摘要：微米级空间碎片数量巨大，与航天器的碰撞概率很高，其累积效应会影响航天器的性能。国外已 发展了粉尘静电加速设备用于模拟微米级空间碎片的撞击效应。文章对粉尘静电模拟加速设备的原理和发展 现状进行了介绍，并对该种设备的优缺点进行了分析讨论。

 

关键词：微米级空间碎片；地面模拟；加速设备；粉尘静电加速器

 

中图分类号：V416.8 文献标识码：A 文章编号：1673-1379 (2007) 03-0145~03

1引言

 

微米级空间碎片主要包含剥落碎片、溅射物、 AI203粉尘、微流星体等。微米级碎片与航天器的 碰撞概率很髙，虽然每一次碰撞不一定造成航天 器损坏，但它们的累积效应仍然会影响航天器的 性能[M]。其影响主要表现在：改变航天器表面的 性能，降低成像质量；改变辐射、吸收特性；在 航天器表面造成撞击坑，损坏航天器表面材料， 对表面器件造成损伤。另外，撞击产生的等离子 体云会产生放电、短路、供电失常等效应，造成 航天器故障。

 

超高速撞击地面模拟实验是研究微米级空间 碎片撞击效应最直接、最有效的手段。国外针对 微米级碎片地面模拟实验已开展了几十年的研 究，其加速方法和测试手段已经相对成熟；而国 内针对微米级碎片的研究尚处于初始阶段。

 

针对微米级空间碎片超高速撞击地面模拟实 验，目前国内外主要使用粉尘静电加速[5_13】、激 光驱动加速、等离子体加速及电炮加速等几类加 速设备。其中，粉尘静电加速方法在模拟微米级 空间碎片尤其是在加速数量庞大的粉尘级碎片上 有明显的优势。

 

2粉尘静电加速原理

 

1960年，Shelton[5]提出使用静电加速方法

对粉尘粒子进行加速，通过对用于核物理研究的 离子源改造设计了第一个粉尘源。1978年德国 Max-Plank研究所设计研制了第一台粉尘静电加 速器。目前国际上己利用静电加速装置开展了大 量的粉尘实验，根据需求也研制了一些新的设备。 其中，如何使粉尘源中粒子带电是成功加速微米 级粒子的关键技术。

 

粉尘加速装置包括粉尘粒子源、加速通道、 含有粒子挑选器的偏离管以及实验靶室4部分。 图1为德国Max-Plank研究所的粉尘加速装置示 意图[6]。

图1德国Max-Plank研究所的粉尘加速装置示意图 Fig. 1 The schematic diagram of dust accelerator at Max-Planck-Institut fur Kemphysik in Germany

 

粉尘粒子源由钛粉制成，包含粒子贮藏箱和 贮藏箱内作为充电电极的钨针、释放板和准直管。 将粉尘装填进jt藏箱内，通过箱内的钨针电极进 行充电。铸针电极与约20 kV的恒压源连接，贮 藏箱与幅度为10 kV的脉冲电压连接。在库仑斥

 

力作用下带电粒子开始旋转，击打钨针的尖端部 分，通过接地的释放板从贮藏箱内拖拉出去。带 电粒子通过准直管后进入装置的加速单元。粒子 源内部要达到104Pa的真空度，避免高电场强度 产生的电火花。粉尘源的结构原理如图2所示。

图2粉尘粒子源的结构原理图

 

 

加速通道对粒子源释放的带电粉尘粒子进行 加速。使用Van de Graaff加速装置可以提供2MV 的加速电压。2MV的电势能差转化为粒子动能， 通过能量守恒可以计算带电粒子的最终速度 v =」2qUJm ,粒子速度主要与其荷质比和加 速电压有关。通过连接的电荷敏感放大器可以测 量粒子的速度和电荷，进而根据能量守恒可以计 算出粒子的质量和半径。

 

粒子挑选器根据可调约束条件挑选符合条件 的粒子,不符合条件的粒子被电容器板偏置出去。 具体有3种操作模式：（1)单一模式：设置了速度 和质量范围，每挑选一个粒子即停止；(2)自动模 式：设置了速度范围；（3)连续模式：所有粒子都 可以通过。

 

实验靶室内要绝对清洁，以免其他化学成分 影响弹丸和靶的材料分析结果。靶室真空度一般 为 10、。