等离子体微小空间碎片加速器初步实验结果

杨宣宗，冯春华，王龙

（中科院物理研究所）

韩建伟，黄建国，张振龙，李小银，陈赵峰，全荣辉

（中科院空间科学与应用中心）

孙远程，何平

（北京机电研究所）

内容

(1) 引言(2) 工作原理(3) 实验装置(4) 诊断测量(5) 初步实验结果(6) 结论与后续工作设想

（ 1）引言2004 年 4月 11 日公布的数据，地球上总共有 9494 个直径在 10厘米以上的碎片被列为监控目标，这数字以每年 200 个的速度在扩容。10厘米以下的空间碎片超过 4000 万，总重量达几百万公斤。

空间碎片实验室模拟方法

■ 空间碎片尺寸分为微米级，毫米级，厘米级，米级。不同尺寸的空间碎片对航天器所造成的危害方式、程度及对策、研究手段也各异。■毫米级以下的碎片构成微小空间碎片。■国内已建成毫米级碎片的二级轻气炮和微米级激光驱动微小碎片装置（片状）。

国内、外等离子体动力加速器

德国慕尼黑技术大学空间研究所 (LRT), 1970 日本东京技术大学材料工程实验室 (TIT), 1980 美国奥本大学空间研究所 (HYPER), 1999

■ 中国科学院空间科学与应用研究中心

空间碎片撞击模拟装置（ SPIF) ， 2004

(2) 工作原理

组成：脉冲功率源、等离子体加速器、漂移管道、靶室

电容器充电 - 氦气充入 - 开关导通 - 气体击穿 - 电流壳层加速 - 等离子体聚焦 - 等离子体压缩 - 颗粒喷射 -撞击样品

（ 3）实验装置

装置参数参数 设计值 实际值储能 100 kJ 160 kJ / 230 kJ

工作气体 He He / Ar

线圈电流 / 工作电压 100 kA / 20 kV 1 MA / 25 kV

等离子体速度 100 km/s

最大压强 1 GPa

颗粒直径 10 - 1000 μm 10 - 1000μm

最大颗粒速度 15 km/s 18 km/s

脉冲微粒数量 20 个 / 脉冲 19 个 / 脉冲

脉冲功率源

组成：

储能电容器组 电容换流准恒流充电系统 大容量场畸开关 电缆成形触发脉冲 平行板传输系统

电容器组、起动开关

32 台 MCF-16μF/30kV/50nH 脉冲电容器分成八组， 4 个电容器与 1 个场畸变开关组成一个放电单元。

同步触发脉冲系统 触发单元

电缆脉冲成形 HV = + 40 kV

VAB = - 80 kV/200 ns

20 米 SYV-75-12 电缆

平行板传输

每四台电容器采用传输板连接，其电感为 8.6nH 八个放电单元采用集电板连接，其电感 22.6nH 放电回路电感构成：电容器（ 50 nH / 32 ） + 传输板（ 8.6 nH / 8 ） +

开关（ 220 nH / 8 ） + 集电板（ 22.6 nH/ 2 ） + 同轴枪（ 53 nH ） +

压缩线圈（ 150 nH ） = 244.5 nH

等离子体加速器

组成：

同轴枪 脉冲电磁充气阀 压缩线圈 喷嘴

等离子体同轴枪参数 电极参数 内电极外径 14 mm 外电极内径 40 mm 外电极外径 52 mm 电极长 250mm / 150mm

电极材料 内电极：铜镀钨 / 弥散铜 外电极：不锈钢镶嵌铜钨合金 绝缘： 尼龙 / 陶瓷

等离子体同轴枪结构

脉冲电磁充气阀工作原理 电磁阀线圈放电参数

储能电容： 2 台150μF/3kV

开关： 可控硅 ( 3kV/ 2kA )

线圈电流：10kA （ 1.8kV )

