CN112834439B - 一种空间微重力尘埃等离子体科学实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种空间微重力尘埃等离子体科学实验装置，该实验装置的实验箱的顶板上安装有真空反应腔，真空反应腔上安装有朗缪尔双探针和若干颗粒注射器，实验箱位于真空反应腔的一侧的顶板上安装有二级激光器、ICCD相机、光谱仪和若干高速相机，实验箱位于真空反应腔的另一侧的顶板上安装有三维相机组和三个二级激光器，四个二级激光器的前方均设置有反光镜。解决了如何设计一种结合真空、高低温、微重力等空间多因素环境模拟的尘埃等离子科学实验装置的问题，本发明具有大尺度的可移动放电电极，扩展了实验空间，同时具备热、光、电三种调控方式，充分满足目前尘埃等离子体实验要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间微重力尘埃等离子体科学实验装置，属于空间微重力科学实验技术领域。
背景技术
在重力环境下，尘埃颗粒只能悬浮在具有强电场的等离子鞘层之中，所形成的等离子晶格也主要是二维系统，即使使用大量较小的颗粒局限在一个相对较小的空间从而强行形成一个由薄薄几层颗粒组成的三维等离子晶格，其颗粒数密度在重力的作用下也并不均匀。而所需模拟的自然三维晶体，根据经典的固体晶体相关理论，重力相对与原子间的相互作用力可以忽略不计，晶体内部的原子分布非常均匀。为了模拟自然中三维晶体的结构，在复杂等离子体系统中完美地形成一个均匀的三维晶体，需要克服重力的影响，因此，微重力是研究尘埃等离子体的理想环境。
空间站是模拟微重力环境的理想场所，在此建立尘埃等离子体实验装置能够模拟均匀的自然三维晶体结构。
发明内容
本发明面向中国空间站开展微重力尘埃等离子体科学实验需求，紧跟国际前沿，设计一种结合真空、高低温、微重力等空间多因素环境模拟的尘埃等离子科学实验装置，相比于国际先例，本装置具有更大尺度的放电电极，扩展了实验空间，同时具备热、光、电三种调控方式，可充分满足目前尘埃等离子体实验要求。
本发明提出一种空间微重力尘埃等离子体科学实验装置，包括朗缪尔双探针、ICCD相机、若干高速相机、光谱仪、真空反应腔、若干颗粒注射器、三维相机组、四个二级激光器、反光镜和实验箱，所述实验箱的顶板上安装有真空反应腔，所述真空反应腔上安装有朗缪尔双探针和若干颗粒注射器，所述实验箱位于真空反应腔的一侧的顶板上安装有二级激光器、ICCD相机、光谱仪和若干高速相机，所述实验箱位于真空反应腔的另一侧的顶板上安装有三维相机组和三个二级激光器，四个二级激光器的前方均设置有反光镜。
优选地，所述真空反应腔包括窗口盖、电池盒、箱体、观察窗、保护罩、内电极和外电极，所述箱体的侧壁上设置有观察窗，所述箱体的顶部和底部均安装有保护罩，用于封闭箱体，位于顶部的保护罩上设置有窗口盖，所述光谱仪通过安装在真空反应腔的窗口盖实时收集电极间等离子体放电的光子信息，并将光信息转化成数字信息输入到计算机进行光谱分析，所述保护罩的侧面安装有电池盒，所述箱体的内部为反应腔，所述反应腔的顶部设置有内电极，底部设置有外电极。
优选地，所述箱体为密封圆筒形容器。
优选地，所述位于箱体顶部的保护罩为绝缘材料，所述箱体和位于底部的保护罩为铝合金材料。
优选地，所述外电极直径为180mm，内电极直径为120mm。
优选地，所述内电极和外电极的间距在20-80mm。
优选地，所述外电极和内电极由电池盒中的射频电源供电。
优选地，所述箱体侧面开有四个供观察放电的观察窗，所述观察窗为平光石英窗口，且除石英窗口外，所有箱体的内壁均匀涂黑以防止杂散光对光谱仪测量的影响。
优选地，所述箱体的下部装有环形加热装置，布置在圆柱形腔体的内壁上，加热装置持续加热使真空腔达到热平衡，加热停止后，真空腔的轴向温度因与加热环的距离不同产生温度梯度，从而对尘埃颗粒产生与局部温度梯度成正比的热泳力，借此操纵尘埃颗粒的整体运动。
优选地，所述朗缪尔双探针用于向等离子体中插入两根极小的的电极，加上电压，测得探针的电压-电流特性曲线，并由此求得得等离子体的密度、电子温度、等离子体电位和悬浮电位；所述ICCD相机用于观察产生的等离子体，图像经过三个不同光谱范围的成像通道呈现，用于观测等离子体微粒的整体分布情况，记录照明的散射光和操作激光；所述高速相机3通过数字图像摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，得到等离子体的光谱图像。
本发明所述的空间微重力尘埃等离子体科学实验装置的有益效果为：
