一種月塵顆粒電荷質(zhì)量比原位監(jiān)測方法

馮 杰，王先榮，王 鹢，柏 樹，姚日劍，莊建宏，郭 興

（蘭州物理研究所，真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

月塵（Lunar Dust或Lunar Fines）：顆粒直徑小于1 mm的部分；月塵是月壤樣品的主要組成部分，一般占樣品總質(zhì)量的90%以上。月球表面塵埃的形成包括自然的積累（如流星體引起的噴射），靜電懸浮，航天員的活動和火箭的發(fā)射、著陸等[1]。細(xì)小的月塵有較高絕緣性，在月球的真空、高低溫、強(qiáng)輻射環(huán)境和各種接觸、摩擦等的作用下，很容易帶上電荷，由于月表干燥度極高，使得月塵顆?？梢栽谙喈?dāng)長的時(shí)間內(nèi)保持帶電。帶電月塵有很強(qiáng)的粘附性，在靜電力作用下，粘著和堆積到各種能夠接觸到的裝置上。阿波羅任務(wù)的報(bào)告中涉及到大量與月塵顆粒相關(guān)的負(fù)面效應(yīng)，其中包括返回的航天員太空服表面材料的磨損；阻塞倉外活動部件的閉鎖裝置和儀器蓋；隔離表面的熱傳遞；粘附于功能表面引起光學(xué)性能、太陽吸收率和紅外發(fā)射率的降低；影響光電陣列和散熱器表面的工作[2]，這給登月計(jì)劃的順利完成帶來困難。因此研究月塵的帶電性質(zhì)具有十分重要的工程價(jià)值。

2 月塵堆積原因

有多種原因?qū)е禄覊m的粘著，但是分析表明在月球上主要的灰塵粘附因素是靜電吸附。有4種力能導(dǎo)致塵埃的粘著，即：范德瓦爾斯力，毛細(xì)作用力，機(jī)械咬合力和靜電場力。范德瓦爾斯力是這幾種力中最強(qiáng)的力，但是，它和距離成正比，意思就是說它只會對非常小的（小于1 μm）顆粒在極端接近表面的距離（小于10-10m）才是非常顯著的。如果顆粒具有任何可以觀察到的尺寸（大于1 μm）顆粒將不會表現(xiàn)出這個(gè)力，它們將會堆積在粗糙的表面。毛細(xì)作用力的產(chǎn)生是由于顆粒和表面之間存在著濕氣，在月球（或者火星）表面幾乎找不到潮濕的顆粒，所以這種力是不可能提供的。機(jī)械作用力時(shí)由于塑料變形或者鋸齒顆粒鑲?cè)氩牧媳砻?，月塵顆粒是非常堅(jiān)固的并且月塵顆粒是不可能發(fā)生塑料形變的，所以機(jī)械作用力也不是月塵堆積的粘著力。

綜上分析，月球塵埃顆粒僅存的能夠形成粘著力的力就是靜電場力，靜電場力在任何帶電顆粒上的形式表現(xiàn)為：F=QE在任何不帶電的顆粒上可以表示為微分電場力，其中為電場的綜合變化強(qiáng)度，為感應(yīng)電偶極距。

對于球形顆粒電偶極距可以表示為

式中 εm為介質(zhì)的介電常數(shù)；a為顆粒半徑；fCM為Clausius-Mossotti因子

式中 ε*p和 εm*為顆粒和介質(zhì)各自的綜合介電常數(shù)。靜電力作用在顆粒上表現(xiàn)在3個(gè)階段：近距離，遠(yuǎn)距離和中間，這是適合于月球、火星甚至地球上的帶電顆粒的規(guī)律。因?yàn)樵卤砀稍锏沫h(huán)境，帶電的塵埃顆粒會被激發(fā)，此種特性導(dǎo)致它們具有粘著特性。

在月球上有多種方式可使塵埃帶電，比如熱電子和來自太陽風(fēng)的質(zhì)子等原因的離子帶電，太陽在外輻射和軟X射線的光電效應(yīng)，附著在顆粒外殼上的光電子形成的光電子帶電，地球磁尾和來自銀河射線撞擊月表顆粒的高能電子的捕獲。在探月中涉及最重要的帶電機(jī)制是摩擦起電或者帶電材料導(dǎo)致的間接帶電，而機(jī)械運(yùn)動的行為是足夠讓塵埃帶電而不管材料之間是否接觸。

