CN114345843A - 一种用于月尘清除的真空辐射离心旋转系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及月尘清除技术领域，具体而言，涉及一种用于月尘清除的真空辐射离心旋转系统及方法，所述系统包括真空模块、辐射源模块、观察模块以及样品台模块，其中：辐射源模块设置在真空模块的内部，并且位于真空模块的顶部；观察模块包括第一观察模块和第二观察模块，第一观察模块设置在真空模块外部的正上方，第二观察模块设置在真空模块外部的侧面；样品台模块设置在真空模块的内部，并且位于辐射源模块的正下方。本申请实现了月尘的清除，对功能表面的材质、功能表面月尘沉积特性、月尘粒径和形貌、功能表面粗糙度以及功能表面形貌等没有限制，并且不需要提供高电压或者高能耗，简单可靠，效率高，解决了在轨能源紧张的问题。

Description

一种用于月尘清除的真空辐射离心旋转系统及方法

技术领域

本申请涉及月尘清除技术领域，具体而言，涉及一种用于月尘清除的真空辐射离心旋转系统及方法。

背景技术

人类对月球的探测活动始于20世纪50年代末，人类向月球发射的众多探测器中有50多颗成功抵达月球或月球附近，一共6艘载人登月飞船携带12名航天人员登上了月球，人类在月球科学和深空探测领域取得了巨大的成就，尽管如此，人类对月球的认识仅是刚刚开始，有许多新的领域需要持续深入地探索，有更广泛的知识需要进一步地深化研究。在人类探测月球任务过程中发现，月球表面有一层风化层，由许多微小的月尘构成，其平均粒径在70μm左右，这些细小的尘埃在Apollo任务中使得许多机械结构、电子设备、热控设备、相机镜头、精密仪器、电缆线、宇航员头盔、宇航服等性能严重降低甚至失效，因此，月尘也被称为月球探测及资源开采的第一大环境因素，由于月尘颗粒形状不规则，有锋利的棱角，会划破探月设备功能表面或卡在机械结构中，在Apollo任务中，宇航员多次提到月尘会粘附在设备及宇航服表面，阻碍了宇航员进一步探测月球的计划，未来航天大国极有可能再次登上月球实现月球基地的建立和原位资源开采利用，对月尘的清除成为了最亟待解决的问题。

对于月尘防护和清除方法的研究，目前公开的主要有以下几种：(1)给设备的功能表面做防护涂层(申请号分别为202010436267.0和202110174664.X)，其中申请号为202010436267.0的专利是通过研制一种低表面能的材料降低月尘与接触表面之间的粘附力来保护功能表面，申请号为202110174664.X的专利公开了一种具有倒凹三角形的表面一级纳米结构和二级表面纳米结构导电填充层的防护方法，降低功能表面表面能的同时进一步减小了月尘颗粒与基底表面的粘附力和静电吸附力，达到保护表面的作用，以上两种方法属于被动保护方法。(2)通过给太阳能电池板表面电极加高压(申请号为：201910012102.8)，使得月尘在太阳能电池板环形电流作用下，离开太阳能电池板表面，这种方法未说明是否在其他表面可以适用。(3)通过超声振动激励的方法实现月尘颗粒从粘附表面的脱落(申请号为：202011437807.3)，即超声换能器的纵振动经纵弯耦合，使所述待除尘构件产生弯曲振动，待除尘构件表面吸附的月尘颗粒获得足够的振动能量，克服吸附势能，脱离所述待除尘构件的表面。目前为止，关于月尘防护和清除的方法，美国NASA也公开收集相关方法用于后续探月任务和资源开采利用。

以上方法中，有主动防护和被动防护两种，被动防护中防护涂层不需要外界提供能源就可以实现，但有一定的适用局限性，而太阳能电池板电极上的月尘清除方法中，未提及对其他材质功能表面的适用性，超声激励法月尘清除方法中，超声换能器的瞬时功率极高，在月面真空环境表面容易出现击穿或放电现象。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种用于月尘清除的真空辐射离心旋转系统及方法，利用电子和紫外光子的辐射源进行一次月尘清除后，再结合离心旋转法实现二次补偿除尘。

