CN113758947B - 一种电离总剂量诱导航天器舱内分子污染的试验装置与方法 - Google Patents

一种电离总剂量诱导航天器舱内分子污染的试验装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于航天器空间环境效应试验技术领域，具体涉及一种电离总剂量诱导航天器舱内分子污染的试验装置与方法。该方法提出了一种真空、温度、空间辐射多因素诱发污染在光学器件表面沉积的试验装置，以及舱内敏感光学材料表面分子污染的试验和评价方法，可以快速确定电离总剂量效应对舱内敏感材料的分子污染效应的影响和机理，对航天工程的材料选择和在轨性能评估提供了帮助。

Description

一种电离总剂量诱导航天器舱内分子污染的试验装置与方法
技术领域
本发明属于航天器空间环境效应试验技术领域，具体涉及一种电离总剂量诱导航天器舱内分子污染的试验装置与方法。
背景技术
1、空间真空环境与污染效应
当航天器进入真空环境之后，随着真空度的增加，将会有气体从材料表面或内部释放出来，引起真空出气效应。气体释放的来源主要包括材料表面吸附的气体在真空环境下从表面脱附、溶解于材料内部的气体向真空边界扩散并解吸附、不同压力差界面的渗透气体通过固体材料释放等。航天材料在真空下出气，会改变材料的操作性能，引起材料的额尺寸稳定性和润滑等问题；出气产生的气云从高温处转移到低温处并凝结，造成低温表面污染效应，可改变其热光性能、辐射性能和电学性能，引起严重的温度环境效应和辐射环境效应，造成热学与电学问题，改变温控涂层的性能、减少太阳能电池的光吸收率以及增加电气元件的接触电阻等；气云还可对科学探测卫星的观测造成干扰，严重的污染会降低观察窗和光学镜头的透明度；气云引起的电晕可造成弧光放电，引起太阳电池阵等电学性能退化。
2、舱内辐射环境及对材料的电离效应
空间辐射环境是引起材料和器件性能退化甚至失效的主要环境因素，可引起单粒子效应、总剂量效应、位移损伤效应、表面充放电效应和内带电效应等。
航天器在轨所遭遇的辐射环境主要来源于太阳的辐射和星际空间的辐射，包括粒子辐射和太阳电磁辐射，这些辐射环境受太阳活动的调制。其中，粒子辐射环境主要由电子、质子、少量的重离子等组成，主要来源于星体俘获辐射带、太阳宇宙射线、银河宇宙射线等。
航天器在轨运行过程中，由于质子的半径较大，需要极高的能量才能穿透航天器舱壁，而高能质子数量较少，因此，能够穿透航天器舱壁进入航天器内部的主要为高能电子。
高能电子进入航天器内部，将作用于各类航天器结构和材料，产生电离总剂量效应和内带电效应。对光学材料来说主要为电离总剂量效应，可造成光学材料的性能退化，引起着色、剥蚀、气泡甚至充放电效应。
3、舱内材料电离总剂量效应的主要模拟方法
对舱内材料的电离总剂量效应的模拟试验主要用电子加速器或者钴源的伽马射线来进行模拟。对结构材料、机构材料、密封材料等体材料，关注的主要是材料整体结构的性能，可以直接使用钴源来开展地面模拟试验。在不改变材料电离损伤机制的前提下，剂量率的选择范围较大，通常可以采用根据模拟源的能力来选择相对大的数值。
对表面功能材料，如热控涂层材料、光学功能材料等，由于影响其功能或性能的主要是表层的材料，因此，应该利用剂量深度分布法，使用电子源或者电子加速器来开展试验。
4、航天器舱内光学性能退化效应
美国Chandra X射线望远镜用先进CCD成像光谱仪在轨运行后发现，自1999年发射后，随着在轨周期的增加，其CCD镜头表面的分子污染物逐渐增加，造成光学成像质量逐渐下降。而CCD成像光谱仪的结构件温度在0度以下，CCD的上表面温度约为-60℃，下表面温度更低，最低处达到-120℃，镜筒材料为双面镀铝的聚酰亚胺薄膜。经分析，除了真空和温度环境要素外，引起舱内分子污染的主要来源是高能电子对舱内有机材料作用造成舱内有机材料分子价健的断裂，引起有机分子污染物在较冷的光学材料表面沉积。
发明内容
本发明的目的在于针对航天器舱内光学元件表面分子污染的增加，搭建了真空、温度、空间辐射诱发污染在光学器件表面沉积的试验装置，给出了舱内敏感光学材料表面分子污染的试验方法。
本发明的技术解决方案如下：
一种电离总剂量诱导航天器舱内分子污染的试验装置，包括真空腔、供污染源放置的污染源温控装置、污染源样品台、污染物采样台、供污染物采样片放置的污染物采样片温控装置、污染量监测装置、辐射源、污染成分实时监测系统、测试与控制系统和真空系统；
