低軌道航天器的空間等離子體環境主要為低溫、低密度、等離子體。文章詳細敘述了等離子體對航天器的影響及其兩個ECR 微波等離子體校準裝置的組成結構，并使用標準Langmuir 探針對等離子體的參數進行實驗測量和分析，得到了電子密度、電子溫度、空間電位和懸浮電位等參數，滿足了電子密度10⁶ ～ 10⁸ 個/cm³ ，電子溫度1 ～10 eV 等低軌道航天器的空間等離子體參數要求。

引言

　　空間環境中存在著以電離層等形式的低溫等離子體，例如太陽在不斷地噴射等離子體微粒流，形成太陽風，在磁層中充滿了各種能量的帶電粒子和等離子體。電離層是一種天然的、長期存在的低溫、低密度的等離子體。其中等離子體的密度、溫度、成分和能量等隨著高度不同而有所變化。而在低地球軌道( Low Earth Orbit，LEO) 上運行的航天器與周圍等離子體、高能帶電粒子、磁場和太陽輻射等環境因素的相互作用下，導致等離子體電荷在航天器上積累，使航天器與空間等離子體間不同部位間出現相對電位差，當電位差到達一定的閾值時會造成靜電放電，甚至導致設備損壞。因此，從保證人員和航天儀器設備的安全角度考慮，開展等離子體環境研究，已成為了空間環境的主要課題之一。

實驗裝置

　　由于低軌道航天器所處的F2 層是低溫、低密度的等離子體，所以等離子體模擬裝置包括真空環境系統、真空獲得系統、真空測量系統、等離子體源系統、設備電源系統、等離子體測試系統等。國內等離子體環境模擬設備主要集中在北京衛星環境工程研究所、中科院空間中心等單位，國外等離子體環境模擬設備主要集中在美國海軍實驗室和印度等離子體研究所等單位，如表1 所列。

表1 國內外等離子體主要模擬單位及參數

　　在分析國內外此類設備的結構特點后，設計基于ECR 的雙源結構，滿足低軌道要求的等離子體環境。空間等離子體環境模擬器系統如圖1 所示。裝置的主要技術指標: 溫度控制范圍- 60 ～ 100 ℃;真空范圍10⁵ ～ 10 ^{- 5} Pa; 等離子體產生電子密度范圍為10⁶ ～ 10⁸ 個/cm3 ; 電子溫度的范圍為1 ～10 eV; 空間電位的范圍為- 100 ～ 50 V。

圖1 空間等離子體環境模擬器系統示意圖

1. 供氣系統; 2. 微波源系統; 3. 電氣控制柜; 4. 探針系統;5. 工控機; 6. 真控獲得系統; 7. 溫度控制系統

真空環境模擬系統

　　真空容器是直徑為1 m，長度為1. 5 m 的真空罐，可獲得清潔無油的10 ^{- 5} Pa 真空度。真空罐采用放氣率低的不銹鋼材料制造，真空罐上設計有觀察窗和多個真空備用接口，容器表面進行噴砂處理。真空獲得系統，采用抽速為1 600 L /s 的分子泵及機械泵和插板閥等，以達到清潔無油高真空環境。為提高抽速，縮短真空獲得時間，采用三臺并聯分子泵抽氣。5 h 后獲得極限真空度為3. 6 × 10 ^{- 5} Pa。真空測量系統，采用電離和電阻復合式真空計，能夠測量壓力范圍是10⁵ ～ 10 ^-5 Pa，實時可以監測真空罐內真空度的變化。保證真空罐內的真空度完全維持在要求的真空度。

溫度實驗模擬系統

　　溫度控制及測量系統，真空室內裝有銅材料的熱沉，采用特制硅油作工質，用外置復疊式制冷機，通過外循環對熱沉進行制冷，用電加熱方式對熱沉進行加熱。熱沉表面涂航天專用黑漆，吸收率和半球反射率均高于0. 9，熱沉溫度范圍- 60 ～ 100 ℃。測溫采用FP - 93 型溫控儀，加熱模塊及變壓器，高精度的溫度巡檢儀和高精度鉑電阻等。其中高精度鉑電阻在真空室內壁布有9 個測溫點，溫度測量的誤差小于± 0. 3 ℃。

微波放電系統

　　微波電子回旋共振( ECR) 離子源是一種無陰極源，具有電離能力強( 約10%) 、等離子體密度高( 10⁸ ～ 10¹⁴ cm ^{- 3} ) 、氣壓低( 10 ^{- 1} Pa 量級) 、性能穩定等特點。反應粒子活性高、離子能量低、無高能粒子損傷、沒有污染、磁場約束、減少等離子體與反應室壁的相互作用。是一種低氣壓、高密度等離子體源，能夠在較低的氣壓下產生大面積均勻的高密度等離子體。

結論

　　通過對兩個ECR 等離子體源的對稱放置，減小了環境模擬裝置中的密度梯度，形成較均勻的等離子體，相對于應用環境模擬裝置中頂部使用一個ECR 等離子體源來說，產生的等離子體較好。以上實驗結果分析得出，對ECR 源產生的等離子體，及空間電位、懸浮電位、電子密度和電子溫度等模擬參數，可以得到最優化的微波ECR 等離子體工作狀態，滿足低軌道航天器空間等離子體環境下校準朗繆爾探針的需求。