天器的寿命及可靠性[4-6]。在模拟微米至毫米范围的空间微小碎片撞击效应方面，等离子体驱动微小碎片加速器在碎片尺寸、速度、材料及形状等方面更加符合模拟要求，是最佳选择。国际上曾经用于微小空间碎片撞击研究的等离子体加速器有3台[7]，分别是由德国慕尼黑技术大学空间研究所、日本东京技术研究所和美国奥本大学空间研究所。等离子体驱动碎片加速器可将几微米至几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单个发射，得到的是一个速度范围内的一群微粒。在做一些地面模拟实验时，需要的是某些特定速度范围的微粒，因此需要对被加速的微粒加以筛选。例如由于空间微小碎片速度基本大于1 km/s，但是由加速器发射的微粒有些是速度小于1 km/s的，就需要对小于该速度的微粒进行过滤。针对此需要，笔者设计了进行速度筛选的装置（简称快门），并对此装置的可靠性进行了实验测试。

1 设计原理

等离子体驱动微小碎片加速器是通过高压电容器对同轴枪放电形成等离子体，在强大磁压力下将等离子体高速驱动，并通过一个压缩线圈将等离子体通过电磁作用压缩成高温、高密、高速等离子体流，将置于喷嘴处的微粒瞬间喷射而出形成超高速微粒，在等离子体驱动微小碎片加速器上运用快门工作时，先发出启动快门转动的信号，该信号经过一定的时间延迟t延迟后触发充气阀门充气，经过时间τ工作气体放电，粒子被加速。快门启动后，孔栏便以均匀角速度ω从初始位置（虚线）沿顺时针旋转，同时启动脉冲信号经过一定的延迟后去触发碎片加速器，当旋转至正中位置时，如果加速器发射的微粒正好到达该位置，则微粒可以通过。满足如下条件时准许粒子通过：

式中：孔栏中轴线转过的角度（60°）；为孔栏转动的角速度；v为粒子飞行速度；l为管道长度（5.3 m）；t延迟为阀门的触发延迟时间；τ为加速器触发信号（充气脉冲）与放电触发信号的时间延迟（526 ms）。

而通过粒子的速度范围为：

式中：min为可通过的粒子的最小速度；max为可通过的粒子的最大速度；为孔栏的张角（约20°）。

因此，根据公式（1）、（2），设定合适的角速度ω和触发延迟时间t延迟，即可使特定速度范围的粒子通过。通过粒子的时间跨度为，但是由于实际情况下，有些粒子在通过快门时，可能由于撞击到快门而产生二次碎片，粒子的速度大小和方向被改变，飞过快门后的个别粒子并不是与轴向平行，而是与轴向有一定角度，因此，由压电传感器上收集到的粒子信号在速度大小和时间跨度上与理论上的值有一定的偏差。

2 快门工作性能的实验测试

2.1 低通性能测试

实验时，采用一组电容器放电，加15 kV电压，被加速微粒为直径100 ?m陶瓷颗粒，加速器上产生一定速度范围的粒子，设定快门参数，使其最低放行速度v最小处于该速度范围内，验证其对低速粒子的拦截情况是否与预期设想一致。速度信号由压电传感器及示波器来采集。有两种等测量微粒速度的方法，分别是压电测试方法和激光测试方法[10]，由于激光测速干扰因素较多，通常用的是压电测速，压电测速的原理是“飞行时间法”，即通过测量微粒飞过一段距离所用的时间，来间接得到微粒的速度。飞行距离是是5.3米，是微粒在离子体加速器漂移管道中飞行的距离，在示波器上获取微粒被加速的起始时刻和到达靶材的终止时刻，即可得到粒子飞行的速度（见表1）。

测试结果如表2所示，给出了第2次放电快门未开时的粒子速度信号和第1、第3次放电并且快门工作时的粒子速度测试结果。

从表2中可以看到，不加快门时粒子的速度为0.09～2 km/s，时间跨度约60 ms，加上快门时速度范围为0.33～2.5 km/s，可见，快门挡住很多速度比较小的粒子，通过粒子的时间范围相对集中了。

2.2 带通性能测试

设定快门参数，使其最低放行速度vmin及最高放行速度vmax均处于加速器产生的粒子速度范围内，验证其对低速粒子和高速粒子的拦截情况是否与预期设想一致。

粒子被拦截的情况如表3所示，分别给出了第7次放电快门未工作时的速度信号和第4、第5、第6、第8及第9次放电加上快门时的粒子速度测试结果。

带通性能测试的效果非常明显，加快门后，较大速度和较小速度的粒子都有效地被拦截，粒子通过的时间跨度被有效地缩短（见表4）。

3 结语

该文通过对速度选择器的工作性能测试得出了以下主要结论：通过快门工作前后微粒速度信号对比可知，快门对粒子的选择性放行是显然的。通过对低通、带通两种条件下的实验测试，结果表明最低放行速度min和最高拦截速度max实测值与设计值存在一定偏差，例如，通常min比设计值低约0.5 km/s，测到的最大偏差约1 km/s；max实测值比设计值高约0.6 km/s。速度窗口的偏差并不影响快门的实际使用，可以摸索偏差规律，通过延迟时间的调整来补偿偏差，也可在靶材前面放置圆锥形挡板过滤二次碎片，使得快门达到设计要求，满足使用需要。

参考文献

[1] 黄建国，韩建伟，李宏伟，等.等离子驱动微小碎片加速器机理及运行参数[J].科学通报，2009，54（2）：150-156.

[2] 都亨，张文祥，庞宝君，等.空间碎片[M].中国宇航出版社，2007.

[3] 张文祥.深化空间碎片减缓技术研究实现对外空环境保护的目标[C]//第三届全国空间碎片专题研讨会.2005.

[4] M Lambert. Hypervelocity Impacts and Damage Laws [J].Advances in Space Research，1997，19（2）：369-378.

[5] 白羽，杨德庄.空间微小碎片对光学玻璃的污染效应研究[J].航天器环境工程，2006，23（5）：262-264.

[6] SR Best， ME Rose. A plasma drag hypervelocity particle accelerator [J].International Journal of Impact Engineering，1999，23（1）：67-76.

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[8] 陈赵峰.等离子体碎片加速器放电特性测量与研究[D].北京：中国科学院空间科学与应用研究中心，2006.

[9] 李宏伟.微小空间碎片撞击效应研究[D].北京：中国科学院空间科学与应用研究中心，2010.

[10] 韩建伟，张振龙，李小银，等.等离子体微小空间碎片加速器研究进展[J].空间碎片研究，2006，6（3）：13-20.