電簾除塵技術的研究現狀

袁亞飛 劉 民 柏向春

(北京東方計量測試研究所,北京 100086)

1 引言

在月球表面懸浮著厚厚的一層由于長期環境作用而形成的微小粒子,粒子的平均直徑僅有40～130μm 。這些懸浮的微塵具有較低的導電率特性和較高的比表面積,在光電效應和太陽風的作用下很容易帶上靜電,并在相當長的時間內保持著帶電狀態。帶靜電的微塵具有很強的粘附性,粘附和堆積在任何與之接觸的裝置和設備上,造成視覺模糊、讀數錯誤、密封失效、機械堵塞、材料磨損、熱控失效、吸入過敏等諸多問題[1-3]。例如,Apollo-12 飛船的攝像頭因覆蓋一層月塵而視覺模糊;灰塵進入到Apollo-15 飛船的攝像頭驅動機構而致使其失效。因此,Apollo-16 飛船宇航員John Yong 曾說過:“重返月球的首要關心的問題是月球塵埃”[4-5]。

在火星上,風暴席卷著微小的塵埃布滿了整個火星表面,細小的微塵被吹浮到數千米的高空,并懸浮在那里長達數個月之久。這些微塵堆積在光學系統上使其視覺模糊,積聚在太陽電池翼表面上使其轉換效率降低。據“火星探路者”(Mars Pathfinder)測試結果表明:積聚和粘附在太陽電池翼上的塵埃使太陽電池翼的轉換效應每個火星日下降約0.28%。據估計兩年后,積聚物造成的太陽電池翼的電性能下降可達22%～89%之間[6-7]。

因此,微塵是月球和火星探測不得不解決的問題。針對月球和火星的特殊環境,除塵方法可分為自然除塵、機械除塵、電動機械除塵和靜電除塵幾大類,電簾靜電除塵技術因無接觸式運動結構、除塵效率比較高,近年來倍受關注。

電簾除塵最早于1967年出現在NASA 的除塵技術報告中,當時是為了解決Apollo 任務的除塵問題,但報告中并沒有進行深入探討[8]。直到20 世紀70年代,M asuda 等人在大氣環境中證明了利用電磁行波能夠搬運宏觀帶電微塵,即利用連接交流電源的平行電極產生行波的方法成功地進行無接觸式搬運微塵,微塵根據所帶電荷的極性順著或逆著電場的方向移動,最終被移除[9]。直到美國重返月球計劃的提出, 電簾除塵技術才引起廣泛的關注,NASA 有關試驗室已經進行了大量的試驗,并獲得了寶貴的數據。

本文主要在調研相關文獻的基礎上,闡述了電簾除塵技術的基本結構、基本原理、理論推導和影響除塵效率的因素等,可對我國研究電簾除塵技術有一定的參考作用。

2 基本結構

電簾由許多平行電極組成[18]。通常采用標準印刷電路板工藝的制作方法制作而成。在電極的表面噴涂一層聚酯薄膜,防止電極之間被擊穿。電簾一般可分為兩種:不透明的和透明的。不透明的一般以聚酯材料為襯底,以銅作為電極,表面噴涂聚酯薄膜。透明的是以玻璃或柔性聚酯材料為基底,以氧化銦錫(ITO)為電極,表面噴涂聚酯薄膜。如圖1 所示。透明的電簾可以作為火星太陽電池翼表面蓋板,也可以應用到其它的光學系統上[10]。

圖1 電簾的基本結構Fig.1 Basic st ructure of electrode screen

3 除塵原理

電極是由單相或多相時基電壓信號(正弦或方波)激勵。在單相電極模型中,如圖2 所示,單相電極植入襯底中,電極連接到單相電源上。當電源極性變換時,試驗板表面將產生相反的電場。結果是,單相電極在試驗板表面產生駐波電場,帶電粒子在駐波電場的作用下來回移動,而沒有定向移動,無法有效地從試驗板表面移除。Pierre Atten 和他的同事在火星模擬環境中驗證了單相電極也能部分的移除微塵,這主要是因為氣體放電的緣故[11]。

