月尘测量：从嫦娥三号到嫦娥五号

王 鹢 ，孔风连，庄建宏 ，王永军，2，颜则东 ，苗育君，周 震 ，柳 青

（1.兰州空间技术物理研究所；2.真空技术与物理重点实验室；3.空间材料行为及评价重点实验室，兰州 730000）

月尘是月球表面最重要的空间环境因素。月尘容易在太阳辐照、空间带电粒子和碰撞摩擦的作用下带上电荷，并在电场的作用下悬浮和迁移。月尘对探测器敏感表面和宇航员健康安全存在潜在危害，关系着科学探测目标的实现和任务的成败。探测月尘，一方面要获得月尘累积量的时空分布，另一方面要探测它的带电特性，从而全面了解月尘的运动迁移机制，同时也为后续探月任务的月尘防护提供输入。中国在嫦娥三号任务中，对着陆激起的和自然环境下的月尘累积量进行了测量。研究人员通过两次月食前后的月尘累积量对比，并未发现明显的累积量“晨昏线”增强现象（Li D.et al，GRL，2020），向着最终揭示月球的“地平线”发光现象的成因迈出了重要的一步。

在嫦娥五号任务中，兰州空间技术物理研究所研制了一种月尘带电分布测量仪，如图1所示。该测量仪由两套相同的测量探头组成，每套探头又分别由一组阻滞势分析仪和一台石英晶体微质量天平组成，如图2所示（Zhuang J.et al，SNA，2021）。其中一个探头栅网工作时不加电压，为参考探头；另一个可以施加扫描电压，为测量探头。测量探头栅网施加一定电压时，只有荷质比满足一定条件的月尘颗粒才能通过。对于参考探头，月尘颗粒无论是否带电，都可以无阻碍地通过。栅网的下方是一个涂有黏性薄膜的石英晶体微量天平。当石英晶体电极表面附着一定质量后，其振动频率会发生改变，通过测量频率的改变量即可获得附着的月尘颗粒的质量。黏性薄膜的作用是增加颗粒与晶体的结合力，使其和晶体可以发生同频共振。地面试验表明，其质量灵敏度达到了纳克级。实际测量时，通过设置不同的“门槛”（扫描电压），再根据相应电压下两个探头沉积的质量差，得到不同荷质比月尘所占的质量分数。

图1 嫦娥五号月尘带电测量仪实物照片

图2 嫦娥五号月尘带电测量仪原理图

日前，嫦娥五号月尘带电测量仪已全面完成月面测量工作。首次获取的月尘带电原位探测数据，可以为后续载人探月任务的月尘防护提供依据，同时，为揭示月尘的充放电机制和运动规律打下基础，取得重要的科学发现。后续我国还将开展月球极区的月尘探测。

关键词：月尘；带电测量仪；石英晶体微量天平；荷质比；嫦娥三号；嫦娥五号

Key words：lunar dust；charge measuring sensor；quartz crystal microbalance；charge-to-mass ratio；Chang’E-3；Chang’E-5

中图分类号：V476.3 文献标志码：A 文章编号：1006−7086（2021）01−0101−01

DOI：10.3969∕j.issn.1006−7086.2021.01.017