馮 杰，王先榮，王 鹢，柏 樹，姚日劍，莊建宏，郭 興

（蘭州物理研究所，真空低溫技術與物理重點實驗室，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

月塵（Lunar Dust或Lunar Fines）：顆粒直徑小于1 mm的部分；月塵是月壤樣品的主要組成部分，一般占樣品總質量的90%以上。月球表面塵埃的形成包括自然的積累（如流星體引起的噴射），靜電懸浮，航天員的活動和火箭的發(fā)射、著陸等[1]。細小的月塵有較高絕緣性，在月球的真空、高低溫、強輻射環(huán)境和各種接觸、摩擦等的作用下，很容易帶上電荷，由于月表干燥度極高，使得月塵顆?？梢栽谙喈旈L的時間內保持帶電。帶電月塵有很強的粘附性，在靜電力作用下，粘著和堆積到各種能夠接觸到的裝置上。阿波羅任務的報告中涉及到大量與月塵顆粒相關的負面效應，其中包括返回的航天員太空服表面材料的磨損；阻塞倉外活動部件的閉鎖裝置和儀器蓋；隔離表面的熱傳遞；粘附于功能表面引起光學性能、太陽吸收率和紅外發(fā)射率的降低；影響光電陣列和散熱器表面的工作[2]，這給登月計劃的順利完成帶來困難。因此研究月塵的帶電性質具有十分重要的工程價值。

2 月塵堆積原因

有多種原因導致灰塵的粘著，但是分析表明在月球上主要的灰塵粘附因素是靜電吸附。有4種力能導致塵埃的粘著，即：范德瓦爾斯力，毛細作用力，機械咬合力和靜電場力。范德瓦爾斯力是這幾種力中最強的力，但是，它和距離成正比，意思就是說它只會對非常小的（小于1 μm）顆粒在極端接近表面的距離（小于10-10m）才是非常顯著的。如果顆粒具有任何可以觀察到的尺寸（大于1 μm）顆粒將不會表現(xiàn)出這個力，它們將會堆積在粗糙的表面。毛細作用力的產生是由于顆粒和表面之間存在著濕氣，在月球（或者火星）表面幾乎找不到潮濕的顆粒，所以這種力是不可能提供的。機械作用力時由于塑料變形或者鋸齒顆粒鑲入材料表面，月塵顆粒是非常堅固的并且月塵顆粒是不可能發(fā)生塑料形變的，所以機械作用力也不是月塵堆積的粘著力。

綜上分析，月球塵埃顆粒僅存的能夠形成粘著力的力就是靜電場力，靜電場力在任何帶電顆粒上的形式表現(xiàn)為：F=QE在任何不帶電的顆粒上可以表示為微分電場力，其中為電場的綜合變化強度，為感應電偶極距。

對于球形顆粒電偶極距可以表示為

式中 εm為介質的介電常數(shù)；a為顆粒半徑；fCM為Clausius-Mossotti因子

式中 ε*p和 εm*為顆粒和介質各自的綜合介電常數(shù)。靜電力作用在顆粒上表現(xiàn)在3個階段：近距離，遠距離和中間，這是適合于月球、火星甚至地球上的帶電顆粒的規(guī)律。因為月表干燥的環(huán)境，帶電的塵埃顆粒會被激發(fā)，此種特性導致它們具有粘著特性。

在月球上有多種方式可使塵埃帶電，比如熱電子和來自太陽風的質子等原因的離子帶電，太陽在外輻射和軟X射線的光電效應，附著在顆粒外殼上的光電子形成的光電子帶電，地球磁尾和來自銀河射線撞擊月表顆粒的高能電子的捕獲。在探月中涉及最重要的帶電機制是摩擦起電或者帶電材料導致的間接帶電，而機械運動的行為是足夠讓塵埃帶電而不管材料之間是否接觸。

因此解決月球表面的塵埃帶電的主要問題是：1）在塵埃表面能累積多少電荷；2）電荷在塵埃表面能夠持續(xù)多久；3）這些塵埃能否用傳統(tǒng)和非傳統(tǒng)的方式移除。

這些帶電顆粒性質問題可以分為：體電阻率、電荷衰退、荷質比或帶電能力、介電性能。其中荷質比是這些量中最容易原位監(jiān)測的因素，也是最可行的。

因此，作者提出一種可以原位監(jiān)測帶電月塵顆粒電荷和質量比的裝置設計，并提出地面模擬實驗方案。

3 設計原理

整個測試系統(tǒng)用來測試帶電顆粒的荷質比，由電荷監(jiān)測和質量監(jiān)測兩部分組成。電荷監(jiān)測單元是基于法拉第電磁感應，對于無限長中空圓柱體軸向通過恒定均勻自由電流，在圓柱體表面形成的感應電流強度為

式中 μ為中空圓柱體材料磁導率；μ0為真空磁導率常數(shù)；r1為圓柱體內半徑；r2為中空圓柱體外半徑；jf為軸向通過中空圓柱體電流密度。

當帶電顆粒穿過固定長度中空圓柱體電容器中心軸時，由于電磁感應效應，等量的反相感應電荷將會在圓柱體表面上產生，通過測量圓柱體上感應電勢V和已知圓柱體的電容C，便能計算出通過圓柱體中心的帶電粒子的電荷量Q=CV。

