基于靜電技術的模擬月塵加載電荷方法研究

王劉杰， 趙 維， 周雙珍， 逯忠國， 王東陽

（中國航天員科研訓練中心， 北京 100094）

1 引言

載人登月面臨特殊的月塵環(huán)境，在月面活動中，月塵易吸附到接觸表面，且不易徹底清除，對載人登月的航天員、艙外服、相關設備以及儀器儀表均有負面影響。 因此，登月設備研制必須考慮月塵的影響以及相關的除塵、防塵技術，并需進行充分的地面測試。

月塵易與物體表面吸附的重要因素是月塵帶有一定量的電荷，帶電因素包括自然因素和人為因素：月晝的太陽輻射引起的光電子發(fā)射，月夜期間太陽風注入電荷，航天員行走或設備與月面接觸摩擦起電等。 在地面進行月塵環(huán)境模擬測試時需要模擬帶電因素，模擬方法有物理模擬和等效模擬。 物理模擬指模擬真實的月面環(huán)境物理要素，再現(xiàn)月面月塵帶電過程，即在真空環(huán)境中，用紫外輻射、電子槍等模擬太陽輻射、太陽風等因素使模擬月塵攜帶電荷，如Gaier 等與Craven等開展的月塵試驗、張海彬等的輝石試驗、薛丹研究月塵艙的加電方法均采用了物理模擬。 等效模擬指使用其他技術模擬月塵攜帶電荷的結果，如許濱等、孫永衛(wèi)等采用高壓電極接觸傳導帶電，Kruzelecky 等采用電暈放電加電方法等。

電暈放電在電選礦、靜電除塵等方面均有應用，加電途徑是在電暈場中細顆粒物吸附電子、離子等帶電粒子。 何家寧、張桂芳研究的電選礦礦粒與月塵在顆粒粒徑、礦物組成、化學成分等方面有一定的相似性。 但國內尚未見電暈放電模擬月塵加電相關研究報道，因此有必要研究其方法可行性以及航天模擬試驗所關注的電荷保持時間問題。

本文借鑒電選礦、靜電除塵給顆粒物加電的技術，提出一種通過電暈放電使模擬月塵帶電的方法，設計并搭建研究裝置，并研究電暈電壓對加電電荷量的影響以及濕度對電荷保持時間的影響。

2 裝置研究

2.1 裝置機理

電暈放電是氣體放電的一種。 氣體中的自由電子從電場中獲得能量，和氣體分子激烈碰撞，電子脫離氣體分子，結果產(chǎn)生帶陽電荷的氣體離子，并增加了自由電子。

以針板式電暈放電為例，如圖1 所示。 在針板式電極場中，針式電極曲率很大，隨著電壓的升高，在高電壓作用下，針式電極周圍空氣被擊穿，在周圍產(chǎn)生電暈放電，產(chǎn)生各種帶電粒子，即自由電子、正離子和負離子。 正離子沿電場方向向陰極移動，而電子和負離子沿電場反方向向陽極移動。 在達到擊穿電壓前，外加場強越強，電暈電流也越大，達到擊穿電壓后，如果再增加場強，電壓不能夠再升高，電暈電流會持續(xù)增大，電流到達一定值，將產(chǎn)生火花放電。

圖1 電暈放電機理示意圖Fig. 1 Schematic diagram of corona discharge mechanism

放電電極可以采用陰電極或陽電極。 陰電暈形成只是在很大的電子親和力的氣體或混和氣體中存在可能，比如含氧氣的空氣、硫化物氣體等。

位于電暈場中的顆粒物吸附帶電粒子機制理論主要有2 種：電場荷電——離子在電場作用下沿電力線作有規(guī)則運動，與粒子碰撞使粒子荷電；擴散荷電——由于離子的不規(guī)則熱運動而與粒子碰撞以致粒子荷電。 在電暈場中顆粒物可以很快（s 級）充滿電，理論上顆粒物帶電量最大值與顆粒物粒徑和電場強度有關，不會無限增加。

根據(jù)剩余荷電分選有關理論，荷電量可由式（1）表示，是介電常數(shù)、半徑、時間的函數(shù)，是電場強度的線性函數(shù)。

2.2 裝置組成

設計的電暈裝置分為真空系統(tǒng)、電暈放電系統(tǒng)、測量采集系統(tǒng)3 部分（圖2）。 真空系統(tǒng)具備抽真空和真空保持能力，使電暈放電系統(tǒng)處于低氣壓環(huán)境中；電暈放電系統(tǒng)具有放電電壓可調、放電電流可監(jiān)測功能，可控制電暈放電過程；測量采集系統(tǒng)具備測量月塵加電后對地電位的變化功能，實時采集并存儲于計算機中，便于數(shù)據(jù)分析。

