一种基于法拉第杯的卫星表面等离子体充电电流监测方法与流程

本发明涉及一种基于法拉第杯的卫星表面等离子体充电电流监测方法。属于空间辐射技术领域。

背景技术：

在发生强烈的地磁暴或地磁亚暴时，将有大量热等离子体从地球磁尾注入到中高轨卫星轨道区域，对卫星造成表面充放电效应。表面带电分为绝对带电和相对带电两种，对卫星产生影响的主要是相对电位，即表面不同区域之间存在电位差，当电位差过高时会发生放电，干扰电子元器件的正常运行，导致卫星出现异常。针对卫星表面带电状态进行监测，可为在轨异常的诊断、处理提供依据。

目前表面带电在轨监测主要采用悬浮绝缘体充电电位直接测量方法，该方法在卫星外表面安装绝缘材料，通过测量其充电电位，间接反映卫星充电状态。然而绝缘材料的种类、物理特性、工程状态等与实际表面材料存在差异，其充电状态也与实际充电状态不同，难以真实反映卫星带电情况。

理论分析和在轨试验均表明，等离子体在卫星表面形成的充电电流对相对带电起决定作用。目前实践中，按照特定充电电流限值对表面电位进行了设计与控制。当在轨表面充电电流低于该限值时，不会因相对电位过高发生放电；当在轨表面充电电流高于该限值时，存在因相对电位过高而发生放电的风险。因此，通过对等离子体充电电流的在轨监测，可评估卫星表面带电状态和带电风险。

针对空间等离子体电流的测量，目前主要采用朗缪尔(langmuir)探针。朗缪尔探针为金属材料，而卫星表面使用了多种类型的材料，二次电子发射系数等参数难以完全匹配，因此朗缪尔探针得到的等离子体电流与实际充电充电电流的大小关系难以确定，根据朗缪尔探针测量数据判断卫星表面充电状态时存在偏差，卫星表面带电风险无法有效判断和识别。

因此，为实现对卫星表面带电状态的准确判断，需要一种可有效反映卫星表面等离子体充电电流大小的监测方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：本发明提供一种基于法拉第杯的卫星表面等离子体充电电流监测方法，该方法能够有效反映卫星表面等离子体充电电流大小，为卫星表面带电状态和带电风险的评估提供依据。

本发明所采用的技术方案是：一种基于法拉第杯的卫星表面等离子体充电电流监测方法，包括步骤如下：

(1)确定卫星表面充电电流的测量对象及范围；

(2)设计法拉第杯探头，并根据法拉第杯有效收集面积，计算获得入射到法拉第杯的卫星表面充电电流范围；

(3)在卫星上的安装法拉第杯探头；法拉第杯嵌入卫星表面内，法拉第杯探头的开口面向外空间，法拉第杯开口区域不得有任何物体遮挡，法拉第杯探头的杯口与卫星壁板外表面齐平，法拉第杯探头杯口周围接地；

(4)确定卫星表面充电电流真实数据与法拉第杯探头测量数据的关系；

根据步骤(2)中得到入射到法拉第杯的卫星表面充电电流范围和法拉第杯收集效率，计算法拉第杯的实际输出电流范围；

当获得法拉第杯的在轨充电电流监测值后，根据卫星表面充电电流真实数据与法拉第杯探头测量数据的关系得到空间热等离子体在卫星表面的充电电流。

卫星表面充电电流的测量对象是电子形成的充电电流。

法拉第杯有效收集面积为s，则入射到法拉第杯的卫星表面充电电流大小按照下面的公式计算：

i＝js；

其中，i为入射到法拉第杯的卫星表面充电电流；j为卫星表面充电电流密度，j＝(-0.01～-10)na/cm²。

法拉第杯探头的测量数据包括法拉第杯电流测量值及正电流标志、及上述数据采集时所对应的星上时。

所述法拉第杯探头为圆柱形结构，包括屏蔽盖、绝缘盖、杯体收集层、杯体绝缘层、杯体屏蔽层、信号输出端绝缘层、电流信号输出端；杯体收集层为全金属杯状结构，底部圆心处设置引出孔，用于安装电流信号引出端；电流信号输出端为导体，用于将杯体收集层形成的电流信号输出；屏蔽盖和杯体屏蔽层为导体；绝缘盖、杯体绝缘层为绝缘体；杯体收集层位于杯体屏蔽层内，杯体绝缘层位于杯体收集层和杯体屏蔽层之间；屏蔽盖安装在杯体屏蔽层一端，绝缘盖位于屏蔽盖内侧。

屏蔽盖为环形，内边缘内扣，其内扣面下端面与绝缘盖下面表面齐平，形成对绝缘盖和杯体绝缘层的遮挡。

杯体收集层、屏蔽盖的材料为铝；杯体收集层材料内部半径为20mm，深度为54mm，内部深度与半径的比例为2.7；屏蔽盖内部半径为36mm。

法拉第杯探头测量电流信号，通过电流信号引出端输出，电流电压变换电路将电流信号变为电压信号，经过放大电路放大后，采用a/d变换转换为数字量，该数字量在卫星上实现存储和下传。

