CN106645991A - 一种星载超轻合金材料的电子辐射试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种星载超轻金属合金材料的电子辐射试验装置，包括电子加速器、法拉第筒、真空计以及束流积分仪，试验试件在常温常压下置于法拉第筒入射窗口位置，电子加速器加电子束流，法拉第筒接收并测量电子束流，法拉第筒需抽真空，其真空度≤0.5Pa，用真空计测量，束流积分仪用于读取数据。本发明同时提供一种采用上述装置来完成的超轻金属合金材料的电子辐射试验方法。本发明所提供的试验装置及方法，试验结果可为卫星空间带电粒子的屏蔽效果以及抗辐射加固提供参考数据。

Description

一种星载超轻合金材料的电子辐射试验装置及方法
技术领域
本发明涉及卫星用超轻合金金属材料空间辐射试验领域。
背景技术
对于中高轨及深空卫星，轻量化设计是卫星总体设计的关键技术之一。传统铝合金材料已不能满足目前航天发展的需求，在确保卫星总体任务的前提下，寻找重量轻、强度高的替代材料，并通过试验验证新材料的各项性能指标，成为当前急待解决的重要难题。镁锂(Mg-Li)合金作为当今最轻的金属材料，具有比强度、比刚度高，综合性能优异，是有效解决卫星型号轻量化需求的轻质金属材料。若将其应用到卫星上将显著提高卫星的性能。
对于集成度高、功能复杂的中高轨及深空卫星，发射重量限制严格的特点，为了减轻卫星重量，中高轨及深空卫星使用镁锂合金替代部分铝合金材料。镁锂合金材料具有比重轻的特点，可以有效的减轻卫星重量，但同时其对空间辐射的屏蔽能力也会相应的减弱。卫星所处的地球同步轨道空间辐射较低轨恶劣，因此卫星的抗辐照防护设计是制约卫星可靠性的重要因素。
目前在卫星工程运用中一般都采用等效密度法来计算材料等效铝材料的厚度，即根据材料与铝的比重来换算成等效厚度的铝。但该方法也存在较大的误差。为了得到较为精确的锂镁合金材料的屏蔽效果的数据需通过试验的方法获取。
发明内容
本发明主要针对卫星所用的镁锂合金电子辐照试验制定方案，提供一种超轻金属合金材料的电子辐射试验装置及方法，试验结果可为卫星空间带电粒子的屏蔽效果以及抗辐射加固提供参考数据。
本发明是按以下技术方案实现的：
一种星载超轻金属合金材料的电子辐射试验装置，包括电子加速器、法拉第筒、真空计以及束流积分仪，试验试件在常温常压下置于法拉第筒入射窗口位置，电子加速器加电子束流，法拉第筒接收并测量电子束流，法拉第筒需抽真空，其真空度≤0.5Pa，用真空计测量，束流积分仪用于读取数据。
电子加速器能量设置为1.1MeV和1.5MeV两种。
一种星载超轻金属合金材料的电子辐射试验方法，采用上述的装置来完成，包括如下：
步骤1：获得卫星参试超轻合金金属材料；
步骤2：将法拉第筒放置在加速器辐照射野中心，距电子加速器入射窗口一定距离处，抽真空至≤0.5Pa；
步骤3：记录试验温度、湿度；
步骤4：在电子加速器开机不加束流情况下，测量法拉第筒本底漏电流Ib；
步骤5：利用不同能量或注量率的电子进行电子辐照试验；
步骤6：按照试验工况要求的顺序和试件厚度顺序依次更换试件，测量透射率。
步骤5包括：
1)：在电子加速器开机加束流情况下，在法拉第筒入射窗上放置一试件，测量法拉第筒接收束流情况，考察辐射情况下法拉第筒漏电流Ib’，Ib’应与Ib近似；
2)：电子加速器能量分别设置为1.1MeV和1.5MeV，标称束流设为0.01mA，观察开机后束流积分仪读数稳定所需时间，连续测量三次，取平均值，此值为电子束穿过试件前的初始电子束注量率I0；
3)：改变标称束流至0.05mA和0.1mA，重复第2)步试验过程，分别测量初始电子束注量率；
4)：加速器关闭束流后，将试件放置在法拉第筒入射窗上，按同上的束流能量和标称束流设置电子加速器，在出束一分钟后，测量束流积分仪读数，每个标称束流下连续测量三次，取平均值，此值为电子束穿过试件后的透射电子束注量率IT；