所述的污染源、污染源温控装置、污染源样品台、污染物采样台、污染物采样片温控装置、污染量监测装置、污染物采样片、污染成分实时监测系统均位于真空腔中，真空系统位于真空腔外，用于对所述的真空腔抽真空；
所述的污染源温控装置固定在所述的污染源样品台上，该污染源样品台位于真空腔的底部；所述的辐射源透过真空腔辐照所述的污染源；所述的污染物采样片温控装置固定在所述的污染物采样台上；所述的污染量监测装置安装在所述的污染物采样片温控装置上，用于实时监控所述的真空腔内的污染沉积量；所述的污染成分实时监测系统用于实时监控所述的真空腔内的污染物的成分；所述的测试与控制系统分别与所述的污染量监测装置和污染成分实时监测系统相连。
所述的真空腔、污染源温控装置、污染源样品台、污染物采样台、污染物采样片温控装置为不锈钢材料制造；污染源为聚酰亚胺类材料、舱内温控漆类材料中的一种或多种。
所述的污染源温控装置和污染物采样片温控装置均由高温控制和低温控制组成，其中高温控制使用电加热丝，低温控制使用液氮或浴油温控装置，温度范围为-80℃～+220℃。
述的污染量监测装置包括石英晶体微量天平。
所述的污染物采样片为增透膜、滤光片、高反膜、石英玻璃片中的一种或多种；
所述的辐射源为电子枪、伽马射线源的一种或多种。
所述的污染成分实时监测系统由四级质谱仪实现。
利用所述的电离总剂量诱导航天器舱内分子污染的试验装置进行污染试验，该方法包括如下步骤：
a.利用污染量监测装置和污染成分实时监测系统，实时监控真空腔恒定温度与时间内，真空环境中污染物的成分和污染沉积量；具体步骤为：
将污染源放置在污染源温控装置上，将污染物采样片放置在污染物采样片温控装置上，关闭真空腔，利用真空系统抽真空至0.1Pa，启动污染成分实时监测系统和污染量监测装置；利用污染源温控装置将污染源温度升高至20℃～100℃；利用污染物采样片温控装置将污染物采样片温度控制在-80℃～25℃；保持真空与恒温状态一段时间，实时监测污染物的成分和污染沉积量，并传输至所述的测试与控制系统，得到多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；打开真空腔，取出污染物采样片。
b.改变温度后，利用污染量监测装置和污染成分实时监测系统，实时监控真空腔恒定温度与时间内，真空环境中污染物的成分和污染沉积量；具体步骤为：
将更换后的污染物采样片放置在污染物采样片温控装置上，关闭真空腔，再次抽真空至0.1Pa，启动污染成分实时监测系统和污染量监测装置；利用污染源温控装置将污染源温度升高至100℃～220℃；利用污染物采样片温控装置将污染物采样片温度控制在25℃～220℃；保持真空与恒温状态一段时间，实时监测污染物的成分和污染沉积量，并传输至所述的测试与控制系统(11)，得到改变温度后的多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；打开真空腔，取出污染物采样片。
c.将各相同时刻的步骤b改变温度后的污染物的成分与步骤a污染物的成分进行对比，以及各相同时刻的步骤b改变温度后的污染沉积量与步骤a污染沉积量进行对比，得到不同温度背景对污染物成分和污染物沉积量影响；
d.利用污染量监测装置和污染成分实时监测系统，实时监控真空腔恒定温度与时间内，辐射源辐射污染源的情况下，真空环境中污染物的成分和污染沉积量；具体步骤为：
将再次更换的污染物采样片放置在污染物采样片温控装置上，关闭真空腔，再次抽真空至0.1Pa，同时开启辐射源，启动污染成分实时监测系统和污染量监测装置；保持真空与恒温状态一段时间，实时监测污染物的成分和污染沉积量，并传输至所述的测试与控制系统，得到辐射后的多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；打开真空腔，取出污染物采样片。
e.将各相同时刻的步骤d辐射情况下的污染物的成分与步骤b污染物的成分进行对比，以及各相同时刻的步骤d辐射情况下的污染沉积量与步骤b污染沉积量进行对比，得到空间辐射对污染物成分和污染物沉积量的影响；
本发明中，所述的污染试验的方法还包括：
f.将步骤a、b和d得到的污染物采样片进行光学性能测试，得到不同温度、有无辐射时真空环境下真空污染对污染物采样片光学性能的影响效应。
本发明的技术效果如下：
