CN105785153B - 一种卫星表面充放电现象的模拟装置 - Google Patents
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Abstract
一种卫星表面充放电现象模拟装置，包括粒子束流产生装置、真空罐、真空保持子系统、粒子检测仪、测试数据子系统，其中：粒子束流产生装置用于产生低能粒子束流，粒子种类包括电子和离子，该粒子束流照射到试验样品之上；真空罐用于为模拟装置提供真空腔体空间；真空保持子系统用于保持真空罐的真空环境；粒子检测仪用于检测低能粒子束流以确定粒子输入是否正常；及测试数据子系统用于为模拟试验采集数据。
Description
技术领域
本发明涉及卫星受粒子辐射效应的地面模拟技术，尤其涉及一种用于模拟空间等离子体在卫星表面充放电现象的模拟装置。
背景技术
卫星表面由于空间等离子体的附着作用，会形成类似地面静电带电的表面充电，表面充电会造成卫星与空间环境之间存在电位差，此即卫星表面悬浮电位。当卫星表面与空间环境之间出现过大的电位差，例如，在静止轨道卫星可以造成负2万伏高压，这样就会造成卫星表面与空间环境之间或者表面不同部分之间由于电位差过大出现放电现象(即如地面的静电放电)，这可能造成卫星的仪器的测量结果不准。静电放电会释放出来电流脉冲、电磁脉冲及热脉冲，电流脉冲和电磁脉冲都会直接或间接耦合进卫星电子学系统，干扰甚至伤害卫星安全。针对卫星表面充放电的现象和危害，需要开展多方面工作，一方面需要在卫星上搭载表面充电的探测装置，另一方面就是需要开展地面理论和试验的研究，从而获得卫星表面充放电的宏观和微观特性及规律，以便为卫星在轨管理和故障诊断及卫星设计提供依据支撑。
开展卫星表面充放电的理论和地面试验研究，需要有一套地面模拟系统可以模拟太空中造成卫星表面充放电现象的低能粒子束流、真空环境以及试验所需的测试数据采集系统等。
发明内容
因此，针对以上需要，本发明提出一种卫星表面充放电现象的模拟装置，该模拟装置采用通过加热阴极灯丝等方式形成的电子束流，采用通过电子轰击气体方式或其他方式产生的离子束流，利用前述的电子束流和离子束流对置于真空环境中的试验样品进行照射，从而使试验样品发生充放电现象，以此来模拟卫星表面在太空中由于受到太空等离子体中低能粒子的碰撞而形成的表面充放电现象。针对卫星表面不同类型的材料和构型等的充电、放电特性产生的电流、电磁脉冲的信号检测后得到的数据进行处理和研究，从而在地面实现对太空中发生的卫星表面充放电现象进行模拟的研究。
根据本发明的一个实施例的卫星表面充放电现象模拟装置，包括粒子束流产生装置、真空罐、真空保持子系统、粒子检测仪、测试数据子系统，其中：粒子束流产生装置用于产生低能粒子束流，该粒子束流照射到试验样品之上；真空罐用于为模拟装置提供真空腔体空间；真空保持子系统用于保持真空罐的真空环境；粒子检测仪用于检测低能粒子束流以确定粒子输入是否正常；及测试数据子系统用于为模拟试验采集数据。
根据本发明的一个实施例的模拟装置，粒子束流产生装置包括呈圆筒状的与真空罐壁连接的电子束流产生装置和离子束流产生装置，电子束流产生装置通过紫外光照射阴极或者加热阴极灯丝方式形成电子束流，离子束流通过电子轰击方式产生离子束流，二者所产生的电子束流和离子束流照射到试验样品之上。
优选地，真空罐由不锈钢材料制成，其罐壁安装有监控摄像机，侧壁安装有可供观测的透明窗。
优选地，真空罐的底部安装有转台，所述转台为弱磁性，能够进行相应的移动，用来为试验样品和测试数据子系统提供适当的配合位置。根据一个实施例，转台包括托盘、支架及导轨，托盘用于放置试验样品，支架上安装试验样品及其它装置设备，导轨用于控制转台的移动。
根据一个实施例，真空保持子系统包括机械泵、分子泵、低温泵、检测仪和控制台，其中控制台用来控制机械泵、分子泵及低温泵有序地工作，机械泵用来初步地抽走真空罐中的空气，分子泵用来在机械泵之后进一步地抽走真空罐中的空气，而低温泵用来维持真空罐处于高度真空状态以便进行模拟试验。
根据一个实施例，测试数据子系统包括电位检测仪、电流检测仪、电磁脉冲检测仪及数据处理台，其中：电位检测仪用来在模拟试验过程中检测试验样品的电位变化，电流检测仪用来检测试验样品在试验过程中的电流泄放特性，电磁脉冲检测仪用来检测真空罐内的电磁环境背景并检测试验样品在静电放电过程中的空间电磁脉冲。