圖2 單相電簾模式Fig.2 Single-phase electrode screen

如圖3 所示,當電極連接到三相電壓信號時,將產生行波電場。圖3 中,A 相接正電壓(VA＞0V),B 相接地(VB=0V), C 相接負電壓(VC＜0V),正負電壓相等。帶電微塵在行波電場的作用下將沿著垂直于電極軸的方向定向移動,直到他們越過電極移動到電場強度比較小的地方。不帶電的微塵落在電簾表面,也會被移除。這是因為不帶電的微塵在降落到電簾的過程中通過靜電感應和摩擦而帶上某種電荷,從而被移除。或者是因為微塵在電簾的非均勻電場中被極化,產生電偶極矩,具有電偶極矩的微塵在非均勻電場中受的力統稱為介電泳力,微塵在介電泳力的作用下被移除[12]。同時,有人也驗證了在真空環境中和低重力情況下微塵也可以被有效地移除[13]。

圖3 三相電簾模式Fig.3 Three-phase electrode screen

4 理論推導

懸浮在電簾表面的帶電微塵所受的力包括電動力學、黏性阻力和重力[10,14-15],符合下列等式

其中:m 為微塵的質量;r 為微塵的位置;q 為微塵的帶電量;E 為電場強度;η為黏性系數;g 為重力加速度。

由于微塵的運動是耦合的、非線性的。上述等式很難得到精確的解析解。Masuda 等人通過假設微塵是擺動的提出了一種近似線性的解。利用數值方程模擬微塵的運行軌跡與精確測試的結果匹配得非常好[9]。

對不帶電的微塵,受到的平均介電泳力在時間和空間上都與電場強度有關

其中:E*為電場強度的復共軛;p 為感應電偶極矩。對于球形微塵,感應電偶極矩為

其中:εm 為介質的復介電常數;f CM 為Clausius-M ossotti(克勞修斯-莫索蒂)因子,可表示為

其中:εm為介質的復介電常數;εp為微塵的復介電常數。將式(3)代入到式(2)中,可求得可極化的球形微塵的平均介電泳力為

其中:EI為負的電位φI梯度;ER為負的電位φR梯度;Re(fCM)為fCM的實部。lm(fCM)為fCM的虛部。

這種力不僅可以作用在可極化的微塵也可以作用在雙極性的微塵(包含等量的正負電荷的微塵)上,這部分應該增加到力的等式中。如果微塵的介電常數小于周圍介質的介電常數,微塵將向電場梯度最小處移動,也就是遠離電簾的方向。然而,在大多數情況下,微塵的介電常數大于周圍介質的介電常數時,將被電極所吸引。在這種情況下,微塵在移向電簾的過程中將由于摩擦而獲得了一定電荷,在更大電場力的作用下將被抬起遠離電簾。

5 除塵效率

5.1 除塵效率定義

電簾的除塵效率(Clearing Factor, CF)定義為電簾加電15s 后剩余的微塵質量除以最初堆積電簾上微塵的質量。可以由下式表示[16]

其中:mi為堆積在電簾上的最初的質量;mf為電簾加電15s 后剩余的質量。

為了表征加電時間對除塵效果的影響,Rajesh Sharma[17]將除塵效率定義為電簾加電后剩余的微塵質量除以最初堆積在電簾上微塵的質量。這時公式(6)中mf表示為電簾加電后剩余的質量。

影響電簾除塵效率的主要因素有:激勵的電壓幅值、頻率和波形,電極的寬度與間距,連續加載以及施加電壓與旋轉微塵的順序等。

5.2 電壓和頻率對除塵效率的影響

采用標準印制電路板工藝制作的不透明電簾作為試驗電簾,施加電壓范圍為0～10kV,頻率范圍為0～1 000Hz。通過一系列的試驗,在加電15s后,測試除塵效率,可以得到電壓、頻率與移除效率之間的關系,如圖4 所示[16]。注意施加的電壓應該小于電極之間放電的電壓。通過圖4 可以看出,頻率是影響除塵效率的主要因素。但并不是頻率越高,除塵效率就越高。然而,頻率越高,卻越有利于防止微塵降落在電簾上。推薦的電壓為8kV,頻率為5～15Hz。