圖2 電暈裝置系統(tǒng)組成Fig.2 System composition of corona device

電暈放電系統(tǒng)參考針板式電暈放電原理，采用針式陣列放電電極增加效率和均勻性。 在針式電極和接地極之間增加月塵層和金屬基板，使帶電粒子在向接地極移動過程中附著在月塵顆粒上。

測量采集系統(tǒng)中原有靜電電位動態(tài)測試儀的輸入和輸出為模擬信號，在原硬件的輸出端加裝數(shù)據(jù)采集模塊，使模擬信號轉換為數(shù)字信號輸出，以便采集的數(shù)據(jù)存儲在計算機上。 模擬月塵采用吉林大學研制的模擬月塵，其以吉林省輝南縣境內的火山灰為主要原料，組成礦物為橄欖石、輝石、長石，粒徑平均約70 ～100 μm。 裝置系統(tǒng)組成及實物照片見圖3、圖4。

圖3 電暈裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of corona device

圖4 電暈裝置測試平臺Fig.4 Test platform of corona device

2.3 電暈放電性能測試

靜電發(fā)生器間隔1 kV 依次輸出為－1 ～－20 kV ，直到產(chǎn)生電暈放電擊穿，剛剛發(fā)生擊穿放電時，測試電位值有數(shù)個尖峰周期，聽到輕微的噼啪聲。 根據(jù)上述物理現(xiàn)象，確定真空罐內電暈放電需要的電極電壓。

經(jīng)過測試，在一定氣壓環(huán)境下，電暈放電的電壓值為一定區(qū)間范圍，低于該范圍則達不到電暈放電條件，高于該范圍則發(fā)生電暈放電擊穿，詳見圖5。 氣壓越高電暈放電電壓范圍越寬；氣壓越低發(fā)生電暈放電的電極電壓越低，即氣壓越低越容易發(fā)生電暈放電，且發(fā)生電暈放電后，再稍增加電壓即發(fā)生擊穿放電／火花放電。

圖5 電暈裝置起電暈電壓Fig.5 Corona initial induced voltage inside the device

3 模擬月塵加電研究

3.1 電荷量測量方法

如圖6 所示，金屬基板與接地板構成平板電容器。 當金屬基板上鋪月塵時，在月塵攜帶負電荷的作用下，與接地板相對的金屬基板內側感應出與月塵同性電荷。 設月塵電荷面密度，則金屬基板與月塵之間的電場強度為，見式（2）。

圖6 月塵電荷測量Fig.6 Electric charge measurement of lunar dust

其中，金屬基板的面積為，則金屬基板上感應電荷量為式（3）：

測得的金屬基板電位即電容器的電位差，電位差與電荷量和電容的關系見式（4）。

測得金屬基板電位值，則可表征月塵的電荷量。

3.2 電荷量影響因素

根據(jù)式（1）電荷量影響因素主要有粒徑、加電時間、電場大?。妷旱龋疚奶骄侩妶龃笮。妷汉图与姇r間的因素影響。

先測試電壓對電荷量的影響。 在2 ～100 kPa氣壓下施加剛好電暈放電電壓，以產(chǎn)生電暈放電，測試月塵電荷量。

再測試加電時間對電荷量的影響，施加時間分別為20，60，180 s，測試金屬基板上凈電荷的電位值。

3.3 電荷保持時間

電荷保持時間采用衰減時間表示。 月塵吸附電荷后衰減到起始量的1／e 所用時長表示為衰減時間。 本文通過擬合衰減曲線測定衰減時間。

實驗室條件下，將濕度影響的研究設置為2組對比試驗。

1）實驗室條件下（測試時溫度20 ℃、濕度30%RH）的時間常數(shù)。 在100 kPa 下，電極電壓－18 kV電暈放電，施加60 s 后斷電，真空罐抽氣，氣壓抽低壓為100，80，60，40，20，10 kPa 及2 kPa以下（實際氣壓以實際壓力為準），分別測試電荷衰減時間。

2）干燥條件下不同氣壓對時間常數(shù)的影響。100 kPa 下加干燥劑1 d 以上，使罐內空氣和月塵保持干燥（測試時溫度20 ℃、濕度10%RH 以下）。 測試過程同1）。

