月表塵埃顆粒帶電的機理及應用研究?

薛丹 劉金遠 李書翰

(大連理工大學物理學院,大連 116024)

研究月塵顆粒在電子束環(huán)境下以及紫外源輻照下的帶電機理,利用數(shù)值方法模擬月塵顆粒在不同背景環(huán)境下的充電過程,以探索月表塵埃顆粒的帶電機理,進而便于地面月塵環(huán)境模擬裝置選擇合適的月塵帶電方式進行空間模擬實驗.給出了塵埃在電子束環(huán)境下的充電方程,并將紫外輻射帶電與具體應用相結合.通過模擬結果可知,在電子束環(huán)境下,月塵表面的電荷數(shù)隨粒徑尺寸增大,隨電子槍輻照束斑半徑減少,隨電子槍流強的增加而增多;在紫外源的輻照下,月塵表面電荷數(shù)隨顆粒尺寸的增大以及紫外線輻照度的增加而增多.由月塵顆粒受太陽紫外輻照帶電的數(shù)值模擬結果可知,月塵需要在太陽長時間的輻照下才可以帶上可觀的電荷數(shù),地面模擬該過程需增加輻照源來加速實驗.通過模擬結果的分析比較并結合“空間環(huán)境模擬裝置”中對月塵艙的設計要求,最終優(yōu)選紫外源輻照帶電方式作為月塵顆粒的帶電方案.

1 引 言

塵埃顆粒廣泛存在于宇宙空間、地球大氣層、工業(yè)生產和實驗室中,塵埃顆粒帶電的研究涉及到空間等離子體物理、等離子體工業(yè)應用、磁約束聚變裝置等多個方面[1?4].

本文基于塵埃顆粒帶電機理,研究了月表塵埃顆粒的充電過程,旨在全面的認識月塵的性質,有效地規(guī)避月塵對人類探月活動的危害.月球表面經(jīng)過空間風化,主要有隕石和微隕石撞擊、太陽風和高能宇宙射線、以及晝夜溫差的巨大變化等作用,將巖石逐漸粉化,形成表面月壤.月壤中粒徑小于1 mm的顆粒被稱為月塵,因此,月塵主要來源于月球表面風化碎屑物.在1969—1972年間,美國完成了6次Apollo載人探月任務(包含Apollo 11,12,14,15,16,17)[5?10].通過Apollo登月計劃所獲得的結果和經(jīng)驗,美國航空航天局(NASA)指出:如果人類想要重返月球進行探測活動,那么,月塵問題是急待解決的問題[11].

因為對月塵顆粒研究的側重點不同,按照粒徑尺寸可分成1 mm和20μm月塵顆粒.將Apollo登月計劃采集到的月壤樣品篩選和分類至月塵級別,得到粒徑小于1 mm的月塵顆粒,其平均粒徑在70μm左右.在粒徑小于20μm的月塵顆粒中,約有90%的顆粒粒徑小于2μm,中間值在0.1—0.4μm之間.在月球表面,月塵粒徑分布略有不同,一般情況下,高地月塵顆粒較粗,月海月塵顆粒較細[12?14].

月塵是細粒月壤,主要由膠結質玻璃、斜長石、輝石、鈦鐵礦、橄欖石等組成,包含氧、硅、鋁、鎂、鐵、鈣、鈉和少量其他元素[15].月塵顆粒具有粒徑細小、容易懸浮、形態(tài)復雜、硬度較高、附著性強、帶有電荷等特點.由于月塵長期受太陽風等離子體的轟擊,顆粒表面活化,具有較強的黏附性,并且太陽風的作用也可使月塵顆粒帶上電荷.月塵受太陽紫外輻射的照射會產生光電子發(fā)射現(xiàn)象,導致月塵顆粒帶正電荷,同時也可增加月塵顆粒的黏附性.月球環(huán)境的壓力和溫度可以改變月塵和航天設備表面的化學活性,會增加月塵在設備表面的附著能力.