1、本发明所述的空间微重力尘埃等离子体科学实验装置，具有大尺度(180mm)的可移动放电电极，扩展了实验空间。
2、本发明所述的空间微重力尘埃等离子体科学实验装置，大尺度电极的驱动器采用了内置的方式以及反光镜的设置，使得整个实验装置更加紧凑。
3、本发明所述的空间微重力尘埃等离子体科学实验装置，具备热、光、电三种调控方式，充分满足目前尘埃等离子体实验要求。其中热调控用于调控颗粒的整体分布，观察热泳力对于尘埃颗粒的影响，光调控用于调控单个颗粒的分布，取出单个尘埃颗粒；电调控为常见的调控整体颗粒的方式。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1为本发明所述的一种空间微重力尘埃等离子体科学实验装置的总装配图；
图2为本发明所述的等离子体诊断模块的示意图；
图3为本发明所述的颗粒注射与调控模块的示意图；
图4为本发明所述的微纳颗粒诊断模块的示意图；
图5为本发明所述的反应腔模块示意图；
图中：1-朗缪尔双探针；2-ICCD相机；3-高速相机；4-光谱仪；5-真空反应腔；5-1-窗口盖；5-2-电池盒；5-3-箱体；5-4-观察窗；5-5-保护罩；5-6-内电极；5-7-外电极；6-颗粒注射器；7-三维相机组；8-二级激光器；9-反光镜；10-实验箱。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1-5说明本实施方式。本实施方式所述的空间微重力尘埃等离子体科学实验装置，包括朗缪尔双探针1、ICCD相机2、若干高速相机3、光谱仪4、真空反应腔5、若干颗粒注射器6、三维相机组7、四个二级激光器8、反光镜9和实验箱10，所述实验箱10的顶板上安装有真空反应腔5，所述真空反应腔5上安装有朗缪尔双探针1和若干颗粒注射器6，所述实验箱10位于真空反应腔5的一侧的顶板上安装有二级激光器8、ICCD相机2、光谱仪4和若干高速相机3，所述实验箱10位于真空反应腔5的另一侧的顶板上安装有三维相机组7和三个二级激光器8，四个二级激光器8的前方均设置有反光镜9。
所述真空反应腔5包括窗口盖5-1、电池盒5-2、箱体5-3、观察窗5-4、保护罩5-5、内电极5-6和外电极5-7，所述箱体5-3的顶部设置有窗口盖5-1，所述窗口盖5-1的侧面安装有电池盒5-2，所述箱体5-3的侧壁上设置有观察窗5-4，所述箱体5-3的底部安装有保护罩5-5，所述箱体5-3的内部为真空反应腔5，所述真空反应腔的顶部设置有内电极5-6，底部设置有外电极5-7。所述箱体5-3为圆筒形。
整个实验装置分为四大模块，分别为：反应腔模块、颗粒注射与调控模块、等离子体诊断模块和微纳颗粒诊断模块。
所述的反应腔模块即为真空反应腔5，其包括窗口盖5-1、电池盒5-2、箱体5-3、观察窗5-4、保护罩5-5、内电极5-6和外电极5-7。真空反应腔5整体设计成上、中、下三部分的拆分式，方便移动电极的安装与维修，中间部分为箱体5-3，用于为反应腔模块的主体。观察窗5-4在箱体5-3处开设，同时，箱体5-3内壁也为外电极5-7移动的轨道。箱体5-3的上、下部分为保护罩5-5，用于封闭箱体5-3，通过螺栓与箱体5-3连接。
真空反应腔5整体是一个上顶面为绝缘材料，四周和底面为铝合金材料制成的密封圆筒形容器，外电极5-7与内电极5-6置于反应腔模块的中央，外电极直径180mm，内电极直径120mm；外电极5-7与箱体5-3以圆柱副相配合；外电极5-7与内电极5-6以圆柱副相配合；一对内电极5-6和外电极5-7的间距在20-80mm范围内可调；外电极5-7和内电极5-6由射频电源供电。真空反应腔5侧面开有四个可供观察放电的平光石英窗口，整个真空反应腔5气密性很好，且除石英窗口外，所有内壁均匀涂黑以防止杂散光对光谱仪4测量的影响。
箱体5-3的下部装有环形加热装置，布置在圆柱形腔体的内壁上，加热装置持续加热使真空腔达到热平衡，加热停止后，真空腔的轴向温度因与加热环的距离不同产生温度梯度，从而对尘埃颗粒产生与局部温度梯度成正比的热泳力，借此操纵尘埃颗粒的整体运动。
外电极5-7和内电极5-6接上射频电源后电极间射频放电，高频电场使电子往复运动，在此过程中，电子与分子碰撞并把能量传给分子，使气体温度升高，或产生激发、离解与电离现象。碰撞后的电子在电场作用下按照电场力的方向加速，不断地把能量从电场传给气体。产生等离子体后，通过调控射频电源的占空比可以调控等离子体的位置，即所谓的电调控。