所述步骤(4)中，根据法拉第杯的设计和安装状态，采用geant4粒子输运软件建立仿真模型，统计在法拉第杯收集层中沉积的电子数目和进入法拉第杯的电子数目，获得法拉第杯的收集效率；收集效率平均值为78.5％，标准偏差为2.4％，对10ev～100kev范围电子的收集效率一致。

基于法拉第杯对10ev～100kev范围电子的收集效率一致，卫星表面充电电流真实数据与法拉第杯探头测量数据的关系为：

其中，i'为卫星表面充电电流真实数据；i0为法拉第杯探头监测数据；η为法拉第杯收集效率。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明采用的法拉第杯结构可包络卫星表面充电电流大小；

采用法拉第杯结构，可有效抑制二次电子向外发射，从而将空间等离子体对卫星表面的充电电流全部收集起来。由于卫星其他表面材料存在二次电子发射，因此采用法拉第杯收集的充电电流大于卫星表面材料的实际充电电流，从而实现对卫星表面充电电流的包络。

2、本发明中法拉第杯设计决定了其数据可有效反演卫星表面充电电流真实值；

本发明设计的法拉第杯尺寸和材料，对热等离子体中10ev～100kev范围内、不同能量电子的收集效率法非常一致。由于拉第杯测量得到的是不同能量电子的总电流，不区分电子的能量，一般情况下难以无法判断不同能量电子的入射比例，在反演卫星表面充电电流真实数据时存在困难。但本发明的法拉第杯对不同能量的电子的收集效率非常一致，各能量电子对法拉第杯充电电流的贡献比例基本一致，因此其在轨数据可以有效反演空间不同能量电子在卫星表面充电电流的真实值。

3、本发明采用近地安装方式可有效覆盖卫星表面不同位置处的充电电流；

法拉第杯在卫星表面安装时，其周围材料应与卫星结构地保持良好电连接。该方式可确保法拉第杯安装位置的电位与卫星结构地一致。卫星表面充电电流与表面带电状态有关，负电位越大，充电电流越小，越接近地电位，充电电流越大。因此当法拉第杯安装位置的电位与卫星结构地一致时，可确保法拉第杯测量的充电电流大于等于其他位置充电电流，从而覆盖卫星表面不同位置处的充电电流。

4、本发明中的法拉第杯结构简单可靠；

法拉第杯依靠结构、尺寸和材料设计，实现对空间电子的有效收集，特别是实现了对不同能量电子的均匀收集，不需要扫描电压来区分电子能量。法拉第杯本身为无源结构，不需额外的电源，结构简单可靠。

附图说明

图1是本发明建立的基于法拉第杯的卫星表面等离子体充电电流监测方法流程图；

图2是法拉第杯结构图；

图3是法拉第杯输出电流的信号处理方式图；

图4是法拉第杯在卫星上的安装方式图；

图5是法拉第杯对不同能量电子的收集效率仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

如图1所示，一种基于法拉第杯的卫星表面等离子体充电电流监测方法，包括步骤如下：

(1)确定卫星表面充电电流的测量对象及范围

卫星表面充电电流主要是由空间中能量为10ev～100kev热等离子体中的电子形成的，因此测量对象是电子形成的充电电流，其中电流密度大于-0.01na/cm²的概率约为95％，大于-0.7na/cm²的概率约为0.1％，目前在轨实际测量得到的最大充电电流密度为-1.52na/cm²，esa推荐的充电电流密度设计值为-10na/cm²。综合考虑上述因素，空间热等离子体对卫星表面形成的充电电流密度的测量范围为-0.01na/cm²～-10na/cm²。法拉第杯有效收集面积为s，则入射到法拉第杯的卫星表面充电电流大小按照下面的公式计算：

i＝js(1)

其中i为入射到法拉第杯的卫星表面充电电流，单位为na；j为卫星表面充电电流密度，j＝(-0.01～-10)na/cm²；s为法拉第杯的有效收集面积，单位为cm²。

当卫星表面受到光照时，会处于带正电状态，一般为正几十伏特左右，卫星不存在放电风险。此时法拉第杯受到光照影响，会出现电流信号为正的情况，对此信号不测量、不处理、不传输，只需给出电流为正的逻辑状态量。

法拉第杯探头的测量数据除包括法拉第杯电流测量值及正电流标志外，还需给出该数据采集时所对应的星上时，以便确定数据采集时卫星的时间及轨道位置，用于后续卫星在轨异常状态诊断的参考。