根据本发明的一个实施例，粒子(包括电子和质子)束流产生装置所产生的电子束流的能量范围为5keV到25keV、通量强度范围为103#/cm2到1011#/cm2,从而实现对于空间环境的不同活动状态的等离子体粒子的模拟。优选地，粒子束流产生装置所产生的束流到达试验样品位置处的束流横截面积不小于1mm2、截面以内粒子能量不均匀性小于200％，以使得模拟实验尽可能地模拟空间环境中卫星表面被大面积照射的情况。优选地，粒子束流产生装置至少可以连续地输出电子束流1分钟以上，以便于模拟太空不是激烈变化情况下卫星表面的充电行为。
根据本发明的一个实施例，真空罐的内部横截面积不小于10cm2，以便于安装可以开展充放电试验所需的设备，且真空罐的内壁光滑，内表面不平整度小于1cm。优选地，真空罐内设置不少于一个监控摄像机和不少于一个透明窗，以便于在试验的前、后可以随时观测罐内的各类情况。优选地，真空罐至少有一端有门，同时门的直径与真空罐内径相差在10％以内，以便于在试验前后试验样品的进出。
根据本发明的一个实施例，转台包括双导轨和双支架，双导轨用于使双支架相互独立地运行；并且其中一个支架用来安装粒子检测仪和电位检测仪，另一个支架安装有托盘，托盘用来盛放试验样品。优选地，转台和支架可以水平两个方向移动，具体来说，转台可沿真空罐轴线方向和垂直于轴线的方向移动，转台支架可以沿上下方向和真空罐的轴线方向移动，移动精度为不大于1cm，托盘可以在垂直方向移动，移动精度为不大于1cm，以便于尽可能地降低测量和试验的对准误差。
根据本发明的一个实施例，所述粒子检测仪的表面面积不小于粒子束流面积，并且粒子检测仪表面与束流管道出口垂直，误差小于30度，以尽量降低测量误差。
根据本发明的一个实施例，电位检测仪为非接触式电位检测仪，电位检测仪的探头表面与试验样品的距离不大于5cm，以尽量降低测量误差。
根据本发明的一个实施例，电流检测仪为静电计型弱电流检测仪。
根据本发明的一个实施例，电磁脉冲检测仪为宽波束天线，诸如球形天线等，在真空罐内设置数量不少于一个，以尽量提高电磁脉冲的被捕获概率。
根据本发明的一个实施例，真空罐在试验期间保持在10-3Pa以上的真空度，以降低残留气体对于粒子束流的干扰和低气压放电。
根据本发明的卫星表面充放电效应模拟装置的优点在于：可以为卫星表面充放电研究提供模拟太空等离子体粒子不同剧烈活动程度的试验环境，并且可以获得试验过程的试验样品的表面电位、泄放电流和电磁等各类数据，以便于进行各类研究，如可以用于表面充放电地面机理试验、故障复现诊断试验以及相关仪器的定标试验。
附图说明
图1为本发明的卫星表面充放电现象的模拟装置的结构原理框图。
图2为本发明的一个具体实施例的卫星表面充放电现象的模拟装置的结构示意图。
图3为图2沿A-A向的剖面示意图。
图4为本发明的卫星表面充放电现象的模拟装置的转台的一个具体实施结构的示意图。
图5为根据本发明的卫星表面充放电现象的模拟装置的真空保持子系统的一个具体实施结构的示意图。
图6为根据本发明的卫星表面充放电现象的模拟装置的测试数据子系统的一个具体实施结构的示意图。
附图标记
1、粒子束流产生装置 2、真空罐 3、监控摄像机
4、透明窗 5、试验样品 6、转台
7、电子束流产生装置 8、离子束流产生装置 9、测试数据子系统
10、真空保持子系统 11、电位检测仪 12、粒子检测仪
13、电流检测仪 14、支架 15、托盘
16、导轨 17、机械泵 18、分子泵
19、低温泵 20、真空检测仪 21、控制台
22、数据处理台 23、电磁脉冲检测仪
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的卫星表面充放电效应模拟装置进行详细说明。
图1为本发明的卫星表面充放电现象模拟装置的实现原理框图。图2和图3为本发明的一个实施例的卫星表面充放电效应模拟装置的结构示意图。如图所示，本发明的卫星表面充放电效应模拟装置包括粒子束流产生装置1、真空罐2、真空保持子系统10、粒子检测仪12、测试数据子系统9，其中粒子束流产生装置1用于产生低能粒子束流，该粒子束流照射到试验样品之上；真空罐2用于为本发明的模拟装置提供真空腔体空间；真空保持子系统10用于保持真空罐2的真空环境；粒子检测仪12用于检测低能粒子束流以确定粒子输入是否正常；及测试数据子系统9用于为模拟试验采集数据。
