CN103940741A

CN103940741A - 一种航天材料深空环境紫外线辐照实验模拟装置及方法

Info

Publication number: CN103940741A
Application number: CN201410156225.6A
Authority: CN
Inventors: 姚文清; 曹江利; 李云双
Original assignee: Tsinghua University; University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: Tsinghua University; University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2014-04-17
Publication date: 2014-07-23

Abstract

本发明公开了属于辐照模拟实验设备技术领域的一种航天材料深空环境紫外线辐照实验模拟装置及方法，利用组合泵、分子泵与机械泵组成的真空控制系统，将真空腔室内的真空度控制为10^-8Pa级，并使用氘灯作为光源，控制紫外辐照的波长范围为160～400nm，紫外辐照的强度范围为18.2～102.5μw/cm²。这些参数与深空环境紫外线参数相吻合。本发明解决了现有技术中只能模拟高真空紫外辐照，实现了在超高真空下进行紫外辐照模拟实验，能够客观、真实地反映深空环境中紫外线辐照对航天材料结构与性能的影响。

Description

一种航天材料深空环境紫外线辐照实验模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及辐照模拟实验设备技术领域，具体涉及一种航天材料深空环境紫外线辐照实验模拟装置及方法。

背景技术

卫星与航天器在深空环境中不可避免地长期暴露于空间辐射场中，其中紫外线辐射对航天材料具有较大的损伤作用，会引起有机材料变脆，产生表面裂纹、皱缩等，使机械性能下降。紫外辐照还会使聚合物基体严重变色，影响光学性能。最终会引起某些元器件的损伤，而造成航天器失效。因此航天材料与元器件需要通过空间环境辐照实验，以确保其可靠性，避免因损伤造成航天器的失效。

为了便于研究和开展深空环境实验，现有空间环境辐照模拟设备主要是针对低地球轨道环境，常规模拟装置真空度一般约为10^-4Pa，紫外辐照源多为普通紫外杀菌灯，波长范围可靠性低，且模拟技术复杂。

本发明能够针对现有技术的缺点，提出了一种在深空环境的超高真空条件下进行紫外辐照模拟实验的方法及装置，使模拟环境的真空度达到10^-8Pa级，并使用氘灯光源，其波长范围为160～400nm，与深空环境紫外线参数相吻合，能够客观、真实地反映深空环境中紫外线辐照对航天材料结构与性能的影响。

发明内容

为了客观真实的反映深空环境中紫外辐照对航天材料及元器件的影响，本发明提供了一种深空环境紫外线辐照模拟装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种航天材料深空环境紫外线辐照实验模拟装置，该装置包括真空控制系统和真空腔室1；上述真空控制系统包括组合泵18、分子泵13和机械泵14；上述组合泵18由射频离子泵和升华泵组成，组合泵18经真空管道17与真空腔室1相连；分子泵13的一侧经相应管路及手动挡板阀12与真空腔室1相连，另一侧与机械泵14相连；上述真空腔室1内的顶部设有氘灯3，氘灯3与氘灯固定调节杆2相连，并且其通过相应的导线经氘灯法兰接口8与装置外部的氘灯控制电源9相连，氘灯3的下方设有样品台4。

上述样品台4包括样品台陶瓷底片24以及设置在底片24上的一对样品固定杆19，样品固定杆19上设有金属卡片23，通过样品固定杆19和金属卡片23将航天材料样品固定在样品台4上。

上述样品台陶瓷底片24的下表面分布有温度控制线21和热电阻丝22，温度控制线21与热电阻丝22相连，热电阻丝22经加热法兰口与装置外部的加热变压器10相连；样品台陶瓷底片24内部设有测温线20，测温线20经加热法兰口与装置外部的温度控制显示器11相连，测温线20通过热电偶测量样品台陶瓷底片24的温度；上述加热变压器10与温度控制显示器11相连，通过温度控制显示器11可以监测和控制样品台4的温度。

上述真空腔室1上设有真空规16，用于测量真空腔室1内的真空度。

上述真空腔室1上装有观察窗15，该观察窗15为密闭和透视的，与样品台4的位置相对，可以用于观察真空腔室1的内部，即时监测深空环境紫外线辐照实验的进程。

上述真空腔室1经气氛针阀6与气氛瓶7相连，通过改变气氛瓶7内的气体种类及调节气氛针阀6控制真空腔体1内的气氛种类及含量。

上述真空腔室1上设有进取样品法兰接口5，其与样品台4相连，打开法兰接口5后，可以对样品台4进行安装和拆卸，即可以在拆下样品台4后将航天材料样品固定于样品台4上，再重新安装样品台4，然后拧紧法兰接口5。

一种上述航天材料深空环境紫外线辐照实验模拟装置的使用方法，具体步骤如下：

（1）将航天材料样品置于样品台4上；

（2）打开手动挡板阀12，启动机械泵14，待真空腔室1内的真空度降至10Pa以下时，开启分子泵13，待真空腔室1内的真空度达到5.0×10^-5Pa以下时，开启组合泵18，使真空腔室1内的真空度达到5.5×10^-8Pa以下；