4 結果與討論

4.1 電荷量影響因素測試結果

不同氣壓、加電時間對電荷量的影響如圖7所示。 氣壓主要影響電暈放電電壓，根據(jù)圖5 所示可以看出，在100 kPa 下電暈放電電壓約為－20～－15 kV，在10 kPa 氣壓下電暈放電電壓約為－6～－5 kV，最低測得在2 kPa 氣壓下電暈放電電壓約為－3 kV。 即電暈放電的電極電壓受氣壓限制，一定氣壓下，電極電壓在一定范圍均可激發(fā)電暈放電，氣壓越高，激發(fā)電暈放電的最低電極電壓也越高，可激發(fā)電暈放電的電極電壓范圍也越寬。從圖7 可以看出，氣壓越高（電暈放電電壓越高），月塵吸附電荷量相對越多。 電暈放電時間超過20 s 后，隨著加電時間增加，電位值增長較緩，即延長加電時間不能顯著增加電荷量。

圖7 不同氣壓、加電時間對電荷量的影響曲線Fig.7 The effects of pressure and charge time on e?lectric charge

電極電壓與吸附電荷量的關系如圖8 所示。從圖中可以看出，吸附電荷量與電極電壓成線性關系，與理論公式（1）一致。

圖8 電極電壓與吸附電荷量的關系曲線Fig. 8 Relation curve of electric charge and electrode voltage

電極電壓是模擬月塵吸附電荷量的主要影響因素，由于氣壓環(huán)境和電極電壓的關聯(lián)性，氣壓環(huán)境和電極電壓對月塵電荷量的影響是一致的。 電暈放電的電極電壓越高（氣壓越高），則月塵吸附電荷量相對越多，二者呈現(xiàn)明顯的線性關系，與理論基本一致。

4.2 電荷保持時間測試結果

測得的實驗室條件下和干燥條件下電荷衰減擬合曲線見圖9、圖10，其他氣壓下曲線電荷衰減曲線擬合方程見表1、表2。 在10 ～100 kPa 范圍內月塵電荷衰減受低壓影響較小，在相同溫度濕度下，不同氣壓下電荷衰減時間常數(shù)沒有明顯差別。 在實驗室條件下10 ～100 kPa 下電荷衰減時間為36～41 s，在干燥條件下10 ～100 kPa 電荷衰減時間為61 ～65 s。 空氣中濕度越小越干燥，則同樣的電荷量衰減時間越長。 在實驗室條件下電荷衰減常數(shù)平均為37.8 s，而干燥條件下電荷衰減常數(shù)平均為63.2 s。

表1 實驗室條件下電荷衰減擬合曲線與衰減時間常數(shù)Table 1 Fitting decay curve and time of electric discharge under laboratory environment

表2 干燥條件下電荷衰減擬合曲線與衰減時間常數(shù)Table 2 Fitting decay curve and time of electric discharge under dry environment

圖9 實驗室條件下電荷衰減擬合曲線（100 kPa）Fig.9 Fitting decay curve under laboratory environ?ment（100 kPa）

圖10 干燥條件下電荷衰減擬合曲線（100 kPa）Fig.10 Fitting decay curve under dry environment（100 kPa）

5 結論

基于靜電技術的電暈放電機理，本文設計了電暈放電試驗裝置，將電荷測量轉換為電位的測量，并設計了模數(shù)轉換模塊，可實時記錄數(shù)據(jù)并分析。

1）電暈裝置具備可抽真空、放電電壓可調、可等效測量電荷量等功能。 實驗測試了電暈裝置在2～100 kPa 氣壓下電暈放電基本特性。

2）使用設計的電暈裝置進行測試，驗證了采用靜電技術給模擬月塵加載電荷的可行性，即在電暈場中，月塵能夠吸附電荷。 測試結果表明電暈放電電壓越高月塵電荷量越大。

3）在10～100 kPa 范圍內測試兩種不同濕度下電荷保持時間。 發(fā)現(xiàn)月塵電荷衰減受氣壓影響較小，空氣中濕度越?。ㄔ礁稍铮﹦t電荷衰減時間越長。

今后可在兩方面進一步深入研究：一是根據(jù)測試結果強化除濕，測試極端干燥下的電荷保持時間，獲取更長的保持時間；二是進行拓展測試，如針對火星表面富二氧化碳、低壓氣體環(huán)境的火星塵試驗，研究模擬環(huán)境中的火星塵加電效應等。