电流半周期： 130μs

脉冲电磁充气阀性能

充气特性：上升时间 < 50μs 、延迟时间 500μs 、持续时间 900 μs

压缩线圈工作原理 自供电压缩线圈不同放电阶段电流流向

加速段

聚焦段

压缩线圈结构 螺旋型

圆锥型

压缩线圈进口直径 55 mm 、出口直径 10 mm 、压缩线圈匝 10 、压缩线圈长 11cm

喷嘴

材料：铜钨合金 / 石墨 直径： 10 mm 试验颗粒固定在 Mylar膜上， Mylar膜与等离子体喷嘴紧密接触以获的最大动量传递

漂移管道、靶室 漂移管道必须有足够长度以减少放电开始阶段的电磁干扰和等离子体发光等影响，开始为 3.5m ，后增长至 5.5m 。

漂移管道入射端与出射端均装有 φ=3cm 准直孔，以进一步减少各种干扰。

在漂移管道末端安装两台激光器散射测量设备。 靶室的样品台上可放置被测样品，也可安放高灵敏度压电探测器以直接测量颗粒速度。

（ 4 ）诊断测量 放电电磁测量 ○ 罗柯夫斯基线圈测量放电总电流和放电同步监测 ○ 电阻分压器测量中心电极电压 ○ 磁探针测量等离子体鞘移动速度

颗粒速度测量 ○ 压电传感器测量颗粒速度（拦截式） ○ 光电倍增管测量颗粒速度（非拦截式） ♂测量颗粒激光散射信号 ♂测量颗粒自发光信号

放电电流、电压测量

电压信号 (25μs/div) 电流信号

典型放电参数 放电条件 ： 15kV / 126μF （ 2 组放电单元） 由于罗柯夫斯基线圈没有标定，采用波形的周期和衰减对数计算放电参数

脉冲电流： 300kA 放电周期： 34μs

对数衰减率： 0.365 阻尼衰减系数： 21470

回路电感： 226nH 回路电阻： 9.7mΩ

电流上升率： 66kA/μs

■ 最大放电电流达 1MA （ 25kV / 512μF ）

放电同步监测

充电电压

15kV

磁探圈测量鞘速度

颗粒速度测量设备

压电传感器测速

压电传感器上的瞬间冲击力与撞击颗粒的动量、动能、撞击截面等因素有关，对于小尺寸、高速粒子探测似乎存在灵敏度极限，对 15km/s 以上细小微粒难以响应。

激光测速

非拦截式探测手段，可探测散射信号，也可探测自发光粒子信号，可以到探测小尺寸、高速（ 18km/s ）微粒信号。

测速结果

陶瓷颗粒

直径 100μm

四组电容器组

20kV

（ 5 ）初步实验结果 目前实验内容：微粒速度、撞击效应 ■ 影响颗粒速度因素： ♂电流鞘层动力学行为：放电参数、电极尺寸、工作

气体 ♂压力传递系数：喷嘴形状、 Mylar膜位置 ♂颗粒性能：颗粒材料、颗粒尺寸■ 撞击效应：撞击形貌分析、累积撞击效应模拟

电流鞘层动力学行为 简单雪耙模型（不考虑层间相互作用、正弦电流波形）：

其中（ z, r ）为电流鞘层的轴向和径向位置， I0 : 电流峰

值， ρ0 :充气密度， ω:电流圆频率。 充电电压、充气量、电极长度对等离子体电流鞘层移动速度都有直接影响。

期望在放电电流最大值附近等离子体鞘层移动到内电极顶端，以得到最大轴向速度。

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1[

16 22

002

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Iz

电流鞘层移动

等离子体焦点装置 内电极外径为 52mm， 外电极内径为 90mm， 内电极长度 25cm。 干燥空气的充气压

为 46.2Pa， 电

流峰值为 600kA， 放电周期T为 12μs。

聚焦时刻～T/4

颗粒样品

样品材料不同，尺寸不同，其颗粒密度、硬度、比热等性能差别较大，因此加速效果会有明显不同。

到达靶室的颗粒速度不是单一的，而是有一分布。 等离子体与颗粒相互作用后，颗粒会 烧蚀、破裂。 固定在 Mylar 上的颗粒很多，加上的颗粒破裂，因此有众多

微粒到达靶室，也有相当数目的微粒与漂移管道壁相碰。

脉冲微粒数量监测

在管道内放置一个圆形铝膜或Mylar膜，使其对飞行微粒全部拦截，放电后膜上的穿孔数即为脉冲微粒数（左： Mylar膜， 6孔；右：铝膜， 19孔）。

脉冲微粒数量分布

10次放电测试

的统计结果

平均每次有约 10 颗微粒到达

靶室

颗粒熔蚀、破裂

采用显微镜技术

对原始玻璃颗粒

（标称200μm）

和有机膜上的穿

孔尺寸测量结果

颗粒速度 vs. 放电时间 实验条件 17.5kV， 4 组电容， 1.7kV 阀门电压 200μm玻璃 放电延迟选择 在 450μs - 750μs

范围内

陶瓷颗粒加速结果

陶瓷微粒的测速统计结果

颗粒速度 vs. 电容器储能

E<50KJ范围内 颗粒速度与储能 有线性增长趋势 50kJ<E<70kJ范

围内颗粒速度

增长明显变慢

累积撞击效应模拟（ 1 ）

200 μm玻璃微粒对铝靶形成的累积撞击效果

累积撞击效应模拟（ 2 ）

在五院总体部研制气凝胶碎片收集器上的 20 次撞击试验

撞击形貌分析（ 1 ）

撞击形貌分析（ 2 ）

结论与后续工作设想 空间碎片撞击模拟装置（ SPIF ）已经在各种储能条件下开展了 2千多次放电，测试了不同材料和尺寸的颗粒加速实验。目前已测量到最高颗粒速度为 18km/s （ 100μm陶瓷微粒， 4 组电容器组，充电电压 22.5kV ）。目前正在开展颗粒对太阳能电池板撞击效应研究。

放电装置设计优化研究（喷嘴材料及尺寸、电极与压缩线圈尺寸、电流鞘层动力学行为）。

放电参数和颗粒优化研究（储能、充气、颗粒材料及尺寸）。 微粒速度筛选控制研究。

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