(1)针对航天器舱内光学元件表面分子污染的增加，提出了一种真空、温度、空间辐射诱发污染在光学器件表面沉积的试验装置；
(2)提出了开展电离总剂量诱导航天器舱内分子污染的试验方法，可以快速确定电离总剂量效应对舱内敏感材料的分子污染效应的影响和机理。
附图说明
图1是本发明中电离总剂量诱导航天器舱内分子污染的试验装置的结构示意图，如图所示，包括真空腔1、污染源2、污染源温控装置3、污染源样品台4、污染物采样台5、污染物采样片温控装置6、污染量监测装置7、污染物采样片8、辐射源9、污染成分实时监测系统10、测试与控制系统11、真空系统12。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：取硅橡胶、灰皮电缆、聚酰亚胺薄膜作为污染源，1064nm增透膜和石英玻璃片为污染采样片。
利用所述的电离总剂量诱导航天器舱内分子污染的试验装置进行污染试验。
a.将污染源2放置在污染源温控装置3上，将污染物采样片8放置在污染物采样片温控装置上，关闭真空腔，利用真空系统抽真空至0.1Pa，启动污染成分实时监测系统和污染量监测装置；利用污染源温控装置将污染源温度升高至25℃；利用污染物采样片温控装置将污染物采样片温度控制在-60℃；保持真空与恒温状态一段时间，实时监测污染物的成分和污染沉积量，并传输至所述的测试与控制系统11，得到多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；打开真空腔，取出污染物采样片；
b.将更换后的污染物采样片放置在污染物采样片温控装置上，关闭真空腔，再次抽真空至0.1Pa，启动污染成分实时监测系统和污染量监测装置；利用污染源温控装置将污染源温度升高至80℃；利用污染物采样片温控装置将污染物采样片温度控制在100℃；保持真空与恒温状态一段时间，实时监测污染物的成分和污染沉积量，并传输至所述的测试与控制系统11，得到改变温度后的多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；打开真空腔，取出污染物采样片；
c.将各相同时刻的步骤b改变温度后的污染物的成分与步骤a污染物的成分进行对比，以及各相同时刻的步骤b改变温度后的污染沉积量与步骤a污染沉积量进行对比，得到不同温度背景对污染物成分和污染物沉积量影响：高温下污染沉积量增多；
d.将再次更换的污染物采样片放置在污染物采样片温控装置上，关闭真空腔，再次抽真空至0.1Pa，同时开启辐射源，辐射参数为电子60keV，1*1010p/cm2，伽马射线1kGy，启动污染成分实时监测系统和污染量监测装置；保持真空与恒温状态一段时间，实时监测污染物的成分和污染沉积量，并传输至所述的测试与控制系统11，得到辐射后的多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；打开真空腔，取出污染物采样片；
e.将各相同时刻的步骤d辐射情况下的污染物的成分与步骤b污染物的成分进行对比，以及各相同时刻的步骤d辐射情况下的污染沉积量与步骤b污染沉积量进行对比，得到空间辐射对污染物成分和污染物沉积量的影响：空间辐射产生的电离总剂量效应会增强真空出气污染效应。
f.将步骤a、b和d得到的污染物采样片进行光学性能测试，得到不同温度、有无辐射时真空环境下真空污染对污染物采样片光学性能的影响效应：真空污染会使污染物采样片的光学性能下降，具体表现为透过率降低、光谱偏移，且在高温和存在空间辐射时下降更明显。
实施例2：取有机白漆、铝/聚酰亚胺热控带作为污染源，355nm高反膜和滤波片为污染采样片。
利用所述的电离总剂量诱导航天器舱内分子污染的试验装置进行污染试验。
a.将污染源2放置在污染源温控装置3上，将污染物采样片8放置在污染物采样片温控装置上，关闭真空腔，利用真空系统抽真空至0.1Pa，启动污染成分实时监测系统和污染量监测装置；利用污染源温控装置将污染源温度升高至80℃；利用污染物采样片温控装置将污染物采样片温度控制在-20℃；保持真空与恒温状态一段时间，实时监测污染物的成分和污染沉积量，并传输至所述的测试与控制系统11，得到多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；打开真空腔，取出污染物采样片；
