摘要：微米級空間碎片數(shù)量巨大，與航天器的碰撞概率很高，其累積效應(yīng)會影響航天器的性能。國外已 發(fā)展了粉塵靜電加速設(shè)備用于模擬微米級空間碎片的撞擊效應(yīng)。文章對粉塵靜電模擬加速設(shè)備的原理和發(fā)展 現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并對該種設(shè)備的優(yōu)缺點進(jìn)行了分析討論。
關(guān)鍵詞：微米級空間碎片；地面模擬；加速設(shè)備；粉塵靜電加速器
中圖分類號：V416.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-1379 (2007) 03-0145~03
1引言
微米級空間碎片主要包含剝落碎片、濺射物、 AI203粉塵、微流星體等。微米級碎片與航天器的 碰撞概率很髙，雖然每一次碰撞不一定造成航天 器損壞，但它們的累積效應(yīng)仍然會影響航天器的 性能[M]。其影響主要表現(xiàn)在：改變航天器表面的 性能，降低成像質(zhì)量；改變輻射、吸收特性；在 航天器表面造成撞擊坑，損壞航天器表面材料， 對表面器件造成損傷。另外，撞擊產(chǎn)生的等離子 體云會產(chǎn)生放電、短路、供電失常等效應(yīng)，造成 航天器故障。
超高速撞擊地面模擬實驗是研究微米級空間 碎片撞擊效應(yīng)最直接、最有效的手段。國外針對 微米級碎片地面模擬實驗已開展了幾十年的研 究，其加速方法和測試手段已經(jīng)相對成熟；而國 內(nèi)針對微米級碎片的研究尚處于初始階段。
針對微米級空間碎片超高速撞擊地面模擬實 驗，目前國內(nèi)外主要使用粉塵靜電加速[5_13】、激 光驅(qū)動加速、等離子體加速及電炮加速等幾類加 速設(shè)備。其中，粉塵靜電加速方法在模擬微米級 空間碎片尤其是在加速數(shù)量龐大的粉塵級碎片上 有明顯的優(yōu)勢。
2粉塵靜電加速原理
1960年，Shelton[5]提出使用靜電加速方法
對粉塵粒子進(jìn)行加速，通過對用于核物理研究的 離子源改造設(shè)計了第一個粉塵源。1978年德國 Max-Plank研究所設(shè)計研制了第一臺粉塵靜電加 速器。目前國際上己利用靜電加速裝置開展了大 量的粉塵實驗，根據(jù)需求也研制了一些新的設(shè)備。 其中，如何使粉塵源中粒子帶電是成功加速微米 級粒子的關(guān)鍵技術(shù)。
粉塵加速裝置包括粉塵粒子源、加速通道、 含有粒子挑選器的偏離管以及實驗靶室4部分。 圖1為德國Max-Plank研究所的粉塵加速裝置示 意圖[6]。
圖1德國Max-Plank研究所的粉塵加速裝置示意圖 Fig. 1 The schematic diagram of dust accelerator at Max-Planck-Institut fur Kemphysik in Germany
粉塵粒子源由鈦粉制成，包含粒子貯藏箱和 貯藏箱內(nèi)作為充電電極的鎢針、釋放板和準(zhǔn)直管。 將粉塵裝填進(jìn)jt藏箱內(nèi)，通過箱內(nèi)的鎢針電極進(jìn) 行充電。鑄針電極與約20 kV的恒壓源連接，貯 藏箱與幅度為10 kV的脈沖電壓連接。在庫侖斥
力作用下帶電粒子開始旋轉(zhuǎn)，擊打鎢針的尖端部 分，通過接地的釋放板從貯藏箱內(nèi)拖拉出去。帶 電粒子通過準(zhǔn)直管后進(jìn)入裝置的加速單元。粒子 源內(nèi)部要達(dá)到104Pa的真空度，避免高電場強度 產(chǎn)生的電火花。粉塵源的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。
圖2粉塵粒子源的結(jié)構(gòu)原理圖
加速通道對粒子源釋放的帶電粉塵粒子進(jìn)行 加速。使用Van de Graaff加速裝置可以提供2MV 的加速電壓。2MV的電勢能差轉(zhuǎn)化為粒子動能， 通過能量守恒可以計算帶電粒子的最終速度 v =」2qUJm ,粒子速度主要與其荷質(zhì)比和加 速電壓有關(guān)。通過連接的電荷敏感放大器可以測 量粒子的速度和電荷，進(jìn)而根據(jù)能量守恒可以計 算出粒子的質(zhì)量和半徑。
粒子挑選器根據(jù)可調(diào)約束條件挑選符合條件 的粒子,不符合條件的粒子被電容器板偏置出去。 具體有3種操作模式：（1)單一模式：設(shè)置了速度 和質(zhì)量范圍，每挑選一個粒子即停止；(2)自動模 式：設(shè)置了速度范圍；（3)連續(xù)模式：所有粒子都 可以通過。
實驗靶室內(nèi)要絕對清潔，以免其他化學(xué)成分 影響彈丸和靶的材料分析結(jié)果。靶室真空度一般 為 10、。