針對月塵帶電的機理一直處于研究階段.1975年,Freeman和Ibrahim[16]研究表明:月表陽面受太陽紫外輻照形成正電勢,月表陰面受太陽風等離子體作用形成負電勢,從而使月球明暗界線附近區(qū)域產生強大的電場.在電場力的作用下,帶電的月塵顆粒離開月球表面漂浮在空中.Wallis和Hassan[17]以及Havnes等[18]認為月塵的充電機理與塵埃顆粒的充電機理相似,Havnes等計算出了球形月塵顆粒接收光電子而形成的電流表達式.2001年,Sternovsky等[19]測量了導體月塵顆粒和絕緣體月塵顆粒受真空紫外輻照時的充電特性.2005年,Colwell等[20]計算出了球形月塵顆粒由光電發(fā)射產生的電流公式和接受太陽風電子而形成的電流公式,研討了月塵顆粒在光電子鞘層中運動的規(guī)律.2010年,Abbas等[21]研究了月塵顆粒由于二次電子發(fā)射而帶正電的情況,研究表明,月塵顆粒的大小和表面電勢以及入射電子的能量等參數(shù)對月塵帶電有影響.為進一步加強對月塵的研究,哈爾濱工業(yè)大學的大科學工程“空間環(huán)境模擬裝置”中設計的月塵艙,其關鍵組成部分就是月塵帶電系統(tǒng).該系統(tǒng)主要由電子加速器、紫外燈陣和測控系統(tǒng)組成,可以實現(xiàn)在月表真空、高低溫環(huán)境下,亞微米和微米量級的月塵顆粒在電子輻照源和紫外輻照源輻照作用下的帶電過程.

在以上理論研究的基礎上,本文首次給出了塵埃在電子束環(huán)境下的充電方程,并結合月塵艙的設計參數(shù),利用數(shù)值方法分別模擬了塵埃顆粒在電子束環(huán)境下、紫外源輻照下的充電過程,對比討論了塵埃顆粒的尺寸大小以及不同充電環(huán)境參數(shù)對充電過程的影響,結合塵埃顆粒的帶電機理,來研究月塵顆粒的帶電情況,以選擇最適合在月塵艙中使用的模擬月表環(huán)境的月塵帶電方式,開展空間塵埃物理的理論研究.

2 塵埃顆粒帶電的機理

為了方便研究塵埃顆粒在不同環(huán)境中帶電的機理,首先約定統(tǒng)一的物理量單位,并計算塵埃顆粒的特征參量.塵埃顆粒的半徑是rd,單位為微米(μm),塵埃顆粒的密度是ρd,單位為克每立方厘米(g·cm?3).塵埃顆粒的質量md為:

其中,塵埃質量的單位為克(g).塵埃表面電勢φd為

式中,qd為塵埃電荷.將電勢無量綱化:

式中,e為元電荷電荷量1.6×10?19庫侖(C);Te為電子溫度,單位為電子伏(eV);z是無量綱參數(shù),z=rdTe/e2=695rdTe.塵埃表面電荷數(shù)Zd為

塵埃等離子體頻率ωpd為

式中,nd是塵埃顆粒數(shù)密度,單位為每立方厘米(cm?3);塵埃等離子體頻率的單位為弧度每秒(rad/s)[22].

2.1 電子束帶電

塵埃顆粒在低溫等離子體中主要通過碰撞效應收集電子和離子而帶電,這種帶電機理最為常見.考慮沉浸在非磁化等離子體中的中性球形塵埃顆粒,塵埃收集電荷形成的電流受塵埃表面勢的影響,當塵埃表面電勢為負時,塵埃顆粒排斥負電荷而吸引正電荷.相反,如果塵埃表面勢為正,則塵埃顆粒吸引負電荷而排斥正電荷.利用研究塵埃顆粒充電過程最常見的軌道限制理論[23],計算由充電粒子形成的充電電流.設密度為n,質量為m,電量為q,熱速度為v的充電粒子具有局域平衡溫度T和定向速度v0,其速度分布函數(shù)滿足:

充電粒子對塵埃顆粒的充電截面為

在此基礎上考慮一個球形塵埃顆粒懸浮在電子束的環(huán)境下,大量的電子在塵埃顆粒周圍做軌道運動,若一個電子碰撞到塵埃顆粒的表面,就會使塵埃顆粒帶上一個負電荷.假設充電粒子具有定向運動速度,其速度分布函數(shù)滿足麥克斯韋分布,塵埃顆粒在這種情況下帶負電,即qd<0,充電粒子電荷q=?e,因其受帶電塵埃的排斥作用,所以取定向運動速度v0=ve.將以上條件代入充電電流的普適表達式(8)式,得具有定向運動的電子充電電流Ie的表達式:

2.2 紫外輻照帶電

當一組光子的能量大于塵埃顆粒的光電功函數(shù)時,光子入射到塵埃表面,塵埃顆粒會放出光電子而帶正電.這種帶電機理取決于入射光子的波長、塵埃表面積以及顆粒屬性.各種金屬的光電功函數(shù)通常滿足W<5 eV,例如Ag(W=4.46 eV),Cu(W=4.45 eV),A l(W=4.2 eV),Ca(W=3.2 eV),Cs(W=1.8 eV),碳化物的功函數(shù)為2.18—3.50 eV,硼化物的功函數(shù)為2.45—2.92 eV,金屬氧化物的功函數(shù)范圍是從W=1—4 eV[24].考慮塵埃顆粒由于紫外輻射引起光電子發(fā)射而帶正電的情況,對于單向光子流,光電子發(fā)射電流為

式中,Qab是光子的吸收效率,Yp是光電子產額,Jp是光子通量,而Tpe是光電子的平均能量.其中,當2πrd/λ>1時,Qab～1,λ為入射光子的波長.因為考慮到了光電子應有足夠的能量克服帶正電的塵埃顆粒的勢壘,所以(11)式中含有指數(shù)因子.紫外輻照對塵埃顆粒的充電方程為

3 塵埃顆粒的充電過程

實驗裝置中的月塵粒子基本是人為產生,顆粒大小基本一致,產生后將其散播到實驗裝置中.在電子束輻照或紫外源輻照的情況下,考慮塵埃顆粒稀疏,可以近似采用單粒子的帶電模型,并忽略月塵之間的相互作用.根據(jù)第2節(jié),分別對月塵顆粒在電子輻照源和紫外輻照源輻照作用下的塵埃顆粒充電方程編寫了計算機數(shù)值求解程序,利用四階龍格-庫塔法求解微分方程,并對各種情況下影響充電過程的主要參數(shù)做了具體分析,以選擇適合模擬月表塵埃環(huán)境的月塵帶電方式.

3.1 電子源輻照下的充電過程

首先模擬月塵受到電子源輻照的充電過程,根據(jù)“空間環(huán)境地面模擬裝置”中對月塵艙的設計要求,這里使用電子槍作為電子輻照源,討論月塵的顆粒大小、電子槍流強以及輻照的束斑半徑對月塵表面電荷數(shù)和充電弛豫時間的影響.

當電子槍的輻照束斑半徑為5 mm,到達月塵顆粒處的流強為5 mA(下文中流強均指月塵顆粒處的電子流強),輻照月塵的時間為0.2 s時,月塵顆粒大小對其表面電荷數(shù)的影響如圖1所示.由于電子源輻照環(huán)境下月塵顆粒表面電荷受月塵粒徑大小影響很大,所以模擬結果采用了對數(shù)坐標系.由模擬結果可知,當月塵被電子源輻照0.2 s時,月塵充電過程接近飽和.然而與等離子體環(huán)境下的塵埃充電過程本質不同的一點是:由于在純電子環(huán)境下月塵顆粒表面沒有離子電流來平衡電子電流,因此充電過程不會達到塵埃表面電荷不再隨時間增長的飽和階段,所以圖1曲線在尾部依然存在小幅增長.粒徑為0.1μm的月塵顆粒表面電荷數(shù)的數(shù)量級為102,粒徑為1μm的月塵顆粒表面電荷數(shù)的數(shù)量級為103,粒徑為10μm的月塵顆粒表面電荷數(shù)的數(shù)量級為104,這說明月塵顆粒半徑越大,表面電荷數(shù)越多.并且從圖1中還可以看出月塵的充電速度也隨粒徑尺寸的變大而加快.

圖1 月塵在電子輻照源下帶電,電子槍輻照束斑半徑為5 mm、流強為5 mA時,粒徑分別為0.1,1和10μm的月塵顆粒表面電荷數(shù)與充電時間的關系曲線(y軸為對數(shù)坐標)Fig.1.The relationships between the surface charge number of lunar dusts with particle radius of 0.1,1 and 10μm respectively and the charging time,using an electron gun with 5 mm of beam spot radius and 5 mA of current intensity(logarithm coordinate for y axis).

當電子槍的輻照束斑半徑為5 mm、月塵顆粒半徑為1μm、電子槍輻照的流強分別為5,30和60 mA時,數(shù)值模擬月塵顆粒受電子源輻照0.2 s的充電過程,結果如圖2所示.可以看出,月塵顆粒在高能電子槍的情況下所帶的電荷數(shù)更多.因此得到結論:增加電子槍的流強,月塵顆粒表面所帶的電荷數(shù)就增多,相應的,月塵充電速度也隨之提升.