b.将更换后的污染物采样片放置在污染物采样片温控装置上，关闭真空腔，再次抽真空至0.1Pa，启动污染成分实时监测系统和污染量监测装置；利用污染源温控装置将污染源温度升高至200℃；利用污染物采样片温控装置将污染物采样片温度控制在150℃；保持真空与恒温状态一段时间，实时监测污染物的成分和污染沉积量，并传输至所述的测试与控制系统11，得到改变温度后的多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；打开真空腔，取出污染物采样片；
c.将各相同时刻的步骤b改变温度后的污染物的成分与步骤a污染物的成分进行对比，以及各相同时刻的步骤b改变温度后的污染沉积量与步骤a污染沉积量进行对比，得到不同温度背景对污染物成分和污染物沉积量影响：高温下污染沉积量增多；
d.将再次更换的污染物采样片放置在污染物采样片温控装置上，关闭真空腔，再次抽真空至0.1Pa，同时开启辐射源，辐射参数为电子40keV，1*1010p/cm2，启动污染成分实时监测系统和污染量监测装置；保持真空与恒温状态一段时间，实时监测污染物的成分和污染沉积量，并传输至所述的测试与控制系统11，得到辐射后的多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；打开真空腔，取出污染物采样片；
e.将各相同时刻的步骤d辐射情况下的污染物的成分与步骤b污染物的成分进行对比，以及各相同时刻的步骤d辐射情况下的污染沉积量与步骤b污染沉积量进行对比，得到空间辐射对污染物成分和污染物沉积量的影响：空间辐射产生的电离总剂量效应会增强真空出气污染效应；；
将步骤a、b和d得到的污染物采样片进行光学性能测试，得到不同温度、有无辐射时真空环境下真空污染对污染物采样片光学性能的影响效应：真空污染会使污染物采样片的光学性能下降，具体表现为透过率降低、光谱偏移，且在高温和存在空间辐射时下降更明显。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种电离总剂量诱导航天器舱内分子污染的试验装置，其特征在于：包括真空腔（1）、供污染源（2）放置的污染源温控装置（3）、污染源样品台（4）、污染物采样台（5）、供污染物采样片（8）放置的污染物采样片温控装置（6）、污染量监测装置（7）、辐射源（9）、污染成分实时监测系统（10）、测试与控制系统（11）和真空系统（12）；所述的辐射源（9）为电子枪、伽马射线源的一种或多种；
所述的污染源（2）、污染源温控装置（3）、污染源样品台（4）、污染物采样台（5）、污染物采样片温控装置（6）、污染量监测装置（7）、污染物采样片（8）、污染成分实时监测系统（10）均位于真空腔（1）中，真空系统（12）位于真空腔（1）外，用于对所述的真空腔（1）抽真空；
所述的污染源温控装置（3）固定在所述的污染源样品台（4）上，该污染源样品台（4）位于真空腔（1）的底部；所述的辐射源（9）透过真空腔（1）辐照所述的污染源（2）；所述的污染物采样片温控装置（6）固定在所述的污染物采样台（5）上；所述的污染量监测装置（7）安装在所述的污染物采样片温控装置（6）上，用于实时监控所述的真空腔（1）内的污染沉积量；所述的污染成分实时监测系统（10）用于实时监控所述的真空腔（1）内的污染物的成分；所述的测试与控制系统（11）分别与所述的污染量监测装置（7）和污染成分实时监测系统（10）相连。
2.根据权利要求1所述的电离总剂量诱导航天器舱内分子污染的试验装置，其特征在于：所述的真空腔（1）、污染源温控装置（3）、污染源样品台（4）、污染物采样台（5）、污染物采样片温控装置（6）为不锈钢材料制造；污染源（2）为聚酰亚胺类材料、舱内温控漆类材料中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的电离总剂量诱导航天器舱内分子污染的试验装置，其特征在于：所述的污染源温控装置（3）和污染物采样片温控装置（6）均由高温控制和低温控制组成，其中高温控制使用电加热丝，低温控制使用液氮或浴油温控装置，温度范围为-80℃~+220℃。
4.根据权利要求1所述的电离总剂量诱导航天器舱内分子污染的试验装置，其特征在于：所述的污染量监测装置（7）包括石英晶体微量天平。