所述的颗粒注射与调控模块由颗粒注射器6、四台连续波固体二级激光器8、四个反光镜9组成，其中三台二级激光器8为照明激光器(位于图3的右侧的三个)，一台二级激光器8为加热激光器(位于图3的左侧的一个)，用于为箱体5-3加热。在实验中，打开照明激光器中的两台二级激光器8可以有效实现两道流向垂直的颗粒流，也可以形成两道流向相反且平行对称的颗粒流，三台二级激光器8同时开，就能形成三道颗粒流，且有两个交汇点，用于流体实验的研究。反光镜9用于将照明激光器的光反射进入观察窗5-4，加入反光镜避免了两块滑移板上仪器的干涉，也使得实验装置更加紧凑。由二级激光器8发出的激光聚集可形成光阱，微小物体受光压而被束缚在光阱处，移动光束使微小物体随光阱移动，从而操纵尘埃颗粒，即所谓的光调控。
所述的等离子体诊断模块由朗缪尔双探针1、ICCD相机2、高速相机3、光谱仪4组成。朗缪尔双探针1用于向等离子体中插入两根极小的的电极，加上电压，测得探针1的电压-电流特性曲线，并由此求得得等离子体的密度、电子温度、等离子体电位和悬浮电位。ICCD相机2用于观察产生的等离子体，图像经过三个不同光谱范围的成像通道呈现，用于观测等离子体微粒的整体分布情况，记录照明的散射光和操作激光。所述高速相机3通过数字图像摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，得到等离子体的光谱图像。所述光谱仪4通过安装在真空反应腔5的窗口盖5-1实时收集电极间等离子体放电的光子信息，并将光信息转化成数字信息输入到计算机进行光谱分析。
所述的微纳颗粒诊断模块由三维相机组7组成，三维相机组内包含三部高速相机。三维相机组7从三个不同视角观察三维尘埃等离子体同一块区域，根据三维相机组7从三个不同视角观测到图像的差异，三部高速相机的绝对坐标和视角可以通过基本的几何和三角关系反推出来。观测区域的任何物体的三维坐标由三维相机组7采集到的图像中获得，以及通过算法三维重建。
本发明所述的空间微重力尘埃等离子体科学实验装置的具体操作过程为：
反应腔模块的抽气系统由机械泵和分子泵构成，在初次使用的时候，先用机械泵抽到1000Pa以下，再开分子泵。而一般在真空室的真空远低于大气压的时候，需要先让分子泵完全运转起来后才能打开插板阀。在进行放电的时候，先将真空室的本底真空抽到0.001Pa以下，然后关小插板阀，打开针阀往真空室充入氩气或氖气，调节真空室中的充气气压达到0.01-0.1Pa。基本稳定后，打开射频电源，启动放电电极，开始放电。待到真空反应腔5内产生足够多的等离子体后，运行等离子体诊断模块，检测等离子体的实验参数是否满足实验要求。若满足实验要求，则打开颗粒注射器6，向真空反应腔5内注入尘埃颗粒，与等离子体混合形成尘埃等离子体颗粒，期间可以通过颗粒调控模块操纵尘埃颗粒的分布。通过移动相对位置不变的二级激光器8照亮真空反应腔中每个二维平面，通过三维相机组7逐层观察真空反应腔内的尘埃颗粒，记录尘埃颗粒的图像数据。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种空间微重力尘埃等离子体科学实验装置，其特征在于，包括朗缪尔双探针(1)、ICCD相机(2)、若干高速相机(3)、光谱仪(4)、真空反应腔(5)、若干颗粒注射器(6)、三维相机组(7)、四个二级激光器(8)、四个反光镜(9)和实验箱(10)，所述实验箱(10)的顶板上安装有真空反应腔(5)，所述真空反应腔(5)上安装有朗缪尔双探针(1)和若干颗粒注射器(6)，所述实验箱(10)位于真空反应腔(5)的一侧的顶板上安装有一个二级激光器(8)、ICCD相机(2)、光谱仪(4)和若干高速相机(3)，所述实验箱(10)位于真空反应腔(5)的另一侧的顶板上安装有三维相机组(7)和三个二级激光器(8)，四个二级激光器(8)的前方均设置有反光镜(9)；
所述真空反应腔(5)包括窗口盖(5-1)、电池盒(5-2)、箱体(5-3)、观察窗(5-4)、保护罩(5-5)、内电极(5-6)和外电极(5-7)，所述箱体(5-3)的侧壁上设置有观察窗(5-4)，所述箱体(5-3)的顶部和底部均安装有保护罩(5-5)，用于封闭箱体(5-3)，位于顶部的保护罩(5-5)上设置有窗口盖(5-1)，所述光谱仪(4)通过安装在真空反应腔(5)的窗口盖(5-1)实时收集电极间等离子体放电的光子信息，并将光信息转化成数字信息输入到计算机进行光谱分析，所述保护罩(5-5)的侧面安装有电池盒(5-2)，所述箱体(5-3)的内部为反应腔，所述反应腔的顶部设置有内电极(5-6)，底部设置有外电极(5-7)；
所述外电极(5-7)直径为180mm，内电极(5-6)直径为120mm；
所述外电极(5-7)和内电极(5-6)由电池盒(5-2)中的射频电源供电；