質量監(jiān)測單元中，當月塵顆粒在石英晶體微量天平（QCM）電極上沉積（質量增加）時，石英晶體的振蕩頻率會降低[3]。這種情況符合Sauerbrey公式

式中 f為石英晶片的諧振頻率；ρ為石英晶體的密度；ν為垂直于晶體表面的剪切波速；A為晶片面積。

通過對頻率變化△f的監(jiān)測即可獲得晶片上沉積的月塵顆粒質量△m。沿中空圓柱體的軸向通過的帶電月塵顆粒沉積在QCM探測器上的質量為m，則帶電月塵顆粒的荷質比為。探測器設計原理如圖1所示。

圖1 帶電月塵荷質比測試原理

由黃銅制成的圓筒形電容器其內徑0.1595 cm、外徑0.1875 cm、長度為1 cm。電容器被另外一個內徑為0.347 cm的圓形黃銅支架包裹，支架與電容器之間填充不導電的聚四氟乙烯，保證電容器不被外界干擾。在電容器上方有3個圓盤形柵板，柵板中心是直徑為0.033 cm的柵孔，柵孔的圓心在圓筒形電容器的中心上，所以帶電粒子只有通過3個柵板才能進入電容器，從而保證通過柵板的帶電粒子通過電容器的中心。電容器正下方是QCM探頭，QCM探頭晶片直徑為1.270 cm，電極直徑為0.635 cm。整個探測器按照圖1所示的位置關系被封裝在密封金屬盒中。

圓筒電容器的電容是4.5 pF，這個電容與外部一個固定的3.0 pF的電容相連形成一個分壓器，感應電壓就會通過一個50倍的信號放大器放大，感應電壓的信號放大電路是由MECA靜電子計組成。圖2所示為電荷測試基本電路。

圖2 帶電粒子的電荷測試電路

放大器是用2個相同的光電倍增管構成，放大器的放大率是由2個外部電阻的比值和分壓器決定。測試結果波峰值即為感應電動勢，則通過Q=CV可以計算出感應電荷的量，電容器上的感應電荷量與粒子所帶電荷大小相等。該裝置精確率可以測到單電荷的電荷量。

QCM的基準頻率為15 MHz，在電極上涂覆了使QCM頻率變化在QCM本征頻率2%之內的真空脂薄的膜，QCM反應靈敏度為2.325×10-9g/cm2·Hz[4]。這與15M石英晶片的理論值在理論上的測量靈敏度可以達到的 1.96×10-9g/cm2·Hz在同一個數(shù)量級。

整個傳感器與信號采集電路組裝在一起就可以形成一個結構簡單的帶電月塵顆粒荷質比探測器，信號采集電路所用器件和探測器組裝盒可以根據(jù)航天器需要選擇和設計。

4 地面實驗設計

從阿波羅帶回的月壤樣品分析表明，它由SiO2、Al2O3、CaO、FeO、MgO、TiO2等成分組成，主要成分SiO2占44.72%,Al2O3占14.86%，月塵顆粒的密度為3 g/cm3[2]。在實驗中我們將使用由中國科學院貴陽地球化學研究所與國家天文臺合作研制的低鈦玄武質模擬月壤（CLRS-1）標準樣品[5]，該樣品與Apollo14號采集回來的月球樣品具有相似的化學成分、礦物組成和物理性質。

將模擬月壤樣品通過50 μm孔徑篩網篩選出顆粒直徑小于50 μm的樣品作為實驗用的模擬月塵。實驗時將模擬月塵顆粒裝入揚塵裝置，模擬月球車車輪的方式將模擬月塵揚出，轉軸上具有容易帶電的金屬顆粒，會由于摩擦使得月塵顆粒帶電，整個系統(tǒng)置于真空室中。實驗設備如圖3所示。

圖3 地面模擬標定實驗設備示意圖

經過在地面模擬月球真空環(huán)境對帶電塵埃顆粒的測量進行技術定標，對探測器的穩(wěn)定性進行環(huán)境實驗。

5 結論

月球上主要的灰塵粘著因素是靜電吸附。通過作者提出的方法，可以將月表帶電的月塵顆粒電荷質量比測量出來，為分析月表的月塵顆粒的帶電性質提供依據(jù)。作者提到的傳感器有以下優(yōu)點：

（1）結構設計簡單，主要有圓形柵板、中空圓柱電容器、QCM三部分組成；

（2）尺寸很小，結合信號采集電路和組裝盒，探測器可以設計的很?。?/p>

（3）圓形電容器和QCM都是反應相當靈敏的傳感器，則整個探測器的靈敏度也會相當高，電容器單元可以檢測到單個電荷的電量，QCM靈敏度可達2.325×10-9g/cm2·Hz。

基于以上優(yōu)點，該探測器可以裝在月球探測器上使用，結合其他探測器分析月塵的性質，這為將來月球登陸器和航天員艙外行走時月塵防護設計，以及對月球登陸器表面月塵的清理方案設計提供重要的參考數(shù)據(jù)。

[1]莊建宏，王先榮，馮杰.月塵對太陽電池的遮擋效應研究[J]，航天器環(huán)境工程，2010，27（4）:409～411.

[2]姚日劍，王先榮，王鹢.月球粉塵的研究現(xiàn)狀[J]，航天器環(huán)境工程,2008,25（6）:512～515.

[3]姚日劍，王先榮，王鹢.星用非金屬材料出氣成分測試分析[J]，真空低溫，2005,93（11）:98～103.

[4]馮 杰，王先榮，王鹢，等.空間用油脂材料原位質損測試及出氣成分分析方法[J],真空與低溫，2010,113（16）:81～84.

[5]鄭永春，王世杰，馮俊明，等.CAS-1 模擬月壤[J]，礦物學報，2007,27（3/4）:571～578.