在图2和3的实施例中，粒子束流产生装置1包括呈圆筒状的与真空罐2的侧壁连接的电子束流产生装置7和离子束流产生装置8，为模拟试验提供包括电子束流和离子束流的粒子束流，以模拟太空等离子体粒子束流。
真空罐2由不锈钢材料构成，呈圆筒状，为模拟装置提供真空状态的模拟空间，以模拟太空的真空状态，其罐壁安装有监控摄像机3，侧壁安装有可供观测的透明窗4。
图2和3显示的本发明的实施例中，真空罐2的底部安装有转台6。图4为转台的一个具体实施结构的示意图。此实施例中，转台为弱磁性结构，通过转台的适当移动，可以为试验样品和测试仪器提供适当的配合位置。转台包括支架14、托盘15和导轨16，其中支架14其上可以安装粒子检测仪、电位检测仪及试验样品，托盘15用于放置试验样品，导轨16用于控制支架14的移动。
图5为本发明的一个实施例的真空保持子系统的具体实施结构的示意图。所述真空保持子系统10包括机械泵17、分子泵18、低温泵19、检测仪20和控制台21，其中，控制台21控制机械泵17、分子泵18及低温泵19有序地工作，且机械泵17用来初步地抽走真空罐2中的空气，分子泵18用来在机械泵17之后进一步地抽走真空罐2中的空气，而低温泵19用来维持真空罐2处于高度真空状态以便于进行模拟试验，真空检测仪20用于检测真空罐2的真空度，也即真空状态，以反馈给控制台21来控制机械泵17、分子泵18和低温泵19进行相应的工作。
图6为本发明的一个实施例的测试数据子系统的具体实施结构的示意图。所述测试数据子系统9的功能在于为模拟试验采集试验结果信号，该子系统包括电位检测仪11、电流检测仪13、电磁脉冲检测仪23及数据处理台22，其中：电位检测仪11用来在模拟试验过程中检测试验样品的电位变化，电流检测仪13用来在模拟试验过程检测试验样品的泄放电流，电磁脉冲检测仪23用来检测真空罐2内的电磁环境背景并检测试验样品在静电放电过程中的空间电磁脉冲。
在优选实施例中，粒子束流能量范围为5keV到25keV、通量强度范围为103#/cm2到1011#/cm2,从而实现对于空间环境不同活动状态的等离子体的模拟。优选地，粒子束流到达试验样品位置处的束流横截面积不小于1mm2、截面以内粒子能量的不均匀性小于200％，以便于模拟试验尽可能地模拟空间卫星表面被等离子体大面积照射的情况。优选地，粒子束流产生装置1至少连续输出束流1分钟以上，以便于模拟太空不是激烈变化情况下的卫星表面的充电行为。
在优选实施例中，真空罐2的内部横截面积不小于10cm2，以便于安装可以开展充放电试验所需的设备，且其内壁光滑，内表面不平整度小于1cm。优选地，真空罐2内设置不少于一个监控摄像机3和不少于一个透明窗4，以便于在试验的前、后可以随时观测罐内各类情况。真空罐2至少有一端有门，同时门的直径与真空罐2的内径相差在10％以内，以便于在试验前后样品的进出。
在优选实施例中，转台6包括双导轨16和双支架14，这样使得两个支架14可以相互独立地运行，其中一个支架用来安装粒子检测仪12和电位检测仪11，另一个支架用来安装试验样品。转台6可以水平地沿真空罐2的轴线方向和垂直于该轴线的方向移动，支架14可以沿上下方向和垂直真空罐2的轴线方向移动，移动精度为不大于1cm，托盘15可以在垂直方向移动，移动精度为不大于1cm，以便于尽可能地降低测量和试验的对准误差。
在优选实施例中，粒子检测仪12的表面积不小于粒子束流面积，并且粒子检测仪12表面与粒子束流的管道出口垂直，误差小于30度，以尽量降低测量误差。
在优选实施例中，电位检测仪11为非接触式电位检测仪，且电位检测仪11的探头表面与被测样品距离不大于5cm，以尽量降低测量误差。在优选实施例中，电流检测仪13为静电计型弱电流检测仪。
在优选实施例中，电磁脉冲检测仪23为宽波束天线，诸如球形天线等，在真空罐2内设置数量不少于一个，以尽量提高电磁脉冲被捕获的概率。
在优选实施例中，试验样品可以是单独的材料，也可以是部件级产品，例如太阳电池阵、天线等。