因此解決月球表面的塵埃帶電的主要問題是：1）在塵埃表面能累積多少電荷；2）電荷在塵埃表面能夠持續(xù)多久；3）這些塵埃能否用傳統(tǒng)和非傳統(tǒng)的方式移除。

這些帶電顆粒性質(zhì)問題可以分為：體電阻率、電荷衰退、荷質(zhì)比或帶電能力、介電性能。其中荷質(zhì)比是這些量中最容易原位監(jiān)測的因素，也是最可行的。

因此，作者提出一種可以原位監(jiān)測帶電月塵顆粒電荷和質(zhì)量比的裝置設(shè)計(jì)，并提出地面模擬實(shí)驗(yàn)方案。

3 設(shè)計(jì)原理

整個(gè)測試系統(tǒng)用來測試帶電顆粒的荷質(zhì)比，由電荷監(jiān)測和質(zhì)量監(jiān)測兩部分組成。電荷監(jiān)測單元是基于法拉第電磁感應(yīng)，對于無限長中空圓柱體軸向通過恒定均勻自由電流，在圓柱體表面形成的感應(yīng)電流強(qiáng)度為

式中 μ為中空圓柱體材料磁導(dǎo)率；μ0為真空磁導(dǎo)率常數(shù)；r1為圓柱體內(nèi)半徑；r2為中空圓柱體外半徑；jf為軸向通過中空圓柱體電流密度。

當(dāng)帶電顆粒穿過固定長度中空圓柱體電容器中心軸時(shí)，由于電磁感應(yīng)效應(yīng)，等量的反相感應(yīng)電荷將會在圓柱體表面上產(chǎn)生，通過測量圓柱體上感應(yīng)電勢V和已知圓柱體的電容C，便能計(jì)算出通過圓柱體中心的帶電粒子的電荷量Q=CV。

質(zhì)量監(jiān)測單元中，當(dāng)月塵顆粒在石英晶體微量天平（QCM）電極上沉積（質(zhì)量增加）時(shí)，石英晶體的振蕩頻率會降低[3]。這種情況符合Sauerbrey公式

式中 f為石英晶片的諧振頻率；ρ為石英晶體的密度；ν為垂直于晶體表面的剪切波速；A為晶片面積。

通過對頻率變化△f的監(jiān)測即可獲得晶片上沉積的月塵顆粒質(zhì)量△m。沿中空圓柱體的軸向通過的帶電月塵顆粒沉積在QCM探測器上的質(zhì)量為m，則帶電月塵顆粒的荷質(zhì)比為。探測器設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 帶電月塵荷質(zhì)比測試原理

由黃銅制成的圓筒形電容器其內(nèi)徑0.1595 cm、外徑0.1875 cm、長度為1 cm。電容器被另外一個(gè)內(nèi)徑為0.347 cm的圓形黃銅支架包裹，支架與電容器之間填充不導(dǎo)電的聚四氟乙烯，保證電容器不被外界干擾。在電容器上方有3個(gè)圓盤形柵板，柵板中心是直徑為0.033 cm的柵孔，柵孔的圓心在圓筒形電容器的中心上，所以帶電粒子只有通過3個(gè)柵板才能進(jìn)入電容器，從而保證通過柵板的帶電粒子通過電容器的中心。電容器正下方是QCM探頭，QCM探頭晶片直徑為1.270 cm，電極直徑為0.635 cm。整個(gè)探測器按照圖1所示的位置關(guān)系被封裝在密封金屬盒中。

圓筒電容器的電容是4.5 pF，這個(gè)電容與外部一個(gè)固定的3.0 pF的電容相連形成一個(gè)分壓器，感應(yīng)電壓就會通過一個(gè)50倍的信號放大器放大，感應(yīng)電壓的信號放大電路是由MECA靜電子計(jì)組成。圖2所示為電荷測試基本電路。

圖2 帶電粒子的電荷測試電路

放大器是用2個(gè)相同的光電倍增管構(gòu)成，放大器的放大率是由2個(gè)外部電阻的比值和分壓器決定。測試結(jié)果波峰值即為感應(yīng)電動勢，則通過Q=CV可以計(jì)算出感應(yīng)電荷的量，電容器上的感應(yīng)電荷量與粒子所帶電荷大小相等。該裝置精確率可以測到單電荷的電荷量。

