等離子體驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)微小碎片加速器是用于模擬空間毫米級(jí)以下碎片撞擊效應(yīng)的地面實(shí)驗(yàn)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(fā)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(jìn)行改進(jìn)，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(shí)間相對(duì)集中，成功實(shí)現(xiàn)微粒的篩選。

關(guān)鍵詞：等離子體加速器 微小碎片 速度篩選

中圖分類號(hào)：V4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）07（a）-0009-02

長(zhǎng)期以來，由于對(duì)航天器構(gòu)成嚴(yán)重威脅，空間碎片一直是航天活動(dòng)所關(guān)注和研究的對(duì)象，對(duì)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(dá)10 km/s[1-3]，由于其數(shù)量巨大，頻繁地撞擊衛(wèi)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(xué)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(yán)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(yīng)方面，等離子體驅(qū)動(dòng)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(guó)際上曾經(jīng)用于微小空間碎片撞擊研究的等離子體加速器有3臺(tái)[7]，分別是由德國(guó)慕尼黑技術(shù)大學(xué)空間研究所、日本東京技術(shù)研究所和美國(guó)奧本大學(xué)空間研究所。等離子體驅(qū)動(dòng)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(fā)射，每次加速的微粒不是單個(gè)發(fā)射，得到的是一個(gè)速度范圍內(nèi)的一群微粒。在做一些地面模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要的是某些特定速度范圍的微粒，因此需要對(duì)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(fā)射的微粒有些是速度小于1 km/s的，就需要對(duì)小于該速度的微粒進(jìn)行過濾。針對(duì)此需要，筆者設(shè)計(jì)了進(jìn)行速度篩選的裝置（簡(jiǎn)稱快門），并對(duì)此裝置的可靠性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

1 設(shè)計(jì)原理

等離子體驅(qū)動(dòng)微小碎片加速器是通過高壓電容器對(duì)同軸槍放電形成等離子體，在強(qiáng)大磁壓力下將等離子體高速驅(qū)動(dòng)，并通過一個(gè)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(qū)動(dòng)微小碎片加速器上運(yùn)用快門工作時(shí)，先發(fā)出啟動(dòng)快門轉(zhuǎn)動(dòng)的信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過一定的時(shí)間延遲t延遲后觸發(fā)充氣閥門充氣，經(jīng)過時(shí)間τ工作氣體放電，粒子被加速。快門啟動(dòng)后，孔欄便以均勻角速度ω從初始位置（虛線）沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同時(shí)啟動(dòng)脈沖信號(hào)經(jīng)過一定的延遲后去觸發(fā)碎片加速器，當(dāng)旋轉(zhuǎn)至正中位置時(shí)，如果加速器發(fā)射的微粒正好到達(dá)該位置，則微?？梢酝ㄟ^。滿足如下條件時(shí)準(zhǔn)許粒子通過：

式中：孔欄中軸線轉(zhuǎn)過的角度（60°）；為孔欄轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度；v為粒子飛行速度；l為管道長(zhǎng)度（5.3 m）；t延遲為閥門的觸發(fā)延遲時(shí)間；τ為加速器觸發(fā)信號(hào)（充氣脈沖）與放電觸發(fā)信號(hào)的時(shí)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(jù)公式（1）、（2），設(shè)定合適的角速度ω和觸發(fā)延遲時(shí)間t延遲，即可使特定速度范圍的粒子通過。通過粒子的時(shí)間跨度為，但是由于實(shí)際情況下，有些粒子在通過快門時(shí)，可能由于撞擊到快門而產(chǎn)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(gè)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(hào)在速度大小和時(shí)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(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 低通性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(chǎn)生一定速度范圍的粒子，設(shè)定快門參數(shù)，使其最低放行速度v最小處于該速度范圍內(nèi)，驗(yàn)證其對(duì)低速粒子的攔截情況是否與預(yù)期設(shè)想一致。速度信號(hào)由壓電傳感器及示波器來采集。有兩種等測(cè)量微粒速度的方法，分別是壓電測(cè)試方法和激光測(cè)試方法[10]，由于激光測(cè)速干擾因素較多，通常用的是壓電測(cè)速，壓電測(cè)速的原理是“飛行時(shí)間法”，即通過測(cè)量微粒飛過一段距離所用的時(shí)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(shí)刻和到達(dá)靶材的終止時(shí)刻，即可得到粒子飛行的速度（見表1）。

測(cè)試結(jié)果如表2所示，給出了第2次放電快門未開時(shí)的粒子速度信號(hào)和第1、第3次放電并且快門工作時(shí)的粒子速度測(cè)試結(jié)果。

從表2中可以看到，不加快門時(shí)粒子的速度為0.09～2 km/s，時(shí)間跨度約60 ms，加上快門時(shí)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(shí)間范圍相對(duì)集中了。

2.2 帶通性能測(cè)試

設(shè)定快門參數(shù)，使其最低放行速度vmin及最高放行速度vmax均處于加速器產(chǎn)生的粒子速度范圍內(nèi)，驗(yàn)證其對(duì)低速粒子和高速粒子的攔截情況是否與預(yù)期設(shè)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(shí)的速度信號(hào)和第4、第5、第6、第8及第9次放電加上快門時(shí)的粒子速度測(cè)試結(jié)果。

帶通性能測(cè)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(shí)間跨度被有效地縮短（見表4）。

3 結(jié)語

該文通過對(duì)速度選擇器的工作性能測(cè)試得出了以下主要結(jié)論：通過快門工作前后微粒速度信號(hào)對(duì)比可知，快門對(duì)粒子的選擇性放行是顯然的。通過對(duì)低通、帶通兩種條件下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明最低放行速度min和最高攔截速度max實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值存在一定偏差，例如，通常min比設(shè)計(jì)值低約0.5 km/s，測(cè)到的最大偏差約1 km/s；max實(shí)測(cè)值比設(shè)計(jì)值高約0.6 km/s。速度窗口的偏差并不影響快門的實(shí)際使用，可以摸索偏差規(guī)律，通過延遲時(shí)間的調(diào)整來補(bǔ)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(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足使用需要。

參考文獻(xiàn)

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