所述箱体(5-3)的下部装有环形加热装置，布置在圆柱形腔体的内壁上，加热装置持续加热使真空腔达到热平衡，加热停止后，真空腔的轴向温度因与加热环的距离不同产生温度梯度，从而对尘埃颗粒产生与局部温度梯度成正比的热泳力，借此操纵尘埃颗粒的整体运动。
2.根据权利要求1所述的空间微重力尘埃等离子体科学实验装置，其特征在于，所述箱体(5-3)为密封圆筒形容器。
3.根据权利要求1所述的空间微重力尘埃等离子体科学实验装置，其特征在于，所述位于箱体(5-3)顶部的保护罩(5-5)为绝缘材料，所述箱体(5-3)和位于底部的保护罩(5-5)为铝合金材料。
4.根据权利要求1所述的空间微重力尘埃等离子体科学实验装置，其特征在于，所述内电极(5-6)和外电极(5-7)的间距在20-80mm。
5.根据权利要求1所述的空间微重力尘埃等离子体科学实验装置，其特征在于，所述箱体(5-3)侧面开有四个供观察放电的观察窗(5-4)，所述观察窗(5-4)为平光石英窗口，且除石英窗口外，所有箱体(5-3)的内壁均匀涂黑以防止杂散光对光谱仪(4)测量的影响。
6.根据权利要求1所述的空间微重力尘埃等离子体科学实验装置，其特征在于，所述朗缪尔双探针(1)用于向等离子体中插入两根极小的的电极，加上电压，测得朗缪尔双探针(1)的电压-电流特性曲线，并由此求得得等离子体的密度、电子温度、等离子体电位和悬浮电位；所述ICCD相机(2)用于观察产生的等离子体，图像经过三个不同光谱范围的成像通道呈现，用于观测等离子体微粒的整体分布情况，记录照明的散射光和操作激光；所述高速相机(3)通过数字图像摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，得到等离子体的光谱图像。
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|---|---|---|---|---|
| CN113931818B (zh) * | 2021-11-04 | 2024-01-02 | 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 | 一种提高空间电推力器内离子密度的装置及方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001230240A (ja) * | 2000-02-18 | 2001-08-24 | Hitachi Ltd | プラズマ処理装置ならびに処理方法 |
| CN102306469A (zh) * | 2011-07-14 | 2012-01-04 | 大连理工大学 | 一种观察尘埃斑图的装置 |
| KR20120074046A (ko) * | 2010-12-27 | 2012-07-05 | 재단법인 포항산업과학연구원 | 플라즈마 발생 장치 및 이를 이용한 플라즈마 제어 방법 |
| CN102841078A (zh) * | 2012-09-10 | 2012-12-26 | 北京宝瑞光电科技有限公司 | 一体化激光诱导增强等离子体光谱采集系统 |
| CN209525256U (zh) * | 2019-02-28 | 2019-10-22 | 大连理工大学 | 一种用于实验教学的尘埃晶格观察和分析装置 |
| CN110381659A (zh) * | 2019-06-04 | 2019-10-25 | 西安电子科技大学 | 一种射频动态电容耦合等离子体诊断系统及方法 |
-
2020
- 2020-12-31 CN CN202011638979.7A patent/CN112834439B/zh active Active
Patent Citations (6)
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| JP2001230240A (ja) * | 2000-02-18 | 2001-08-24 | Hitachi Ltd | プラズマ処理装置ならびに処理方法 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 等离子体加工过程中尘埃微粒行为的研究;顾琅;力学进展(第01期);第56-69页 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112834439A (zh) | 2021-05-25 |
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