圖2 月塵在電子輻照源下帶電,電子槍輻照束斑半徑為5 mm、月塵顆粒半徑為1μm、流強分別為5,30和60 mA時月塵顆粒表面電荷數(shù)與充電時間的關系曲線Fig.2.The relationships between the surface charge number of the lunar dust with the particle radius of 1μm and the charging time,using electron guns with 5 mm of beam spot radius,5,30 and 60 mA of current intensity,respectively.

通過提高電子槍的流強來提高月塵表面所帶電荷數(shù)本質上是提高了月塵所處電子環(huán)境中的電子密度.所以想要使月塵帶電量在一定的輻照時間內增多,除了使用高能電子槍,還可以縮小電子槍輻照束斑的半徑.對于粒徑大小為1μm的月塵顆粒,電子槍輻照的流強為5 mA、電子槍輻照束斑的半徑分別為1,3和5 mm時,月塵顆粒受電子源輻照0.2 s內的充電情況如圖3所示.可見縮小輻照束斑半徑,月塵顆粒表面電荷數(shù)和充電速度大大增加.

由以上的數(shù)值模擬結果可以看出,月塵在電子源輻照下的帶電情況較好.月塵顆粒表面電荷數(shù)隨顆粒尺寸的增大而增加.縮小電子槍的輻照束斑半徑以及增加電子槍的流強,都會提高月塵所處電子環(huán)境的電子密度,進而提高月塵表面電荷數(shù)和月塵充電過程的速度.

然而,這里考慮月塵顆粒在電子源輻照作用下帶電的模型主要是收集電子,忽略了二次電子發(fā)射、背散射、透射等其他物理作用.由于實際實驗操作中,月塵顆粒受高能電子束輻照會激發(fā)二次電子導致表面電荷逃逸;同時,電子槍束斑半徑較小,難以使較多的月塵顆粒全部帶電,并且散射和透射過程也都會造成很多電子槍能量的損失和浪費.

圖3 月塵在電子輻照源下帶電,電子槍輻照束斑半徑分別為1,3和5 mm、流強為5 mA時,粒徑為1μm的月塵顆粒表面電荷數(shù)與充電時間的關系曲線Fig.3.The relationship between the surface charge number of the lunar dust with the particle radius of 1μm and the charging time,using electron guns with 1,3 and 5 mm of beam spot radius,5 mA of current intensity.

3.2 紫外源輻照下的充電過程

數(shù)值模擬月塵在紫外源輻照下的充電過程,根據(jù)月塵艙的設計要求,使用濱松L1835氘燈作為輻照源,已知氘燈的波長為160 nm,單只氘燈的輻照度為0.0091 W/m2.月塵的主要成分是二氧化硅,二氧化硅的逸出功W=6 eV.當使用74只氘燈輻照月塵顆粒時,顆粒大小對月塵表面電荷數(shù)的影響如圖4所示,并且圖4中也采用了對數(shù)坐標系.由模擬結果可知,相比電子束對月塵充電,紫外輻照使其帶電的弛豫過程非常長,在104s的充電時間內,月塵顆粒一直處于持續(xù)的充電狀態(tài).并且對于小于微米量級的月塵顆粒,在短時間內很難使其帶上電荷.對于微米量級和更大的月塵顆粒,在其被紫外源輻照的106s內,表面電荷量接近飽和,隨顆粒半徑變大,月塵表面所帶電荷數(shù)變多.

接下來模擬了同一粒徑的月塵顆粒在不同強度輻照源下的充電過程,討論不同輻照度對月塵表面電荷數(shù)的影響.月球表面上的塵埃顆粒所受的紫外輻照主要來自于太陽,已知月球表面總太陽輻照度是1367 W/m2,其中紫外區(qū)域能量只占0.01%.所以,月塵顆粒受太陽的紫外輻照度約為0.1367 W/m2,通過計算,實驗采用74只氘燈對月塵的紫外輻照強度約為5個太陽的紫外輻照強度.不同數(shù)量的氘燈和太陽紫外輻照對月塵顆粒充電過程影響的模擬結果如圖5所示.由圖5可知,輻照月塵顆粒的氘燈數(shù)量越多,即輻照度越大,月塵表面電荷數(shù)越多.太陽對月表塵埃的紫外輻照效果大約相當于16只氘燈對其輻照的強度.

