尘埃颗粒带电的机理及应用研究

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尘埃颗粒广泛存在于宇宙空间、地球大气层、工业生产和实验室中,尘埃颗粒的带电特性是其最重要的性质。研究尘埃颗粒在不同环境下的带电情况是带电尘埃颗粒应用的重要课题。本篇硕士论文主要研究尘埃颗粒收集电子离子带电、电子束发射带电和紫外源辐照带电三种带电机理,并将带电尘埃颗粒应用在两个方面,第一个方面应用在空间飞行器的推进系统中,以探索利用空间碎片加工为颗粒作为推进剂的新型电推进方式的可能性。带电尘埃颗粒在这方面的应用不仅可以减少空间环境污染,还可以降低航天器携带推进剂的载荷重量,延长航天器的在轨运行时间。第二个方面应用在“空间环境地面模拟装置”的月尘舱中,用来模拟月表尘埃环境,阐明月尘充电的过程和规律,有利于开展空间物理的理论研究,消除月尘给航天器和宇航员带来的问题。  本研究利用数值方法模拟空间尘埃颗粒在不同环境下的充电过程。关于尘埃颗粒带电的机理在飞行器推进系统中的应用,由模拟结果可知,在等离子体环境中,尘埃颗粒表面电荷数随颗粒尺寸和电子温度的增加而增加,不受电子密度的影响;在电子束环境中,颗粒表面电荷数随颗粒尺寸、电子温度和电子密度的增加而增加,并且在短时间内的带电量很大;在紫外源的辐照下,颗粒表面电荷数随颗粒尺寸和辐照度的增加而增加,但充电速度较慢。结合空间推进系统的实际工艺要求分析模拟结果,认为电子束发射方式和紫外辐射方式作为空间尘埃颗粒带电的优选方案。关于尘埃颗粒带电的机理在月尘舱充电系统中的应用,由模拟结果可知,在电子源的辐照下,月尘颗粒表面电荷数随颗粒尺寸、电子枪流强和能量的增加而增多,随电子枪辐照束斑半径减小而增多,相应的,充电速度也随之增加,但是在这种充电模型中只考虑了收集电子,忽略了二次电子发射、背散射和透射等物理过程;在紫外源的辐照下带电,月尘表面电荷数随颗粒尺寸和辐照源辐照度的增加而增多。月尘颗粒在紫外辐照下带电缓慢,可以通过增加辐照源的数量,即提高辐照度,来增加月尘颗粒的带电量。结合对月尘舱充电系统的实际设计研究,认为紫外源辐照方式作为月尘颗粒带电的优选方案。
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