5)：求取三种标称束流下的比值T＝IT/I0，画透射系数对标称束流的曲线，观察透射系数是否随初始束流强度呈线性关系，在线性区内选择一个合适的标称束流，作为其他厚度试件辐照的基准束流。
5、根据权利要求3所述的超轻金属合金材料的电子辐射试验方法，其特征在于，步骤6)，每测量n个厚度试件后，测量一次初始束流强度，即不放试件的电子束束流强度，检查加速器束流的稳定性。
若改变试件厚度后，束流积分仪读数已接近本底漏电流Ib’，则该种材料试件的试验结束，换下一种材料或电子能量继续试验。
本发明针对国内中高轨及深空卫星所采用的超轻金属合金材料电子辐射试验，形成一种新型的超轻金属合金材料电子辐射试验技术，得出新型超轻金属合金材料应用于中高轨及深空卫星抗空间辐射环境适应性结论，从而为卫星的单机设计提供一定的设计依据，对高轨及深空探测领域的卫星的抗辐射加固设计提供一定的参考依据。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是超轻镁锂合金空间电子辐射试验原理图；
图2是空间电子辐射在卫星单机中的传输过程。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明所提供的超轻金属合金材料的电子辐射试验装置，如图1所示，包括电子加速器1、法拉第筒2、真空计以及束流积分仪3，试验试件4在常温常压下置于法拉第筒2的入射窗口位置，电子加速器1加电子束流，法拉第筒2接收并测量电子束流，法拉第筒需抽真空，其真空度≤0.5Pa，用真空计测量，束流积分仪3用于读取数据。束流积分仪与法拉第筒之间通过屏蔽线缆连接。
试验过程中可以考虑整星的辐射屏蔽实际状况进行地面模拟试验。
图2所示，一般情况下，卫星蒙皮5的等效铝厚度为0.7mm，一般单机6的机壳7均采用铝合金以及镁合金材料厚度约为2.5～3mm，因而绝大多数的低能电子(小于1MeV)很难穿透普通单机外壳。针对于高轨卫星，电子能量高于1MeV范围的约占高于0.1MeV电子数量的3.55％，而能量高于2MeV的电子只占能量高于0.1MeV的电子的约0.2％。试验所选用的入射电子能量值为比较有代表性的1MeV和1.5MeV两种能量。电子加速器能量设置为1.1MeV、1.5MeV(由于空气对电子能量的衰减作用，1.1MeV、1.5MeV电子在到达法拉第筒入射窗时能量分别衰减为1.0MeV、1.5MeV)。而1.5MeV电子基本穿过20cm厚度的空气后基本能量不会损失。辐射试验过程中要保持法拉第筒压强不变，在试验过程中对法拉第筒进行抽真空并进行实时监测。
本发明所提供的试验方法，适合于卫星用新型超轻合金材料的抗辐射能力开展验证及评估工作，形成了一种新型的超轻金属合金材料电子辐射试验方法。包括步骤如下：
步骤1：获得卫星参试超轻合金金属材料；
步骤2：将法拉第筒放置在加速器辐照射野中心，距电子加速器入射窗口一定距离处，抽真空至≤0.5Pa；
步骤3：记录试验温度、湿度；
步骤4：在电子加速器开机不加束流情况下，测量法拉第筒本底漏电流Ib；
步骤5：利用不同能量或注量率的电子进行电子辐照试验；
步骤6：按照试验工况要求的顺序和试件厚度顺序依次更换试件，测量透射率。
具体的，在电子加速器开机加束流情况下，在法拉第筒入射窗上放置一厚度大于4mm的铝块，测量法拉第筒接收束流情况，考察辐射情况下法拉第筒漏电流Ib’。正常情况下，Ib’应与Ib近似；
电子加速器能量设置为1.1MeV、1.5MeV(由于空气对电子能量的衰减作用，1.1MeV、1.5MeV电子在到达法拉第筒入射窗时能量分别衰减为1.0MeV、1.5MeV。注：1.5MeV电子基本穿过20cm厚度的空气后基本能量不会损失)，标称束流设为0.01mA,观察开机后束流积分仪读数稳定所需时间(一般在1分钟左右)，连续测量三次，取平均值。此值为电子束穿过试件前的初始电子束注量率I0；