圖4 電壓和頻率對除塵效率的影響Fig.4 Variation of clearing factor with amplitude and frequency of signal

5.3 波形對除塵效率的影響

采用標準印制電路板工藝制作的不透明電簾作為試驗電簾,A.S.Biris 試驗了正弦、方波和三角波對除塵效率影響,試驗結果如圖5 所示[16]。從圖5中可以看出,正弦和方波幾乎有相同的效果,而三角波僅能夠移除很少的微塵。這種現象可以這樣理解:信號幅值增長的梯度是微塵移除最主要的因素。梯度越大,微塵越容易被移除。

圖5 波形對除塵效率的影響Fig.5 Clearing factor as function of the signal shape

5.4 電極寬度與間距對除塵效率的影響

C.I.Calle[12]利用標準印制電路板工藝制作了三個電簾, 電極寬度與間距分別是(0.6mm,2.0mm),(0.5mm,1.5mm)和(0.3mm,1.0mm),并在大氣環境和模擬火星環境中進行了除塵效率的試驗,試驗結果如圖6 和圖7 所示。試驗結果表明小的寬度和間距能更有效地移除微塵。

圖6 大氣環境下間距和寬度對除塵效率的影響Fig.6 Minimum voltage required for particle t ransport as a function of f requency for screens for various widths and spaces at atmospheric pressures

5.5 連續加載對除塵效率的影響

Rajesh Sharma[17]以ITO 作為電簾,電極寬度0.27mm,間距0.508mm。施加1 200V 的方波電壓,火星微塵模擬物采用JSC Mars-1。對電簾連續加電20～35min,微塵也連續的降落在電簾上。連續加載微塵的數量約等于火星一年內的積聚在同面積太陽電池翼上的微塵數量。試驗結果如圖8 所示。從圖上可以看出,即使在加載微塵最密集時,除塵效率也能達到90%以上。說明電簾能夠有效地保持表面的清潔。

圖7 模擬火星環境下間距和寬度對除塵效率的影響Fig.7 Minimum voltage required for particle transport as a function of frequency for screens for various widths and spaces at simulated Marian pressures 7 torr CO2

圖8 連續加載對除塵效率的影響Fig.8 DRE of EDS under screen energization with continuous loading

5.6 加電與放置微塵順序對除塵效率的影響

Rajesh Sharma[17]以同樣的電極, 做了加電與放置微塵順序的試驗。即每15min 加電一次,運行時間90min。加電與放置微塵順序對除塵效率的影響如圖9 所示。加電前放置微塵的效率為91.5%,加電后放置微塵的效率為97.6%。這主要是因為:加電前放置微塵,微塵已經降落到了電簾上,需要重新舉起微塵才能移除微塵。而加電后放置微塵,將會有部分微塵在沒有直接降落到電簾上就已經被移除了。因此,加電后放置微塵的除塵效率會更高一些。

6 結束語

圖9 加電與放置微塵順序對除塵效率的影響Fig.9 DRE of EDS with intermittent dust deposition and screen energization at every 15 min

電簾除塵技術主要是利用靜電力或介電泳力將微塵舉起并移離電簾基板,因不具有接觸式運動結構,除塵效率高而得到廣泛的關注,特別是透明的氧化銦錫(ITO)電簾對光學系統防護和太陽電池翼除塵具有很強的吸引力。

國外對電簾除塵技術已經進行了很多研究,國內還沒有正式開展這方面的研究,中國空間技術研究院在電簾除塵技術方面的研究也是剛剛起步。主要從以下三個方面著手開展電簾除塵技術的研究。

1)開展大氣環境中電簾除塵技術的試驗:解決電壓和頻率均可調的三相電源技術,設計完成試驗用電簾電源;在利用標準印制電路板工藝制作的電簾上,分析大氣環境中電壓幅值和頻率、電極寬度和間距等對除塵的效率影響;分析電簾的功耗;同時進行大氣環境中電簾除塵技術的仿真分析。