(2)法拉第杯探头设计

为收集空间中能量为10ev～100kev热等离子体在卫星表面形成的充电电流，特殊设计的法拉第杯探头见图2。空间等离子体中对卫星表面造成影响的主要是电子，等离子体中的电子从杯口入射到法拉第杯内时，与杯体材料发生碰撞，产生电子沉积、二次电子发射、背散射等过程，大部分电子被法拉第杯收集，形成法拉第杯的输出电流。

法拉第杯探头为圆柱形结构，包括7个部分，分别为屏蔽盖、绝缘盖、杯体收集层、杯体绝缘层、杯体屏蔽层、信号输出端绝缘层、电流信号输出端。

其中：

a)杯体收集层为全金属杯状结构，用于收集空间带电粒子，形成电流信号。其底部圆心处设置引出孔，用于安装电流信号引出端。

b)电流信号输出端为导体，用于将杯体收集层形成的电流信号输出。

c)屏蔽盖和杯体屏蔽层为导体，用于屏蔽外界带电粒子、电磁场等对测量信号的影响。

d)绝缘盖、杯体绝缘层为绝缘体，用于内外导体的绝缘。

需要特别指出，为避免空间电子入射到绝缘盖、杯体绝缘层等结构上造成充电，影响对空间带电粒子的收集，屏蔽盖须设计成内边缘内扣形式，其内扣面下端面与绝缘盖下面表面齐平，从而形成对绝缘盖和杯体绝缘层的遮挡。

法拉第杯探头中最重要的部分是杯体收集层和屏蔽盖，杯体收集层决定了对二次电子的抑制效果，屏蔽盖决定了法拉第杯的收集面积。杯体收集层材料为铝，内部半径为20mm，深度为54mm，内部深度与半径的比例为2.7。屏蔽盖材料为铝，内部半径为36mm。屏蔽盖的内径尺寸决定了法拉第杯的有效收集面积，因此法拉第杯的有效收集面积为10.2cm²，根据公式(1)入射到法拉第杯的卫星表面充电电流范围为-0.1na～-102na。

法拉第杯测量的是电流信号，通过电流信号引出端输出。该电流信号应采用电流电压变换电路变为电压信号，经过放大电路进一步放大后，采用a/d变换转换为数字量，该数字量在卫星上实现存储和下传，如图3所示。

(3)法拉第杯探头在卫星上的安装

法拉第杯设计完成后应安装在卫星表面，具体安装方式见图4：法拉第杯探头的开口面向外空间，法拉第杯开口区域不得有任何物体遮挡(包括热控材料)，法拉第杯探头的杯口与卫星壁板外表面齐平，法拉第杯探头杯口周围要接地。

需要特别指出，法拉第杯杯口周围必须与卫星结构地连接，该方式可确保杯口周围与卫星结构地等电位。卫星表面充电电流与表面带电状态有关，负电位越大，充电电流越小，越接近地电位，充电电流越大。为确保法拉第杯的测量数据可包络卫星表面充电电流，其安装位置附近应与卫星结构地连接。

(4)确定卫星表面充电电流真实数据与法拉第杯探头测量数据的关系。

进入到法拉第杯的电子，由于二次电子发射、背散射等原因，部分电子会逃逸出法拉第杯，导致法拉第杯收集到的电子数目小于进入法拉第杯的电子数目，因此需建立卫星表面充电电流真实数据与法拉第杯探头测量数据的关系。

根据法拉第杯的设计和安装状态，采用geant4粒子输运软件建立仿真模型，统计分析在法拉第杯收集层中沉积的电子数目和进入法拉第杯的电子数目，二者之比为法拉第杯的收集效率。分析中应采用余弦定律分布的电子源，电子的能量范围为10ev～100kev。法拉第杯的收集效率分析结果见图5所示。结果显示，本发明涉及的法拉第杯，其收集效率平均值为78.5％，标准偏差为2.4％，对10ev～100kev范围电子的收集效率非常一致。

一般情况下，法拉第杯测量得到的是各种能量电子形成的总电流，不区分能量，因此无法判断不同能量电子的入射比例，难以反演卫星表面充电电流真实数据。但本发明设计的法拉第杯，对不同能量的电子的收集效率非常一致，各种能量电子对法拉第杯充电电流的贡献比例基本一致，因此法拉第杯充电电流可以有效反演空间不同能量电子在卫星表面充电电流的真实值。

卫星表面充电电流真实数据与法拉第杯探头测量数据的关系为：

其中i'为卫星表面充电电流真实数据，单位为na；i0为法拉第杯探头监测数据，单位为na；η为法拉第杯收集效率，无量纲，对于本发明涉及的法拉第杯，η＝78.5％±2.4％。

步骤(2)中得到入射到法拉第杯的卫星表面充电电流范围为-0.1na～-102na，因此法拉第杯的实际输出电流范围为-0.08na～-80na。

反之，当获得法拉第杯的在轨充电电流监测值后，可以根据公式(2)反演得到空间热等离子体在卫星表面的充电电流。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。