低軌道航天器的空間等離子體環(huán)境主要為低溫、低密度、均勻等離子體，本文詳細(xì)敘述了低軌道空間等離子體的特點(diǎn)，為了準(zhǔn)確校準(zhǔn)Langmuir( 朗繆爾) 探針，對(duì)空間模擬裝置內(nèi)等離子體的參數(shù)分布進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，得到了電子密度、電子溫度、空間電位、懸浮電位、德拜長(zhǎng)度的分布規(guī)律，得出校準(zhǔn)裝置中心200 mm 以內(nèi)為穩(wěn)定的等離子體，從而在安裝位置上有助于更好地對(duì)探針校準(zhǔn)。

　　等離子體技術(shù)研究領(lǐng)域廣泛，學(xué)科交叉眾多，應(yīng)用前景廣闊。從國(guó)家重大需求來(lái)看，在空間資源開(kāi)發(fā)和利用方面，我國(guó)的航天活動(dòng)日趨頻繁。隨著“神舟”載人飛船和“天宮一號(hào)”的交會(huì)對(duì)接、“雙星”計(jì)劃以及探月工程等重大項(xiàng)目的實(shí)施，這些都需要全面的掌握空間等離子體技術(shù)對(duì)航天器的影響。低地球軌道( LEO，Low Earth Orbit，簡(jiǎn)稱低軌道) 一般是指10 ～ 1000 km 高度范圍的軌道。電離層是低地球軌道重要的環(huán)境因素，是由太陽(yáng)電磁輻射、宇宙線和沉降粒子作用于地球高層大氣，使之電離而生成由電子、離子和中性粒子構(gòu)成的能量很低的準(zhǔn)中性等離子體區(qū)域，其中等離子體的密度、溫度、成分和能量等隨軌道高度而變化。在LEO 軌道上運(yùn)行的航天器與周圍等離子體、高能帶電粒子、磁場(chǎng)和太陽(yáng)輻射等環(huán)境因素的相互作用下，導(dǎo)致等離子體電荷在航天器上積累，使航天器與空間等離子體間或者航天器不同部位間出現(xiàn)相對(duì)電位差，當(dāng)電位差到達(dá)一定的閾值的時(shí)候會(huì)造成靜電放電，甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞，因此飛船和空間站上都需要裝配等離子體電位探測(cè)器。

　　國(guó)際空間站于2005 年8 月安裝懸浮電位探測(cè)單元( FPMU) ，包括寬帶Langmuir 探針( WLP) 、窄帶Langmuir 探針( NLP) 各一個(gè)，以及懸浮電位探針( FPP) 和等離隨著我國(guó)的航天器安裝基于Langmuir探針的空間電位探測(cè)器不斷增加，如何得知朗繆爾探針子體阻抗探針( PIP) 。它們可測(cè)量等離子體空間電位、密度和電子溫度，四個(gè)電極提供交叉數(shù)據(jù)，互為參考，互相驗(yàn)證，最終通過(guò)聯(lián)動(dòng)計(jì)算給出可靠的等離子體空間電位數(shù)值。其中寬帶Langmuir 探針( WLP) 的測(cè)量范圍為- 80 ～ + 20 V，不確定度為±2 V。

　　隨著中國(guó)的航天器安裝基于Langmuir 探針的空間電位探測(cè)器不斷增加，如何得知朗繆爾探針量的準(zhǔn)確性，因此如何準(zhǔn)確校準(zhǔn)探針是一個(gè)重要而急迫的任務(wù)。我們建立了一套低地球軌道等離子體環(huán)境模擬裝置。測(cè)量了空間電位、懸浮電位、電子密度、電子溫度、德拜長(zhǎng)度等的分布規(guī)律，掌握了等離子體空間物理場(chǎng)的變化，有助于對(duì)Langmuir 探針的校準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備

　　如圖1 所示，試驗(yàn)系統(tǒng)有真空控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、電子回旋共振( ECR，Electron Cyclotron Resonance)等離子體源系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)，Langmuir 探針系統(tǒng)、工控機(jī)系統(tǒng)等組成。下面對(duì)主要裝置詳細(xì)介紹。