QCM的基準(zhǔn)頻率為15 MHz，在電極上涂覆了使QCM頻率變化在QCM本征頻率2%之內(nèi)的真空脂薄的膜，QCM反應(yīng)靈敏度為2.325×10-9g/cm2·Hz[4]。這與15M石英晶片的理論值在理論上的測量靈敏度可以達(dá)到的 1.96×10-9g/cm2·Hz在同一個(gè)數(shù)量級。

整個(gè)傳感器與信號采集電路組裝在一起就可以形成一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單的帶電月塵顆粒荷質(zhì)比探測器，信號采集電路所用器件和探測器組裝盒可以根據(jù)航天器需要選擇和設(shè)計(jì)。

4 地面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

從阿波羅帶回的月壤樣品分析表明，它由SiO2、Al2O3、CaO、FeO、MgO、TiO2等成分組成，主要成分SiO2占44.72%,Al2O3占14.86%，月塵顆粒的密度為3 g/cm3[2]。在實(shí)驗(yàn)中我們將使用由中國科學(xué)院貴陽地球化學(xué)研究所與國家天文臺合作研制的低鈦玄武質(zhì)模擬月壤（CLRS-1）標(biāo)準(zhǔn)樣品[5]，該樣品與Apollo14號采集回來的月球樣品具有相似的化學(xué)成分、礦物組成和物理性質(zhì)。

將模擬月壤樣品通過50 μm孔徑篩網(wǎng)篩選出顆粒直徑小于50 μm的樣品作為實(shí)驗(yàn)用的模擬月塵。實(shí)驗(yàn)時(shí)將模擬月塵顆粒裝入揚(yáng)塵裝置，模擬月球車車輪的方式將模擬月塵揚(yáng)出，轉(zhuǎn)軸上具有容易帶電的金屬顆粒，會由于摩擦使得月塵顆粒帶電，整個(gè)系統(tǒng)置于真空室中。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖3所示。

圖3 地面模擬標(biāo)定實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖

經(jīng)過在地面模擬月球真空環(huán)境對帶電塵埃顆粒的測量進(jìn)行技術(shù)定標(biāo)，對探測器的穩(wěn)定性進(jìn)行環(huán)境實(shí)驗(yàn)。

5 結(jié)論

月球上主要的灰塵粘著因素是靜電吸附。通過作者提出的方法，可以將月表帶電的月塵顆粒電荷質(zhì)量比測量出來，為分析月表的月塵顆粒的帶電性質(zhì)提供依據(jù)。作者提到的傳感器有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，主要有圓形柵板、中空圓柱電容器、QCM三部分組成；

（2）尺寸很小，結(jié)合信號采集電路和組裝盒，探測器可以設(shè)計(jì)的很小；

（3）圓形電容器和QCM都是反應(yīng)相當(dāng)靈敏的傳感器，則整個(gè)探測器的靈敏度也會相當(dāng)高，電容器單元可以檢測到單個(gè)電荷的電量，QCM靈敏度可達(dá)2.325×10-9g/cm2·Hz。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，該探測器可以裝在月球探測器上使用，結(jié)合其他探測器分析月塵的性質(zhì)，這為將來月球登陸器和航天員艙外行走時(shí)月塵防護(hù)設(shè)計(jì)，以及對月球登陸器表面月塵的清理方案設(shè)計(jì)提供重要的參考數(shù)據(jù)。

[1]莊建宏，王先榮，馮杰.月塵對太陽電池的遮擋效應(yīng)研究[J]，航天器環(huán)境工程，2010，27（4）:409～411.

[2]姚日劍，王先榮，王鹢.月球粉塵的研究現(xiàn)狀[J]，航天器環(huán)境工程,2008,25（6）:512～515.

[3]姚日劍，王先榮，王鹢.星用非金屬材料出氣成分測試分析[J]，真空低溫，2005,93（11）:98～103.

[4]馮 杰，王先榮，王鹢，等.空間用油脂材料原位質(zhì)損測試及出氣成分分析方法[J],真空與低溫，2010,113（16）:81～84.

[5]鄭永春，王世杰，馮俊明，等.CAS-1 模擬月壤[J]，礦物學(xué)報(bào)，2007,27（3/4）:571～578.