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天琴电荷管理系统研制与测试

洪葳,  李泓钢,  白彦峥,  周泽兵

洪葳, 李泓钢, 白彦峥, 周泽兵. 天琴电荷管理系统研制与测试[J]. 中国光学(中英文), 2026, 19(5): 1180-1188. doi: 10.3724/CO.2026-0087
引用本文: 洪葳, 李泓钢, 白彦峥, 周泽兵. 天琴电荷管理系统研制与测试[J]. 中国光学(中英文), 2026, 19(5): 1180-1188. doi: 10.3724/CO.2026-0087
HONG Wei, LI Hong-gang, BAI Yan-zheng, ZHOU Ze-bing. Development and testing of the charge management system for tianqin Project[J]. Chinese Optics, 2026, 19(5): 1180-1188. doi: 10.3724/CO.2026-0087
Citation: HONG Wei, LI Hong-gang, BAI Yan-zheng, ZHOU Ze-bing. Development and testing of the charge management system for tianqin Project[J]. Chinese Optics, 2026, 19(5): 1180-1188. doi: 10.3724/CO.2026-0087

天琴电荷管理系统研制与测试

cstr: 32171.14.CO.2026-0087
基金项目: 国家重点研发计划(No. 2021YFC2202504,No. 2022YFC2204102);国家自然科学基金面上项目(No. 1257051822)
详细信息
    作者简介:

    洪 葳(1986—),男,广西桂林人,研究员,主要从事空间惯性传感器电荷管理与智能诊断研究。2010年和2016年于北京航空航天大学分别获得机电工程专业的工学学士、博士学位。2016年至2018年,在新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院担任研究员。自2018年起,入职华中科技大学物理学院。E-mail: hongwei@hust.edu.cn

    李泓钢(1996—),男,河南驻马店人,博士后,主要从事空间惯性传感器电荷测量与调控研究。2018年于河南大学获得测控技术与仪器专业的工学学士学位,2024年于华中科技大学获得无线电物理专业的博士学位。自2024年起,在华中科技大学国家精密重力测量科学中心担任博士后。E-mail: hglee1327@hust.edu.cn

    白彦峥(1982—),男,河南新乡人,教授,主要从事空间惯性传感器集成与测试研究。2004年于华中科技大学测控技术与仪器专业获得学士学位,2010年于华中科技大学无线电物理专业获得博士学位。自2013年起,入职华中科技大学物理学院。E-mail:abai@hust.edu.cn

    周泽兵(1973—),男,湖北洪湖人,教授,主要从事空间惯性传感器、卫星重力测量以及引力波探测等研究。1995年于江汉石油学院获得电子仪器专业的工学学士学位,1998年于华中理工大学(现华中科技大学)获得理学硕士学位,2001于华中科技大学获得结构工程专业的工学博士学位。现为华中科技大学物理学院教授,国家精密重力测量科学中心主任,引力波探测团队负责人。E-mail:zhouzb@mail.hust.edu.cn

  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

Development and testing of the charge management system for tianqin Project

Funds: Supported by the National Key Research and Development Program of China (No. 2021YFC2202504, No. 2022YFC2204102); the National Natural Science Foundation of China (No. 1257051822)
More Information
    Corresponding author: abai@hust.edu.cn; zhouzb@mail.hust.edu.cn
  • 摘要:

    检验质量(TM)在轨存在高能粒子充电效应,从而干扰引力波探测。本文针对天琴计划的电荷管理需求,首先建立静电力模型,确定检验质量的电荷阈值上限为 2×10−13 C;然后设计基于紫外LED光源的电荷管理系统,并研制工程样机;最后构建基于精密扭摆的地面测试系统,用于评估电荷管理样机性能。实验结果表明:在2V、1 mHz的调制作用下,电荷测量的分辨率优于 2×10−14 C,电荷控制的分辨率约为 6×10−14 C,满足空间引力波探测需求。上述研究成果为天琴计划的实施提供了关键技术支持。

     

  • 图 1  天琴计划探测轨道示意图[14]

    Figure 1.  Schematic diagram of the detection orbit for the Tianqin project[14]