圖1 空間等離子體測(cè)量裝置示意圖

　　環(huán)境模擬裝置: 空間等離子體環(huán)境模擬裝置的主體是一個(gè)臥式無(wú)油清潔真空室( 長(zhǎng)1. 5 m、直徑1m) ，極限真空度為5 × 10 ^{- 5} Pa，溫度控制范圍:- 60 ～ + 100℃。真空系統(tǒng)包括直聯(lián)式機(jī)械泵、分子泵、、高真空氣動(dòng)插板閥、復(fù)合真空計(jì)、不銹鋼真空管路與法蘭等真空獲得和真空測(cè)量?jī)x器。溫度系統(tǒng)包括低溫機(jī)組、熱沉、溫度巡檢儀、加熱模塊及變壓器。微波源裝置: 滿足保證空間等離子體的均勻，在環(huán)境模擬裝置腔體兩端各安裝一個(gè)微波ECR 等離子體源，并且呈軸對(duì)稱型安裝。使用的微波功率為50 ～ 500 W 連續(xù)可調(diào)， 2450MHz 程控微波功率源。將頻率為2. 45 GHz 的微波經(jīng)石英玻璃窗注入到等離子體諧振腔，在875 ×10 - 4 T 磁場(chǎng)的作用下，電子在磁場(chǎng)中的回旋頻率與微波頻率相同而發(fā)生回旋共振，吸收能量，使工作氣體電離而形成等離子體，產(chǎn)生的等離子體漂移擴(kuò)至整個(gè)真空室。

　　系統(tǒng)采用了由高性能微波環(huán)行器，銷釘調(diào)配器，帶反射波取樣的水負(fù)載以及外部連接波導(dǎo)組成的優(yōu)良微波傳輸系統(tǒng)。其中等離子體放電腔由優(yōu)質(zhì)不銹鋼焊接而成，帶雙層水冷結(jié)構(gòu)的大容積放電腔。氣體質(zhì)量流量控制裝置: 采用3 路氣體供給和控制系統(tǒng)。各路氣體流量量程分別為: 20，20，10mL /min。實(shí)驗(yàn)氣體可以使用Ar、N2、He 等。當(dāng)氣流量為10 mL /min 左右的時(shí)候，真空室壓力能維持在5 × 100 ～ 5 × 10 ^-3 Pa。

　　Langmuir 探針裝置: 使用Langmuir 探針作為測(cè)量?jī)x器，測(cè)量了等離子體的密度、電子溫度、空間電位、懸浮電位等參數(shù)。探針掃描電壓范圍: - 150 ～+ 150 V，探針電流范圍: 15 nA ～ 150 mA。使用了一維的電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，測(cè)量了不同位置處的等離子體參數(shù)。

　　工作基本過(guò)程是: 熱真空系統(tǒng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的真空度，利用微波ECR 等離子體源，產(chǎn)生穩(wěn)定、均勻的等離子體環(huán)境，等離子體密度范圍為106 ～ 108 /cm3，等離子體溫度為1 ～ 10 eV，利用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)把探針?biāo)偷筋A(yù)定探測(cè)位置。用幅度和頻率可調(diào)的鋸齒波電源給探針加上一個(gè)周期變化的電壓，利用數(shù)據(jù)采集模塊采集探針上的電壓和電流值，送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到探針的懸浮電位和等離子體的空間電位、電子溫度和密度的參數(shù)。

結(jié)論

　　在此空間等離子體模擬裝備上進(jìn)行了充分的試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總體分析，可以得知空間物理場(chǎng)的分布狀態(tài)，如空間電位、懸浮電位、電子溫度在300 到中心位置處500 mm，比較穩(wěn)定，有利于Langmuir探針的校準(zhǔn)。而從等離子體器壁鞘層處到器壁這一段距離，各個(gè)參數(shù)變化較大，不利于校準(zhǔn)。下一步需要在ECR 出口處進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，盡量使之產(chǎn)生均勻的大面積等離子體環(huán)境，模擬低軌道航天器空間等離子體環(huán)境。