在优选实施例中，真空罐2在试验过程中应保持在10-3Pa以上的真空度，以降低残留气体对于粒子束流的干扰和低气压放电。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (13)
1.一种卫星表面充放电现象模拟装置，其特征在于：包括粒子束流产生装置、真空罐、真空保持子系统、粒子检测仪、测试数据子系统，其中：
粒子束流产生装置用于产生低能粒子束流，该粒子束流照射到试验样品之上；
真空罐用于为模拟装置提供真空腔体空间；真空罐为圆筒状，真空罐内设置不少于1个监控摄像机和不少于1个透明窗；真空罐的内部横截面积不小于10cm2，内壁光滑，内表面不平整度小于1cm；真空罐在试验期间保持在10-3Pa以上真空度；真空罐的底部安装有转台，所述转台为弱磁性，能够进行相应的移动，用来为试验样品和测试数据子系统提供适当的配合位置；转台包括托盘、支架及导轨，托盘用于放置试验样品，支架上安装粒子检测仪、电位检测仪及试验样品，导轨用于控制转台的移动；转台包括双导轨和双支架，双导轨用于使双支架相互独立地运行；
真空保持子系统用于保持真空罐的真空环境；真空保持子系统包括机械泵、分子泵、低温泵、检测仪和控制台，其中控制台用来控制机械泵、分子泵及低温泵有序地工作，机械泵用来初步地抽走真空罐中的空气，分子泵用来在机械泵之后进一步地抽走真空罐中的空气，而低温泵用来维持真空罐处于高度真空状态以便进行模拟试验；
粒子检测仪用于检测低能粒子束流以确定粒子输入是否正常；及测试数据子系统用于为模拟试验采集数据。
2.根据权利要求1所述的卫星表面充放电现象模拟装置，其特征在于，粒子束流产生装置包括呈圆筒状的与真空罐壁连接的电子束流产生装置和离子束流产生装置，电子束流产生装置通过紫外光照射阴极或者加热阴极灯丝方式形成电子束流，离子束流通过电子轰击方式产生离子束流，二者所产生的电子束流和离子束流照射到试验样品之上。
3.根据权利要求1所述的卫星表面充放电现象模拟装置，其特征在于，真空罐由不锈钢材料制成，其罐壁安装有监控摄像机，侧壁安装有可供观测的透明窗。
4.根据权利要求1所述的卫星表面充放电现象模拟装置，其特征在于，转台和转台支架水平地沿两个方向移动，即转台水平地沿真空罐轴线方向和垂直于轴线的方向移动，转台支架水平地沿上下方向和真空罐的轴线方向移动，移动精度为不大于1cm，托盘在垂直方向移动，移动精度为不大于1cm。
5.根据权利要求1所述的卫星表面充放电现象模拟装置，其特征在于，测试数据子系统包括电位检测仪、电流检测仪、电磁脉冲检测仪及数据处理台，其中：电位检测仪用来在模拟试验过程中检测试验样品的电位变化，电流检测仪用来检测试验样品在试验过程中的电流泄放特性，电磁脉冲检测仪用来检测真空罐内的电磁环境背景并检测试验样品在静电放电过程中的空间电磁脉冲。
6.根据权利要求1所述的卫星表面充放电现象模拟装置，其特征在于，粒子束流产生装置所产生的粒子束流的能量范围为5keV到25keV、通量强度范围为103#/cm2到1011#/cm2，其中，粒子种类包括电子和离子。
7.根据权利要求1所述的卫星表面充放电现象模拟装置，其特征在于，粒子束流产生装置所产生的粒子束流到达试验样品位置处的束流横截面积不小于1mm2、截面以内粒子能量不均匀性小于200％。
8.根据权利要求1所述的卫星表面充放电现象模拟装置，其特征在于，粒子束流产生装置至少连续输出粒子束流1分钟以上。
9.根据权利要求1所述的卫星表面充放电现象模拟装置，其特征在于，真空罐至少有一端有门，同时门的直径与真空罐内径相差在10％以内。
10.根据权利要求1所述的卫星表面充放电现象模拟装置，其特征在于，粒子检测仪的表面面积不小于粒子束流面积，并且粒子检测仪表面与束流管道出口垂直，误差小于30度。
11.根据权利要求5所述的卫星表面充放电现象模拟装置，其特征在于，电位检测仪为非接触式电位检测仪，电位检测仪的探头表面与试验样品距离不大于5cm。
12.根据权利要求5所述的卫星表面充放电现象模拟装置，其特征在于，电流检测仪为静电计型弱电流检测仪。
13.根据权利要求5所述的卫星表面充放电现象模拟装置，其特征在于，电磁脉冲检测仪为宽波束天线，且在真空罐内设置数量不少于一个。
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