    图 2  检验质量在轨充电速率[13]

    Figure 2.  Test Mass on-orbit charging rate[13]

    图 3  检验质量二自由度模型

    Figure 3.  Test Mass 2-DOF model

    图 4  检验质量在轨噪声分析

    Figure 4.  Test mass on-orbit noise analysis

    图 5  电荷管理系统结构示意图

    Figure 5.  Structural diagram of the charge management system

    图 6  电荷管理电路结构示意图

    Figure 6.  Schematic diagram of charge management circuit

    图 7  光路设计示意图

    Figure 7.  Schematic diagram of optical path

    图 8  电荷管理样机

    Figure 8.  Charge management device

    图 9  电荷管理样机的紫外光性能

    Figure 9.  Ultraviolet performance of charge management prototype

    图 10  电荷管理地面测试系统示意图

    Figure 10.  Schematic diagram of charge management ground test system

    图 11  基于精密扭摆的地面测试装置

    Figure 11.  Ground testing device based on precision torsion pendulum

    图 12  扭摆的力矩分辨率

    Figure 12.  Torque resolution of torsion pendulum

    图 13  (a) 不同调制频率及 (b) 不同调制幅值的电荷测量分辨率结果[30]

    Figure 13.  Charge measurement resolution results under (a) different modulation frequencies and (b) different modulation amplitudes[30]

    图 14  检验质量充放电曲线标定结果。(a) 目标电势为−50 mV;(b) 目标电势为−100 mV

    Figure 14.  Calibration results of test mass's charge-discharge curve. (a) Discharge curve; (b) charge curve

    图 15  检验质量电荷控制结果。(a) 目标电势:−50 mV;(b) 目标电势:−100 mV

    Figure 15.  The charge control result of Test Mass. (a) target potential: −50 mV; (b) target potential: −100 mV

    表  1  光路传导系数

    Table  1.   Optical path transmission coefficient

    模型参数 理论值 实测值
    K1 发光转化系数(μW/mA) 15.00 13.13±4.49
    K2 光纤耦合系数 40% 36.07%±3.55%
    K3 光纤传输系数 80%
    K4 馈通耦合系数 100% 74.66%±4.05%
    K5 光子能量系数(/J) 1.28×1018 N.A.
    K6 表面吸收系数 66.48% N.A.
    K7 量子产率系数(e/Photon) N.A. (1.13±0.37)×10−5
    K8 电场调控系数 100% 50%±10%
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    表  2  不同电荷管理策略的光功率与电流需求

    Table  2.   Optical power and current demand for different discharge strategies

    放电方式 放电速率 紫外光功率 驱动电流
    快速放电 1×105 e/s 20 nW 5.9 μA
    连续放电 10~100 e/s 2~20 pW 0.59~5.9 nA
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  • [1] CAHILLANE C, MANSELL G. Review of the advanced LIGO gravitational wave observatories leading to observing run four[J]. Galaxies, 2022, 10(1): 36. doi: 10.3390/galaxies10010036
    [2] BARAUSSE E, BERTI E, HERTOG T, et al. Prospects for fundamental physics with LISA[J]. General Relativity and Gravitation, 2020, 52(8): 81. doi: 10.1007/s10714-020-02691-1
    [3] 王绪, 高雪荣, 李磐, 等. 太极计划中的不等臂干涉稳频方案设计及实验验证[J]. 中国光学(中英文), 2026, 19(4): 887-894. doi: 10.37188/CO.2022-0018

    WANG X, GAO X R, LI P, et al. Design and experimental verification of unequal-arm interferometric frequency stabilization scheme in taiji program[J]. Chinese Optics, 2026, 19(4): 887-894. (in Chinese). doi: 10.37188/CO.2022-0018
    [4] 王铖锐, 白彦峥, 蔡林, 等. 高精度静电惯性传感器[J]. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2023, 53(5): 250401.

