一种月尘颗粒电荷质量比原位监测方法

2010-05-24王先荣姚日剑庄建宏

真空与低温 2010年3期

冯杰，王先荣，王鹢，柏树，姚日剑，庄建宏，郭兴

（兰州物理研究所，真空低温技术与物理重点实验室，甘肃兰州 730000）

1 引言

月尘（Lunar Dust或Lunar Fines）：颗粒直径小于1 mm的部分；月尘是月壤样品的主要组成部分，一般占样品总质量的90%以上。月球表面尘埃的形成包括自然的积累（如流星体引起的喷射），静电悬浮，航天员的活动和火箭的发射、着陆等[1]。细小的月尘有较高绝缘性，在月球的真空、高低温、强辐射环境和各种接触、摩擦等的作用下，很容易带上电荷，由于月表干燥度极高，使得月尘颗粒可以在相当长的时间内保持带电。带电月尘有很强的粘附性，在静电力作用下，粘着和堆积到各种能够接触到的装置上。阿波罗任务的报告中涉及到大量与月尘颗粒相关的负面效应，其中包括返回的航天员太空服表面材料的磨损；阻塞仓外活动部件的闭锁装置和仪器盖；隔离表面的热传递；粘附于功能表面引起光学性能、太阳吸收率和红外发射率的降低；影响光电阵列和散热器表面的工作[2]，这给登月计划的顺利完成带来困难。因此研究月尘的带电性质具有十分重要的工程价值。

2 月尘堆积原因

有多种原因导致灰尘的粘着，但是分析表明在月球上主要的灰尘粘附因素是静电吸附。有4种力能导致尘埃的粘着，即：范德瓦尔斯力，毛细作用力，机械咬合力和静电场力。范德瓦尔斯力是这几种力中最强的力，但是，它和距离成正比，意思就是说它只会对非常小的（小于1 μm）颗粒在极端接近表面的距离（小于10-10m）才是非常显著的。如果颗粒具有任何可以观察到的尺寸（大于1 μm）颗粒将不会表现出这个力，它们将会堆积在粗糙的表面。毛细作用力的产生是由于颗粒和表面之间存在着湿气，在月球（或者火星）表面几乎找不到潮湿的颗粒，所以这种力是不可能提供的。机械作用力时由于塑料变形或者锯齿颗粒镶入材料表面，月尘颗粒是非常坚固的并且月尘颗粒是不可能发生塑料形变的，所以机械作用力也不是月尘堆积的粘着力。

综上分析，月球尘埃颗粒仅存的能够形成粘着力的力就是静电场力，静电场力在任何带电颗粒上的形式表现为：F=QE在任何不带电的颗粒上可以表示为微分电场力，其中为电场的综合变化强度，为感应电偶极距。

对于球形颗粒电偶极距可以表示为

式中 εm为介质的介电常数；a为颗粒半径；fCM为Clausius-Mossotti因子

式中 ε*p和 εm*为颗粒和介质各自的综合介电常数。静电力作用在颗粒上表现在3个阶段：近距离，远距离和中间，这是适合于月球、火星甚至地球上的带电颗粒的规律。因为月表干燥的环境，带电的尘埃颗粒会被激发，此种特性导致它们具有粘着特性。

在月球上有多种方式可使尘埃带电，比如热电子和来自太阳风的质子等原因的离子带电，太阳在外辐射和软X射线的光电效应，附着在颗粒外壳上的光电子形成的光电子带电，地球磁尾和来自银河射线撞击月表颗粒的高能电子的捕获。在探月中涉及最重要的带电机制是摩擦起电或者带电材料导致的间接带电，而机械运动的行为是足够让尘埃带电而不管材料之间是否接触。

因此解决月球表面的尘埃带电的主要问题是：1）在尘埃表面能累积多少电荷；2）电荷在尘埃表面能够持续多久；3）这些尘埃能否用传统和非传统的方式移除。

这些带电颗粒性质问题可以分为：体电阻率、电荷衰退、荷质比或带电能力、介电性能。其中荷质比是这些量中最容易原位监测的因素，也是最可行的。

因此，作者提出一种可以原位监测带电月尘颗粒电荷和质量比的装置设计，并提出地面模拟实验方案。

3 设计原理

整个测试系统用来测试带电颗粒的荷质比，由电荷监测和质量监测两部分组成。电荷监测单元是基于法拉第电磁感应，对于无限长中空圆柱体轴向通过恒定均匀自由电流，在圆柱体表面形成的感应电流强度为