（3）启动氘灯控制电源9，通过氘灯固定调整杆2调节氘灯3与样品台4上航天材料样品的距离，从而控制样品受到的紫外辐照强度，进行深空环境紫外线辐照实验；

（4）模拟实验结束后，依次关闭手动挡板阀12、组合泵18和分子泵13，待分子泵13的转速为0时，关闭机械泵14；

（5）关闭氘灯控制电源9，打开手动挡板阀12，对真空腔体1内通气，待真空腔室1的真空度恢复到常压，取出样品；

（6）对经深空环境紫外线辐照实验处理后的样品进行分析和失效评估。

步骤（3）中氘灯3发出的光的波长范围为160～400nm。

步骤（3）中通过调节上述氘灯固定调节杆2，使样品台4上的样品受到的紫外辐照强度范围为18.2～102.5μw/cm²；其中，氘灯3与样品之间的距离的优选范围为1-10cm。

步骤（6）中的分析为使用俄歇电子能谱、X射线光电子能谱、原子力显微镜或扫描电子显微镜进行分析。

本发明的有益效果如下：与现有空间环境模拟器相比，本发明能够实现超高真空的深空环境，真空度可达10^-8Pa，氘灯发出的光的波长范围为160～400nm，紫外辐照的强度范围为18.2～102.5μw/cm²，与深空环境紫外线参数相吻合，能够模拟深空空间环境的温度循环及气氛环境，本发明能够更真实地模拟深空环境中紫外辐照对航天材料与元器件的影响，提高航天材料深空环境下的可靠性，具有十分重要的意义。

附图说明

图1为航天材料深空环境紫外线辐照实验模拟装置的结构示意图；

图2为样品台平面局部剖视示意图；

图3为样品台侧面局部剖视示意图；

图中：1-真空腔体；2-氘灯固定调整杆；3-氘灯；4-样品台；5-进取样品法兰接口；6-气氛针阀；7-气氛瓶；8-氘灯法兰接口；9-氘灯控制电源；10-加热变压器；11-温度控制器；12-手动挡板阀；13-分子泵；14-机械泵；15-观察窗；16-真空规；17-真空管道；18-组合泵；19-金属固定杆；20-测温线；21-温度控制线；22-热电阻丝；23-金属卡片；24-样品台陶瓷底片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。

本发明的航天材料深空环境紫外线辐照实验模拟装置的结构示意图如图1所示，该装置包括真空控制系统和真空腔室1。其中，真空控制系统包括组合泵18、分子泵13和机械泵14，组合泵18由常规的射频离子泵和升华泵组成，组合泵18与真空腔室1之间连有真空管道17；分子泵13的一侧经相应管路及手动挡板阀12与真空腔室1相连，另一侧与机械泵14相连。本发明的装置还设有紫外辐照控制装置，包括氘灯3、氘灯固定调整杆2与氘灯控制电源9，氘灯3设在真空腔室1内的顶部，氘灯3与顶部的氘灯固定调节杆2相连，并通过相应的导线经氘灯法兰接口8与装置外部的氘灯控制电源9相连，在氘灯3的下方设有样品台4。氘灯3发出的光的波长范围为160～400nm，通过氘灯固定调节杆2可以将氘灯3与样品台4上样品的距离控制为1cm-10cm，从而使样品台上的样品受到紫外辐照的强度控制为18.2～102.5μw/cm²，实现深空环境中紫外线辐照实验。

另外，在真空腔室1的表面设有真空规16，可以用于测量和观察真空腔室1内的真空度，且在表面还设有密闭透视的观察窗15，可以用于观察装置内部及实验情况。真空腔室1上还设有进取样品法兰接口5，打开法兰接口5后，可以对样品台4进行安装和拆卸，拆下样品台4后，将航天材料样品置于样品台4上，重新安装样品台4，然后拧紧法兰接口5。真空腔室1经气氛针阀6与气氛瓶7相连，通过改变气氛瓶7内的气体种类及调节气氛针阀6控制真空腔体1内的气氛种类及含量，实现深空环境的气氛模拟。

样品台4的平面局部剖视示意图与侧面局部剖视示意图如图2和图3所示，可以发现样品4包括样品台陶瓷底片24以及设置在底片24上的一对样品固定杆19，样品固定杆19上设有金属卡片23，通过样品固定杆19和金属卡片23将航天材料样品固定在样品台4上。

在样品台陶瓷底片24的下表面分布有温度控制线21和热电阻丝22，温度控制线21与热电阻丝22相连，热电阻丝22经加热法兰口与装置外部的加热变压器10相连；样品台陶瓷底片24内部设有测温线20，测温线20经加热法兰口与装置外部的温度控制显示器11相连，测温线20可以通过热电偶测量样品台陶瓷底片24的温度，并由显示器11显示具体温度；另外，加热变压器10还与温度控制显示器11相连，通过对温度控制器11进行设定，再启动加热变压器10，从而对待测样品的温度进行调节并控制其作用时间，实现深空环境的温度循环模拟。其中，样品4上关于温度的控制与采集装置，均可以通过常规的商业途径购得。

