CN102085920A - 低地轨道空间原子氧、紫外、电子综合环境地面模拟系统 - Google Patents

低地轨道空间原子氧、紫外、电子综合环境地面模拟系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低地轨道空间原子氧、紫外和/或电子综合环境地面模拟系统，包括真空容器、真空容器内下方设置有样品靶台运动机构、样品靶台运动机构上设置有可供其控制运动的样品靶台、样品靶台正前方对应真空容器的外侧设置有可控供入原子氧的原子氧源和外置紫外灯，真空容器的侧壁上开设有提供电子辐照的电子枪，样品靶台上的样品处在原子氧、紫外和/或电子的综合环境中。本发明能够为今后空间站、低轨道卫星等航天器材料的筛选提供地面综合环境模拟试验环境。

Description

低地轨道空间原子氧、紫外、电子综合环境地面模拟系统
技术领域
本发明主要应用于低地轨道空间综合环境的地面模拟，通过一定的技术手段构建航天器外表面材料及部件的原子氧、电子以及紫外综合环境的地面模拟试验系统。
背景技术
原子氧(Atomic oxygen，AO)环境是指低地球轨道(通常认为200～700km高度)上以原子态氧存在的残余气体环境。当航天器在低地球轨道环境中以7～8km/s的轨道速度飞行时，原子氧撞击表面的能量可达4～5eV，在这一过程中，原子氧与表面材料会发生复杂的物理、化学反应，造成材料的剥蚀和性能的退化，进而影响飞行器的寿命，更严重的会导致飞行任务的失效。目前原子氧效应的研究已成为空间低地球轨道环境效应研究的一个必不可少的组成部分。
除原子氧外，低地球轨道环境中紫外(Ultraviolet，UV)、真空紫外(Vacuum ultraviolet，VUV)辐射也会对航天器材料产生影响。尽管真空紫外辐照能在太阳总辐照能中所占比例很小，但其作用却十分重要。光子具有很高的能量(7.3～248eV)，能使地球高层大气强烈电离而形成电离层。航天器表面受它们的作用后会发生光电效应，使航天器表面带有静电，这将影响航天器内电子系统与磁性器件的正常工作。光子作用于材料将导致材料内的分子产生光致电离和光致分解效应，尤其会破坏航天器上高分子材料的化学键，使材料产生质量损失，使表面具有析气现象，使机械性能恶化，而且挥发性可凝物还会影响航天器上的光学器件和电子器件的正常工作，乃至使其失灵。当材料表面的分子吸收UV辐射或VUV辐射的能量后，就有可能发生化学键的断裂，并引发相应的物理和化学变化，从而对材料的结构和性能带来影响。
低地球轨道航天器在飞行过程中将会遭到原子氧和紫外的辐照，这种综合的空间环境会造成航天器表面材料性能的退化，可能危及航天器运行的安全或降低航天器的使用寿命。诸如热控涂层，多层绝缘体和光学表面等敏感表层材料尤其易受影响，微小的表面性能变化将会对它们的功能产生较大的影响。此外，化学键的断裂，还会在材料表面生成一些新的反应基，从而促进了原子氧对材料的剥蚀。
地球辐射带中的高能带电粒子、银河宇宙线和太阳耀斑喷发出的太阳宇宙线，它们的能量高，有一定的贯穿能力和破坏能力。高能电子照射到物体表面，破坏表面物质的晶体结构，造成缺陷或使表面物质的分子、原子电离，从而改变其性能。高能电子受物质阻挡而减速，并将发出韧致X射线，它比带电粒子有更大的穿透本领，进入飞行体内部，对舱内仪器或航天员造成不良影响。高能电子容易在航天器外围的介质材料内部或者穿过航天器屏蔽层在其内部的介质材料上沉积。当这些介质材料表面与周围其他部件电位差或者沉积电荷产生的电场超过一定阈值时会发生放电现象，即深层充放电效应。介质材料深层放电可以影响材料的绝缘性能，产生的放电脉冲会干扰航天器上电子仪器的正常工作，严重时使航天器发生故障。高能电子也可能使航天器外部热控涂层材料的光学性能退化，导致航天器原有的热平衡遭到破坏，难以维持正常的热制度，从而直接或间接的造成航天器的可靠性下降，工作寿命降低。
在这些空间环境因素的作用下，广泛应用于航天器表面的薄膜材料会出现质量损耗(剥蚀)、表面氧化、光学及力学性能退化等失效形式，从而会直接或间接地造成航天器的可靠性下降、工作寿命降低。因此深入研究空间综合环境对薄膜材料的影响，不仅为航天器的长寿命、高可靠性也可为其他材料的研究提供参考。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低地轨道空间原子氧、紫外、电子综合环境地面模拟系统，该系统利用定向束流式原子氧源、低能电子枪及紫外灯等装置，通过调节样品靶台运动机构，使样品在一次试验中其它环境条件不间断的情况下同时受到原子氧、电子及紫外环境的作用，实现了低地轨道中主要空间环境的综合模拟。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种低地轨道空间原子氧、紫外和/或电子综合环境地面模拟系统，包括真空容器、真空容器内下方设置有样品靶台运动机构、样品靶台运动机构上设置有可供其控制运动的样品靶台、样品靶台正前方对应真空容器的外侧设置有可控供入原子氧的原子氧源和外置紫外灯，真空容器的侧壁上开设有提供电子辐照的电子枪，其特征在于，样品靶台上的样品处在原子氧、紫外和/或电子的综合环境中。其中，原子氧源采用磁镜位形微波电子回旋共振法产生氧等离子体，微波传输器件通过玻璃窗口与真空容器隔离以保证容器内的真空度，在磁镜场中心等离子体区放置大面积金属钼板并对其施加负偏压，该钼板加速并收集氧离子并将其中和为氧原子，氧离子基本按几何光学规律在钼板表面中和反射形成原子氧束，并击中样品靶台；外置紫外灯通过氟化镁窗口(可透过紫外)与真空容器隔离以保证容器内的真空度。