改变标称束流至0.05mA和0.1mA，重复第4步试验过程，分别测量初始电子束注量率；
加速器关闭束流后，将试件放置在法拉第入射窗上，按同上的束流能量和标称束流设置加速器。在出束一分钟后，测量束流积分仪读数，每个标称束流下连续测量三次，取平均值。此值为电子束穿过试件后的透射电子束注量率IT；
求取三种标称束流下的比值T＝IT/I0，画透射系数对标称束流的曲线，观察透射系数是否随初始束流强度呈线性关系。在线性区内选择一个合适的标称束流，作为其他厚度试件辐照的基准束流；
按照试验工况要求的顺序和试件厚度顺序依次更换试件，测量透射率。每测量5个厚度试件后，测量一次初始束流强度(即不放试件的电子束束流强度)，检查加速器束流的稳定性；
若改变试件厚度后，束流积分仪读数已接近本底漏电流Ib’，则该种材料试件的试验结束，换下一种材料或电子能量继续试验；
辐照实验过程中注意检查真空计读数，保持真空度一致；
获得所有试件在两种电子能量下的透射比值后试验结束；
记录数据：电子束能量，基准束流，材料种类、厚度，透射后束流。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种星载超轻金属合金材料的电子辐射试验装置，其特征在于，包括电子加速器、法拉第筒、真空计以及束流积分仪，试验试件在常温常压下置于法拉第筒入射窗口位置，电子加速器加电子束流，法拉第筒接收并测量电子束流，法拉第筒需抽真空，其真空度≤0.5Pa，用真空计测量，束流积分仪用于读取数据。
2.根据权利要求1所述的星载超轻金属合金材料的电子辐射试验装置，其特征在于，电子加速器能量设置为1.1MeV和1.5MeV两种。
3.一种星载超轻金属合金材料的电子辐射试验方法，其特征在于，采用权利要求1的装置，包括如下：
步骤1：获得卫星参试超轻合金金属材料；
步骤2：将法拉第筒放置在加速器辐照射野中心，距电子加速器入射窗口一定距离处，抽真空至≤0.5Pa；
步骤3：记录试验温度、湿度；
步骤4：在电子加速器开机不加束流情况下，测量法拉第筒本底漏电流Ib；
步骤5：利用不同能量或注量率的电子进行电子辐照试验；
步骤6：按照试验工况要求的顺序和试件厚度顺序依次更换试件，测量透射率。
4.根据权利要求3所述的星载超轻金属合金材料的电子辐射试验方法，其特征在于，步骤5包括：
1)：在电子加速器开机加束流情况下，在法拉第筒入射窗上放置一试件，测量法拉第筒接收束流情况，考察辐射情况下法拉第筒漏电流Ib’，Ib’应与Ib近似；
2)：电子加速器能量分别设置为1.1MeV和1.5MeV，标称束流设为0.01mA，观察开机后束流积分仪读数稳定所需时间，连续测量三次，取平均值，此值为电子束穿过试件前的初始电子束注量率I0；
3)：改变标称束流至0.05mA和0.1mA，重复第2)步试验过程，分别测量初始电子束注量率；
4)：加速器关闭束流后，将试件放置在法拉第筒入射窗上，按同上的束流能量和标称束流设置电子加速器，在出束一分钟后，测量束流积分仪读数，每个标称束流下连续测量三次，取平均值，此值为电子束穿过试件后的透射电子束注量率IT；
5)：求取三种标称束流下的比值T＝IT/I0，画透射系数对标称束流的曲线，观察透射系数是否随初始束流强度呈线性关系，在线性区内选择一个合适的标称束流，作为其他厚度试件辐照的基准束流。
5.根据权利要求3所述的星载超轻金属合金材料的电子辐射试验方法，其特征在于，步骤6)，每测量n个厚度试件后，测量一次初始束流强度，即不放试件的电子束束流强度，检查加速器束流的稳定性。
6.根据权利要求3所述的星载超轻金属合金材料的电子辐射试验方法，其特征在于，若改变试件厚度后，束流积分仪读数已接近本底漏电流Ib’，则该种材料试件的试验结束，换下一种材料或电子能量继续试验。
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