5.根据权利要求1所述的电离总剂量诱导航天器舱内分子污染的试验装置，其特征在于：所述的污染物采样片（8）为增透膜、滤光片、高反膜、石英玻璃片中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的电离总剂量诱导航天器舱内分子污染的试验装置，其特征在于：所述的污染成分实时监测系统（10）由四级质谱仪实现。
7.利用权利要求1-6任一所述的电离总剂量诱导航天器舱内分子污染的试验装置进行污染试验的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
a. 利用污染量监测装置（7）和污染成分实时监测系统（10），实时监控真空腔（1）恒定温度与时间内，真空环境中污染物的成分和污染沉积量；
b. 改变温度后，利用污染量监测装置（7）和污染成分实时监测系统（10），实时监控真空腔（1）恒定温度与时间内，真空环境中污染物的成分和污染沉积量；
c．将各相同时刻的步骤b改变温度后的污染物的成分与步骤a污染物的成分进行对比，以及各相同时刻的步骤b改变温度后的污染沉积量与步骤a污染沉积量进行对比，得到不同温度背景对污染物成分和污染物沉积量影响；
d. 利用污染量监测装置（7）和污染成分实时监测系统（10），实时监控真空腔（1）恒定温度与时间内，辐射源（9）辐射污染源（2）的情况下，真空环境中污染物的成分和污染沉积量；
e. 将各相同时刻的步骤d辐射情况下的污染物的成分与步骤b污染物的成分进行对比，以及各相同时刻的步骤d辐射情况下的污染沉积量与步骤b污染沉积量进行对比，得到空间辐射对污染物成分和污染物沉积量的影响。
8.根据权利要求7所述的污染试验的方法，其特征在于，该方法还包括：
f. 将步骤a、b和d 得到的污染物采样片进行光学性能测试，得到不同温度、有无辐射时真空环境下真空污染对污染物采样片光学性能的影响效应。
9.根据权利要求7所述的污染试验的方法，其特征在于所述步骤a中利用污染量监测装置（7）和污染成分实时监测系统（10），实时监控真空腔（1）恒定温度与时间内，真空环境中污染物的成分和污染沉积量的具体步骤为：
将污染源（2）放置在污染源温控装置（3）上，将污染物采样片（8）放置在污染物采样片温控装置上，关闭真空腔，利用真空系统抽真空至0.1Pa，启动污染成分实时监测系统和污染量监测装置；利用污染源温控装置将污染源温度升高至20℃~100℃；利用污染物采样片温控装置将污染物采样片温度控制在-80℃~25℃；保持真空与恒温状态一段时间，实时监测污染物的成分和污染沉积量，并传输至所述的测试与控制系统（11），得到多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；打开真空腔，取出污染物采样片。
10.根据权利要求7所述的污染试验的方法，其特征在于，所述步骤b改变温度后，利用污染量监测装置（7）和污染成分实时监测系统（10），实时监控真空腔（1）恒定温度与时间内，真空环境中污染物的成分和污染沉积量的具体步骤为：
将更换后的污染物采样片放置在污染物采样片温控装置上，关闭真空腔，再次抽真空至0.1Pa，启动污染成分实时监测系统和污染量监测装置；利用污染源温控装置将污染源温度升高至100℃~220℃；利用污染物采样片温控装置将污染物采样片温度控制在25℃~220℃；保持真空与恒温状态一段时间，实时监测污染物的成分和污染沉积量，并传输至所述的测试与控制系统（11），得到改变温度后的多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；打开真空腔，取出污染物采样片。
11.根据权利要求7所述的污染试验的方法，其特征在于，所述步骤d利用污染量监测装置（7）和污染成分实时监测系统（10），实时监控真空腔（1）恒定温度与时间内，辐射源（9）辐射污染源（2）的情况下，真空环境中污染物的成分和污染沉积量的具体步骤为：
将再次更换的污染物采样片放置在污染物采样片温控装置上，关闭真空腔，再次抽真空至0.1Pa，同时开启辐射源，启动污染成分实时监测系统和污染量监测装置；保持真空与恒温状态一段时间，实时监测污染物的成分和污染沉积量，并传输至所述的测试与控制系统（11），得到辐射后的多组真空环境中污染物的成分和污染沉积量；打开真空腔，取出污染物采样片。
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