    WANG CH R, BAI Y ZH, CAI L, et al. High precision electrostatic inertial sensor[J]. Scientia Sinica Physica, Mechanica & Astronomica, 2023, 53(5): 250401. (in Chinese).
    [5] 邓剑峰, 蔡志鸣, 陈琨, 等. 无拖曳控制技术研究及在我国空间引力波探测中的应用[J]. 中国光学, 2019, 12(3): 503-514. doi: 10.3788/CO.20191203.0503

    DENG J F, CAI ZH M, CHEN K, et al. Drag-free control and its application in China's space gravitational wave detection[J]. Chinese Optics, 2019, 12(3): 503-514. (in Chinese). doi: 10.3788/CO.20191203.0503
    [6] JAFRY. Y. R. Spurious Forces on the LISA Proof Masses Due to Electrostatic Charging.[J]. Advances in Space Research, 2003, 32(7): 1271-1275. doi: 10.1088/1361-6382/ad105a
    [7] WASS P J, SUMNER T J, ARAÚJO H M, et al. Simulating the charging of isolated free-falling masses from TeV to eV energies: detailed comparison with LISA Pathfinder results[J]. Physical Review D, 2023, 107(2): 022010. doi: 10.1103/PhysRevD.107.022010
    [8] LIU L, BAI Y Z, ZHOU Z B, et al. Measurement of the effect of a thin discharging wire for an electrostatic inertial sensor with a high-quality-factor pendulum[J]. Classical and Quantum Gravity, 2012, 29(5): 055010. doi: 10.1088/0264-9381/29/5/055010
    [9] ARMANO M, AUDLEY H, AUGER G, et al. Sub-Femto-g free fall for space-based gravitational wave observatories: LISA Pathfinder results[J]. Physical Review Letters, 2016, 116(23): 231101. doi: 10.1103/PhysRevLett.116.231101
    [10] BUCHMAN S, QUINN T, KEISER G M, et al. Charge measurement and control for the Gravity Probe B gyroscopes[J]. Review of Scientific Instruments, 1995, 66(1): 120-129. doi: 10.1063/1.1145276
    [11] LUO J, CHEN L SH, DUAN H Z, et al. TianQin: a space-borne gravitational wave detector[J]. Classical and Quantum Gravity, 2016, 33(3): 035010. doi: 10.1088/0264-9381/33/3/035010
    [12] 王智, 马军, 李静秋. 空间引力波探测计划-LISA系统设计要点[J]. 中国光学, 2015, 8(6): 980-987. doi: 10.3788/CO.20150806.0980

