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  • 粉塵靜電加速設備原理及發展現狀

  • 內容出處:http://www.monsantofacts.com時間2013-11-07 07:30作者admin瀏覽次數
 
 
 
摘要:微米級空間碎片數量巨大,與航天器的碰撞概率很高,其累積效應會影響航天器的性能。國外已 發展了粉塵靜電加速設備用于模擬微米級空間碎片的撞擊效應。文章對粉塵靜電模擬加速設備的原理和發展 現狀進行了介紹,并對該種設備的優缺點進行了分析討論。
 
關鍵詞:微米級空間碎片;地面模擬;加速設備;粉塵靜電加速器
 
中圖分類號:V416.8 文獻標識碼: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,但它們的累積效應仍然會影響航天器的 性能[M]。其影響主要表現在:改變航天器表面的 性能,降低成像質量;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,撞擊產生的等離子 體云會產生放電、短路、供電失常等效應,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相對成熟;而國 內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,目前國內外主要使用粉塵靜電加速[5_13】、激 光驅動加速、等離子體加速及電炮加速等幾類加 速設備。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量龐大的粉塵級碎片上 有明顯的優勢。
 
2粉塵靜電加速原理
 
1960年,Shelton[5]提出使用靜電加速方法
對粉塵粒子進行加速,通過對用于核物理研究的 離子源改造設計了第一個粉塵源。1978年德國 Max-Plank研究所設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,根據需求也研制了一些新的設備。 其中,如何使粉塵源中粒子帶電是成功加速微米 級粒子的關鍵技術。
 
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 貯藏箱內作為充電電極的鎢針、釋放板和準直管。 將粉塵裝填進jt藏箱內,通過箱內的鎢針電極進 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,擊打鎢針的尖端部 分,通過接地的釋放板從貯藏箱內拖拉出去。帶 電粒子通過準直管后進入裝置的加速單元。粒子 源內部要達到104Pa的真空度,避免高電場強度 產生的電火花。粉塵源的結構原理如圖2所示。
圖2粉塵粒子源的結構原理圖
 
 
加速通道對粒子源釋放的帶電粉塵粒子進行 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比和加 速電壓有關。通過連接的電荷敏感放大器可以測 量粒子的速度和電荷,進而根據能量守恒可以計 算出粒子的質量和半徑。
 
粒子挑選器根據可調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:設置了速度 和質量范圍,每挑選一個粒子即停止;(2)自動模 式:設置了速度范圍;(3)連續模式:所有粒子都 可以通過。
 
實驗靶室內要絕對清潔,以免其他化學成分 影響彈丸和靶的材料分析結果。靶室真空度一般 為 10、。
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