试验过程中容器内的真空度应优于2.0×10-2Pa；样品靶台的温度可控，一般试验过程中维持在25℃～30℃；原子氧束流密度一般应不低于1014atoms/(cm2·s)量级。
附图说明
图1为本发明的原子氧、紫外和/或电子的综合环境模拟设备示意图(俯视图)。
其中，1为原子氧源，2为外置紫外灯，3为样品靶台，4为样品靶台运动机构，5为真空容器，6为电子枪。
具体实施方式
以下通过一些具体的综合环境系统对本发明进行进一步的说明：
参照图1，本发明的低地轨道空间原子氧、紫外和/或电子综合环境地面模拟系统，包括真空容器5、真空容器5内下方设置有样品靶台运动机构4、样品靶台运动机构4上设置有可供其控制运动的样品靶台3、样品靶台3正前方对应真空容器5的外侧设置有可控供入原子氧的原子氧源1和外置紫外灯2，真空容器5的侧壁上开设有提供电子辐照的电子枪6，其特征在于，样品靶台上的样品处在原子氧、紫外和/或电子的综合环境中。具体来说，该系统中可呈现以下四种综合环境状态：
1、原子氧/紫外综合环境系统
将样品靶台安装于靶台运动机构上，调节运动机构，使载物平台位于(X，Y，Z)＝(87mm，250mm，0°)处。根据标定的原子氧束流密度结果，此位置的原子氧束流密度为7.5×1014atoms/(cm2·s)，紫外辐照度为2W/m2。
开启真空系统，使容器内的真空度达到试验要求。开启原子氧源和紫外灯，此时样品靶台暴露于原子氧与紫外的综合环境中，调节温度控制系统，使样品靶台温度维持在25～30℃之间。
2、原子氧/电子综合环境系统
将样品靶台安装于靶台运动机构上，调节运动机构，使载物平台位于(X，Y，Z)＝(82mm，350mm，42°)处。根据标定的原子氧束流密度结果，此位置的原子氧束流密度为4.0×1014atoms/(cm2·s)。调节低能电子枪，使电子辐照能量范围为10kV～50kV。
开启真空系统，使容器内的真空度达到10-4Pa量级。开启原子氧源和电子枪，此时样品靶台暴露于原子氧与电子的综合环境中，调节温度控制系统，使样品靶台温度维持在25～30℃之间。
3、紫外/电子综合环境系统
将样品靶台安装于靶台运动机构上，调节运动机构，使载物平台位于(X，Y，Z)＝(82mm，350mm，42°)处。根据标定结果，此位置的紫外辐照度为1W/m2。调节低能电子枪，使电子辐照能量范围为10kV～50kV。
开启真空系统，使容器内的真空度达到10-4Pa量级。开启紫外灯和电子枪，此时样品靶台暴露于原子氧与电子的综合环境中，调节温度控制系统，使样品靶台温度维持在25～30℃之间。
4、原子氧、电子和紫外综合环境系统
将样品靶台安装于靶台运动机构上，调节运动机构，使载物平台位于(X，Y，Z)＝(82mm，350mm，42°)处。根据标定结果，此位置的原子氧束流密度为4.0×1014atoms/(cm2·s)；调节低能电子枪，使电子辐照能量范围为10kV～60kV；该位置处的紫外辐照度为1W/m2。
开启真空系统，使容器内的真空度达到试验要求。开启原子氧源、紫外灯和电子枪，此时样品靶台暴露于原子氧、紫外和电子的综合环境中，调节温度控制系统，使样品靶台温度维持在25～30℃之间。
本发明通过采用合理的样品靶台结构设计并调节样品靶台运动机构，可以使样品同时获得与轨道环境近似的原子氧/紫外、原子氧与电子、紫外/电子、以及同时经历原子氧、紫外和电子等综合环境。本发明能够为今后空间站、低轨道卫星等航天器材料的筛选提供地面综合环境模拟试验环境。
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种低地轨道空间原子氧、紫外和/或电子综合环境地面模拟系统，包括真空容器、真空容器内下方设置有样品靶台运动机构、样品靶台运动机构上设置有可供其控制运动的样品靶台、样品靶台正前方对应真空容器的外侧设置有可控供入原子氧的原子氧源和外置紫外灯，真空容器的侧壁上开设有提供电子辐照的电子枪，其特征在于，样品靶台上的样品处在原子氧、紫外和/或电子的综合环境中，其中，原子氧源采用磁镜位形微波电子回旋共振法产生氧等离子体，微波传输器件通过玻璃窗口与真空容器隔离以保证容器内的真空度，在磁镜场中心等离子体区放置大面积金属钼板并对其施加负偏压，该钼板加速并收集氧离子并将其中和为氧原子，氧离子基本按几何光学规律在钼板表面中和反射形成原子氧束，并击中样品靶台；外置紫外灯通过氟化镁窗口与真空容器隔离以保证容器内的真空度。
2.如权利要求1所述的系统，其中，真空容器的真空度应低于2.0×10-2Pa。
3.如权利要求1所述的系统，其中，样品靶台的温度维持在25～30℃之间。
4.如权利要求1-3任一项所述的系统，其中，原子氧束流密度应不低于1014atoms/(cm2·s)量级。
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