2)開展模擬月球環境或模擬火星環境中電簾除塵技術的試驗:在利用標準印制電路板工藝制作的電簾上和ITO 電簾上,分析電壓幅值和頻率、電極寬度和間距等對除塵的效率影響;分析電簾的功耗;測試ITO 電簾的透光率;同時進行電簾除塵技術的仿真分析。

3)努力爭取開展月球和火星電簾除塵技術的試驗。

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[1]S tubbs T J, Vondrak R R,Farrell W M .Impact of lunar dust on the exploration initiative dust in planetary systems[C]//36thAnnual Lunar and Planetary Science Conference.League City, Texas, USA, 2005

[2]Buhler C R , Calle C I, Clements J S.Test method for in-situ electrostatic characterization of lunar dust[C]//Aerospace Conference.2007 IEEE, 3-10 March 2007:1-19

[3]Gaier J R.The effects of lunar dust on Eva system s during the Apollo missions [R].NASA/TM 2005 21360

[4]Calle C I, Buthler C R.Controllable transport of particulate materials for in-situ characterization [R].IEEEAC paper #1635, Version 3, Updated December 8,2006

[5]Wagner S A.The Apollo experience lessons learned for constellation lunar dust management[R].NASA/TP 2006 213726 .

[6]Landis G, Jenkins P.Dust on Mars:materials adherence experiment results from mars pathfinder [C]//Proceedings of the 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference Anaheim CA, Sept.29-Oct.3 1997, :865-869

[7]Landis G, Jenkins P.Measurement of the settling rate of atmospheric dust on mars by the MAE instrument on Mars pathfinder [J].Geophysical Research, 2000, 105(E1):1855-1857

[8]Tatom F B, Srepel R D V , Johnson N A, et al.Lunar dust degradation effects and removal/prevention concepts[R].NASA,Vol.1,NASA-C R-93594,1967

[9]Masuda S, Aoyoma M, Masuda S.Characteristics of electric dust collector based on electric curtain[C]//Proceedings of the General Conference of the Institute of Electronic Engineers.Japan, 1971, No.821 Proc.of Albany Conference on Electrostatics(1971)

[10]Calle C I, Buthler C R.Controllable transport of particulate materials for in-situ characterization[R].IEEEAC paper #1635, Version 3, Updated December 8,2006

[11]Atten P, Hai Long Pan, Jean-Luc Reboud.Study of dust removal by standing-wave electric curtain for application to solar cells on Mars[R].0093-9994 IEEE IEEE Transactions on industry applications, 2009, 45(1)

[12]Calle C I, Buthler C R.Elect rodynamic dust shield for solar panels on Mars[J].Lunar and Planetary Science XXXV(2004)

[13]Calle C I, Buthler C R.Reduced gravity flight demonstration of the dust shield technology for optical system s[R].IEEEAC parper #1510, Version 2, Updated November 17, 2008

[14]Masuda S, Washizu M, Iwadare M.Separation of small particles suspended in liquid by non-uniform t raveling field [R].IEEE Transactions on Industry Applications, Vol IA-23, No 3, May/June 1987, 0093-9994/87/0500-0474 1987 IEEEE

[15]H u D, Balachandran W, Machow ski W.Computer user interface and simulation for designing a travelling w ave panel electrode[R].0-7803-1993-1/94, 1994 IEEE

[16]Biris A S, Saini D.Electrodynamics removal of contaminant particles and its application[R].IAS 2004, 0-7803-8486-5/04 2004 IEEE

[17]Sharma R, Wyatt C A.Experimental evaluation and analysis of electro dynamic screen as dust mitigation technology for future Mars missions[J].IEEE Transactions on Industry Applications, IEEE, 2009,45(2)

[18]曹紅杏,阮萍, 李婷,等.光學系統的月塵防護方法綜述[J].科學技術與工程, 2007, 20(7)