实施例1

使用本发明的航天材料深空环境紫外线辐照实验模拟装置进行实验，具体步骤如下：

（1）打开进取样品法兰接口5，拆卸样品台4，在样品台4上放置实验样品后，重新安装样品台4，拧紧进取样品法兰接口5。

（2）打开手动挡板阀12，启动机械泵14，待真空腔室1内的真空度降至10Pa以下时，开启分子泵13，待真空腔室1内的真空度降至5.0×10^-5Pa以下时，开启组合泵18，控制真空腔室1内的真空度达到5.5×10^-8Pa。

（3）启动氘灯控制电源9，通过氘灯固定调整杆2调节氘灯3与样品台4上航天材料样品的距离，从而控制样品受到的紫外辐照强度，可以设置一系列不同的紫外辐照作用时间，进行深空环境紫外线辐照实验；

（4）模拟实验结束后，首先关闭手动挡板阀12，再依次关闭组合泵18和分子泵13，待分子泵13的转速为0时，关闭机械泵。

（5）关闭氘灯控制电源9，打开手动挡板阀12，对真空腔体1内通气，待真空腔室1的真空度恢复到常压时，取出样品；

（6）对实验处理后的样品分别利用大型表面分析仪器俄歇电子能谱、X射线光电子能谱、原子力显微镜、扫描电子显微镜等对航天材料表面及界面进行分析研究。

（7）根据步骤（6）的分析结果，对实验样品进行综合失效评估。

Claims

1.一种航天材料深空环境紫外线辐照实验模拟装置，其特征在于，所述装置包括真空控制系统和真空腔室（1）；所述真空控制系统包括组合泵（18）、分子泵（13）和机械泵（14）；所述组合泵（18）由射频离子泵和升华泵组成，组合泵（18）通过真空管道（17）与真空腔室（1）相连；所述分子泵（13）的一侧经相应管路及手动挡板阀（12）与真空腔室（1）相连，另一侧与机械泵（14）相连；所述真空腔室（1）内的顶部设有氘灯（3），氘灯（3）与氘灯固定调节杆（2）相连，并且其通过相应的导线经氘灯法兰接口（8）与氘灯控制电源（9）相连，氘灯（3）的下方设有样品台（4）。

2.根据权利要求1所述的航天材料深空环境紫外线辐照实验模拟装置，其特征在于，所述样品台（4）包括样品台陶瓷底片（24）以及设在底片（24）上的一对样品固定杆（19），样品固定杆（19）上设有金属卡片（23）。

3.根据权利要求2所述的航天材料深空环境紫外线辐照实验模拟装置，其特征在于，所述样品台陶瓷底片（24）的下表面分布有温度控制线（21）与热电阻丝（22），温度控制线（21）与热电阻丝（22）相连，热电阻丝（22）经加热法兰口与加热变压器（10）相连；样品台陶瓷底片（24）内部设有测温线（20），测温线（20）经加热法兰口与温度控制显示器（11）相连；所述加热变压器（10）与温度控制显示器（11）相连。

4.根据权利要求1所述的航天材料深空环境紫外线辐照实验模拟装置，其特征在于，所述真空腔室（1）上设有真空规（16）。

5.根据权利要求1所述的航天材料深空环境紫外线辐照实验模拟装置，其特征在于，所述真空腔室（1）上设有的观察窗（15）。

6.根据权利要求1所述的航天材料深空环境紫外线辐照实验模拟装置，其特征在于，所述真空腔室（1）经相应管路及气氛针阀（6）与气氛瓶（7）相连。

7.根据权利要求1所述的航天材料深空环境紫外线辐照实验模拟装置，其特征在于，所述真空腔室（1）上设有进取样品法兰接口（5），其与样品台（4）相连。

8.一种权利要求1所述的航天材料深空环境紫外线辐照实验模拟装置的使用方法，其特征在于，具体方法的步骤如下：

（1）将航天材料样品置于样品台（4）上；

（2）打开手动挡板阀（12），启动机械泵（14），待真空腔室（1）内的真空度降至10Pa以下时，开启分子泵（13），待真空腔室（1）内的真空度降至5.0×10^-5Pa以下时，开启组合泵（18），使真空腔室（1）内的真空度达到5.5×10^-8Pa以下；

（3）启动氘灯控制电源（9），通过氘灯固定调整杆（2）调节氘灯（3）与样品台（4）上航天材料样品之间的距离，从而控制样品受到的紫外辐照强度，进行深空环境紫外线辐照实验；

（4）模拟实验结束后，依次关闭手动挡板阀（12）、组合泵（18）和分子泵（13），待分子泵（13）的转速为0时，关闭机械泵（14）；

（5）关闭氘灯控制电源（9），打开手动挡板阀（12），对真空腔体（1）内通气，待真空腔室（1）的真空度恢复到常压时，取出样品；

（6）对经深空环境紫外线辐照实验处理的样品进行分析和失效评估。

9.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，步骤（3）中所述氘灯（3）发出的光的波长范围为160～400nm。

10.根据权利要求8所述的使用方法，其特征在于，步骤（3）中所述紫外辐照强度的范围为18.2～102.5μw/cm²。