等离子体微小空间碎片加速器初步实验结果

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1、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）内容引言工作原理实验装置诊断测量初步实验结果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

2、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

3、-撞击样品（3）实验装置装置参数参数设计值实际值储能100kJ160kJ/230kJ工作气体HeHe/Ar线圈电流/工作电压100kA/20kV1MA/25kV等离子体速度100km/s最大压强1GPa颗粒直径10-1000μm10-1000μm最大颗粒速度15km/s18km/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

4、冲系统触发单元电缆脉冲成形HV=+40kVVAB=-80kV/200ns20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（50nH/32）+传输板（8.6nH/8）+开关（220nH/8）+集电板（22.6nH/2）+同轴枪（53nH）+压缩线圈（150nH）=244.5nH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14mm外电极内径40mm外电极外径52mm电极长250mm/150mm电极

5、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900μs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55mm、出口直径10mm、压缩线圈匝10、压缩线圈长11cm喷嘴材料：铜钨合金/石墨直径：10mm试验颗粒固定在M

6、ylar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）

7、○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

8、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