    WANG ZH, MA J, LI J Q. Space-based gravitational wave detection mission: design highlights of LISA system[J]. Chinese Optics, 2015, 8(6): 980-987. (in Chinese). doi: 10.3788/CO.20150806.0980
    [13] LEI CH, SU W, HONG W, et al. Simulation for the test mass charging rate in the Tianqin orbit[J]. Classical and Quantum Gravity, 2024, 41(2): 025001.
    [14] SU W, ZHOU Z B, WANG Y, et al. Evaluating residual acceleration noise for the TianQin gravitational waves observatory with an empirical magnetic field model[J]. Physical Review D, 2023, 108(10): 103030. doi: 10.1103/PhysRevD.108.103030
    [15] PENG J H, ZHANG J X, HONG W, et al. Acceleration noise due to space magnetic field for heliocentric gravitational wave detector[J]. Scientific Reports, 2025, 15(1): 23287. doi: 10.1038/s41598-025-04287-8
    [16] CHEN B X, HONG W, LI H G, et al. Using finite element simulation to evaluate charge measurement precision for space inertial sensors[J]. Measurement Science and Technology, 2024, 35(4): 045026. doi: 10.1088/1361-6501/ad1f2c
    [17] CHEN B X, LI Q Q, HONG W, et al. Effect of test mass position on the UV discharge rate of space inertial sensor[J]. IEEE Sensors Journal, 2025, 25(4): 6464-6472. doi: 10.1109/JSEN.2025.3525799
    [18] YANG F CH, HONG W, LI H G, et al. Adaptive charge control for the space inertial sensor[J]. Classical and Quantum Gravity, 2023, 40(7): 075004. doi: 10.1088/1361-6382/acb7d4
    [19] YANG F CH, ZHAO Y J, HONG W. Investigation of charge control methods for disturbances and parameter uncertainty in inertial sensor charge management system[J]. IEEE Sensors Journal, 2025, 25(16): 30906-30915. doi: 10.1109/JSEN.2025.3587823
    [20] YANG F CH, PEI SH X, HONG W. Reinforcement learning-based control of the charge management system in inertial sensors[J]. Acta Astronautica, 2026, 239: 391-403. doi: 10.1016/j.actaastro.2025.11.024
    [21] CHU L Y, BAI Y ZH, CHEN B X, et al. Optimizing electrostatic acceleration noise by precisely adjusting the differential potential between the electrodes and test mass for space inertial sensors[J]. International Journal of Modern Physics D, 2025, 34(1): 2450067. doi: 10.1142/S0218271824500676
    [22] RUAN Y D, LI H G, JIA J X, et al. High efficiency deep ultraviolet micro-LED and optical fiber coupling for low power charge management applications[J]. Optics & Laser Technology, 2025, 181: 111902. doi: 10.1016/j.optlastec.2024.111902
    [23] LI H G, YANG Q F, YANG F CH, et al. Coupling efficiency improvement of light source with a convex lens for space charge managements[J]. Optik, 2021, 248: 167999. doi: 10.1016/j.ijleo.2021.167999
    [24] LI H G, ZHOU R F, HONG W, et al. Micro-LED embedded UV discharge solution for space charge management[J]. IEEE Sensors Journal, 2025, 25(3): 5417-5424. doi: 10.1109/JSEN.2024.3520127
    [25] YANG F CH, BAI Y ZH, HONG W, et al. Investigation of charge management using UV LED device with a torsion pendulum for TianQin[J]. Classical and Quantum Gravity, 2020, 37(11): 115005. doi: 10.1088/1361-6382/ab8489
    [26] YANG F CH, ZHU Y, JIN X F, et al. Actuation system for inertial sensors in high-precision space missions using a torsion pendulum[J]. Physical Review D, 2024, 110(10): 102005. doi: 10.1103/PhysRevD.110.102005
    [27] YANG F CH, BAI Y ZH, HONG W, et al. A charge control method for space-mission inertial sensor using differential UV LED emission[J]. Review of Scientific Instruments, 2020, 91(12): 124502. doi: 10.1063/5.0013232
    [28] HONG W, CHEN B X, CHU L Y, et al. Research progress of charge management system for TianQin project[C]. Proceedings of the 7th International Workshop on the TianQin Science Mission, Springer, 2024: 119-126.
    [29] 柴国志, 黄亮, 乔亮, 等. 星上剩磁对惯性传感器的影响[J]. 中国光学, 2019, 12(3): 515-525. doi: 10.3788/CO.20191203.0515

    CHAI G ZH, HUANG L, QIAO L, et al. Effect of the on-board residual magnetism on inertial sensors[J]. Chinese Optics, 2019, 12(3): 515-525. (in Chinese). doi: 10.3788/CO.20191203.0515
    [30] LI H G, LI G L, HONG W, et al. Capacitive sensing-based charge measurement for space inertial sensors[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2024, 73: 6501509. doi: 10.1109/tim.2024.3351233
    [31] LIU Y CH, ZHOU Z B. Progress in the development of space inertial sensor for TianQin project[J]. International Journal of Modern Physics D, 2026, 35(5): 2540007. doi: 10.1142/S0218271825400073
    [32] ZHOU Z B, LIU Y L, ZHOU H, et al. Precision gravity measurement facility[J]. Frontiers of Engineering Management, 2025, 12(4): 1254-1258. doi: 10.1007/s42524-025-5505-0
    [33] ZHOU Z B, LIU L, TU H B, et al. Seismic noise limit for ground-based performance measurements of an inertial sensor using a torsion balance[J]. Classical and Quantum Gravity, 2010, 27(17): 175012. doi: 10.1088/0264-9381/27/17/175012
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-04-30
  • 修回日期:  2026-05-27
  • 录用日期:  2026-07-06
  • 网络出版日期:  2026-08-01

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