式中 μ为中空圆柱体材料磁导率；μ0为真空磁导率常数；r1为圆柱体内半径；r2为中空圆柱体外半径；jf为轴向通过中空圆柱体电流密度。

当带电颗粒穿过固定长度中空圆柱体电容器中心轴时，由于电磁感应效应，等量的反相感应电荷将会在圆柱体表面上产生，通过测量圆柱体上感应电势V和已知圆柱体的电容C，便能计算出通过圆柱体中心的带电粒子的电荷量Q=CV。

质量监测单元中，当月尘颗粒在石英晶体微量天平（QCM）电极上沉积（质量增加）时，石英晶体的振荡频率会降低[3]。这种情况符合Sauerbrey公式

式中 f为石英晶片的谐振频率；ρ为石英晶体的密度；ν为垂直于晶体表面的剪切波速；A为晶片面积。

通过对频率变化△f的监测即可获得晶片上沉积的月尘颗粒质量△m。沿中空圆柱体的轴向通过的带电月尘颗粒沉积在QCM探测器上的质量为m，则带电月尘颗粒的荷质比为。探测器设计原理如图1所示。

图1 带电月尘荷质比测试原理

由黄铜制成的圆筒形电容器其内径0.1595 cm、外径0.1875 cm、长度为1 cm。电容器被另外一个内径为0.347 cm的圆形黄铜支架包裹，支架与电容器之间填充不导电的聚四氟乙烯，保证电容器不被外界干扰。在电容器上方有3个圆盘形栅板，栅板中心是直径为0.033 cm的栅孔，栅孔的圆心在圆筒形电容器的中心上，所以带电粒子只有通过3个栅板才能进入电容器，从而保证通过栅板的带电粒子通过电容器的中心。电容器正下方是QCM探头，QCM探头晶片直径为1.270 cm，电极直径为0.635 cm。整个探测器按照图1所示的位置关系被封装在密封金属盒中。

圆筒电容器的电容是4.5 pF，这个电容与外部一个固定的3.0 pF的电容相连形成一个分压器，感应电压就会通过一个50倍的信号放大器放大，感应电压的信号放大电路是由MECA静电子计组成。图2所示为电荷测试基本电路。

图2 带电粒子的电荷测试电路

放大器是用2个相同的光电倍增管构成，放大器的放大率是由2个外部电阻的比值和分压器决定。测试结果波峰值即为感应电动势，则通过Q=CV可以计算出感应电荷的量，电容器上的感应电荷量与粒子所带电荷大小相等。该装置精确率可以测到单电荷的电荷量。

QCM的基准频率为15 MHz，在电极上涂覆了使QCM频率变化在QCM本征频率2%之内的真空脂薄的膜，QCM反应灵敏度为2.325×10-9g/cm2·Hz[4]。这与15M石英晶片的理论值在理论上的测量灵敏度可以达到的 1.96×10-9g/cm2·Hz在同一个数量级。

整个传感器与信号采集电路组装在一起就可以形成一个结构简单的带电月尘颗粒荷质比探测器，信号采集电路所用器件和探测器组装盒可以根据航天器需要选择和设计。

4 地面实验设计

从阿波罗带回的月壤样品分析表明，它由SiO2、Al2O3、CaO、FeO、MgO、TiO2等成分组成，主要成分SiO2占44.72%,Al2O3占14.86%，月尘颗粒的密度为3 g/cm3[2]。在实验中我们将使用由中国科学院贵阳地球化学研究所与国家天文台合作研制的低钛玄武质模拟月壤（CLRS-1）标准样品[5]，该样品与Apollo14号采集回来的月球样品具有相似的化学成分、矿物组成和物理性质。

将模拟月壤样品通过50 μm孔径筛网筛选出颗粒直径小于50 μm的样品作为实验用的模拟月尘。实验时将模拟月尘颗粒装入扬尘装置，模拟月球车车轮的方式将模拟月尘扬出，转轴上具有容易带电的金属颗粒，会由于摩擦使得月尘颗粒带电，整个系统置于真空室中。实验设备如图3所示。