圖4 月塵在紫外輻照源下帶電,采用74只氘燈同時輻照,粒徑分別為1,10和100μm的月塵顆粒表面電荷數(shù)與充電時間的關系曲線(y軸為對數(shù)坐標)Fig.4.The relationship between the surface charge number of lunar dusts with particle radius of 1,10 and 100μm respectively and the charging time under UV radiation with 74 deuterium lamps(logarithm coordinate for y axis).

圖5 半徑為10μm的月塵顆粒在不同輻照度的輻照源下充電,月塵表面電荷數(shù)與充電時間的關系曲線(y軸為對數(shù)坐標)Fig.5.The relationship between the surface charge number of the lunar dust with radius of 10μm and the charging time,under radiation with different irradiance(logarithm coordinate for y axis).

分析月塵顆粒受紫外源輻照帶電的數(shù)值模擬結果,可以得出以下結論:在相同紫外輻照源的輻照下,月塵顆粒半徑越大,表面所帶電荷數(shù)越多,但是微米量級的月塵顆粒受短時間的紫外輻照是很難帶電的;同一粒徑的月塵顆粒受不同輻照度的紫外源輻照,輻照度越大,月塵表面電荷數(shù)越多,若使月塵的帶電量可觀,同樣需要足夠長的輻照時間.因此這種帶電方式在實際應用中可以通過延長輻照時間,提高輻照度等方法增加顆粒表面電荷數(shù).

4 結 論

本文根據(jù)塵埃顆粒帶電的機理,首次解析得到了塵埃在電子束環(huán)境下的充電方程,并結合“空間環(huán)境地面模擬裝置”中對月塵艙的設計要求數(shù)值模擬了月塵顆粒在電子輻照源和紫外輻照源輻照下的充電過程,分別討論了月塵顆粒大小,電子槍輻照束斑半徑和流強,以及紫外源的輻照度等參數(shù)對充電過程的影響.結合月球表面塵埃的實際帶電環(huán)境,對數(shù)值模擬結果進行分析,選擇適合在地面實驗裝置中使用的月塵充電方式并得到以下結論.

1)在電子源的輻照下,月塵顆粒的充電情況相當可觀.粒徑尺寸越大,月塵表面所帶的電荷數(shù)就會越多.通過改變電子槍的設計參數(shù)可以得到:月塵表面電荷數(shù)隨著電子槍輻照束斑半徑的減少而增多,隨著電子槍的輻照流強的增加而增多,相應地,月塵的充電速度也隨之增加.由于月塵顆粒受電子源輻照帶電的充電模型主要是收集電子,只要電子克服了月塵顆粒的排斥勢,就認為月塵俘獲了電子并增加了表面電荷數(shù),這樣就會忽略了其他粒子間的物理作用,例如,月塵艙中使用高能電子槍,具有高能量的電子與月塵顆粒撞擊會產生二次電子發(fā)射現(xiàn)象,另外,也會存在背散射和透射等非帶電過程.因此,月塵顆粒受高能電子源輻照的這種帶電方式不作為模擬月表塵埃帶電的最佳方式.

2)在紫外源的輻照下,月塵表面電荷數(shù)隨顆粒尺寸的增大而增多.由于月塵艙中設計采用的紫外輻照源的輻照度很小,入射的光子通量很小,所以在短時間的輻照下,小于微米量級的月塵顆粒帶電量很小,微米量級以上的月塵充電情況較好.對于相同大小的月塵顆粒,在不同數(shù)量的紫外源的輻照下帶電,表面電荷數(shù)隨著輻照度的增加而增多.由月塵顆粒受太陽紫外輻照帶電的數(shù)值模擬結果可知,太陽的輻照度很小,月塵需要在長時間的輻照下才可以帶上可觀的電荷數(shù).在“空間環(huán)境地面模擬裝置”的月塵艙中,可以使用較多的紫外輻照源同時輻照月塵顆粒,增加輻照度,從而增加月塵表面帶電量來加速實驗.紫外輻照帶電方式可以作為月塵顆粒的帶電方案.

通過分析比較月塵顆粒在電子源和紫外源輻照下的充電過程,結合“空間環(huán)境地面模擬裝置”中對月塵艙的設計要求,最終優(yōu)選紫外源輻照帶電方式作為月塵顆粒的帶電方案.