为了实现上述目的，本申请提供了一种用于月尘清除的真空辐射离心旋转系统，包括真空模块、辐射源模块、观察模块以及样品台模块，其中：辐射源模块设置在真空模块的内部，并且位于真空模块的顶部；观察模块包括第一观察模块和第二观察模块，第一观察模块设置在真空模块外部的正上方，第二观察模块设置在真空模块外部的侧面；样品台模块设置在真空模块的内部，并且位于辐射源模块的正下方。

进一步的，真空模块包括真空罐、照明灯、法兰以及支架，其中：真空罐通过支架固定在地面上；照明灯悬挂在真空罐顶部的两侧；法兰设置在真空罐的侧壁上。

进一步的，辐射源模块包括电子枪和真空紫外灯，其中：电子枪设置在真空罐的内部，并且位于真空罐顶部的正中央；真空紫外灯设置在真空罐的内部，环绕电子枪设置。

进一步的，第一观察模块包括第一高速相机和第一观察窗，其中：第一观察窗设置在真空罐的顶壁上；第一高速相机设置在第一观察窗的正上方，镜头正对第一观察窗。

进一步的，第二观察模块包括第二高速相机、第二观察窗以及升降支架，其中：第二观察窗设置在真空罐的侧壁上；第二高速相机设置在升降支架上，并且位于第二观察窗的侧面，镜头正对第二观察窗。

进一步的，样品台模块包括旋转转台和升降台，其中：旋转转台设置在真空罐的内部，并且位于电子枪的正下方；升降台设置在旋转转台的下方，一端与旋转转台固定连接，另一端通过滑轮设置在真空罐的内部底面上。

进一步的，真空罐的真空度为10^-5Pa。

进一步的，电子枪的电子能量范围为20keV～1MeV，与旋转转台表面的距离为10cm～50cm。

进一步的，旋转转台为圆形，半径≤10cm。

此外，本申请还提供了一种应用用于月尘清除的真空辐射离心旋转系统的方法，包括如下步骤：步骤1：在旋转转台上固定样品，并将旋转转台调整至距离电子枪50cm处；步骤2：打开真空罐，将罐内抽真空，真空度达到10-5Pa后打开罐内的照明灯；步骤3：开启观察模块，确认第一高速相机和第二高速相机成开机拍摄状态；步骤4：使用第一高速相机记录清除前的样品表面亮度；步骤5：调整电子枪电子出射能量和真空紫外灯强度，直到第二高速相机中无月尘颗粒运动轨迹为止；步骤6：调整旋转转台的高度，每次上升5cm，继续将电子枪能量从小到大增加，直到此高度下无月尘颗粒运动，当旋转转台高度调整至距离电子枪10cm后不再减小两者之间的间距；步骤7：关闭电子枪和真空紫外灯，将样品水平移动到第一高速相机的正下方，拍摄经过辐射除尘后的样品表面亮度，确定一次除尘效率；步骤8：打开旋转转台，将旋转台从1000r/min逐渐增加至5000r/min，调节间隔为每此增加100r，每种转速下停留时间为1min；步骤9：计算一次辐射除尘和二次离心除尘的综合除尘效率。

本发明提供的一种用于月尘清除的真空辐射离心旋转系统及方法，具有以下有益效果：

本申请通过一次辐射粒子清除与二次离心旋转相结合的方式，使得部分月尘颗粒先带电迁移出表面，再将剩余的未离开粘附表面的月尘颗粒通过离心力使其离开表面，实现了月尘的清除，对功能表面的材质、功能表面月尘沉积特性、月尘粒径和形貌、功能表面粗糙度以及功能表面形貌等没有限制，并且不需要提供高电压或者高能耗，简单可靠，效率高，解决了在轨能源紧张的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例提供的用于月尘清除的真空辐射离心旋转系统的示意图；

图2是根据本申请实施例提供的真空紫外灯与电子枪安装分布的示意图；

图中：1-电子枪、2-真空紫外灯、3-第一高速相机、4-第一观察窗、5-照明灯、6-旋转转台、7-升降台、8-法兰、9-第二高速相机、10-升降支架、11-真空罐、12-支架、13-第二观察窗。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

如图1所示，本申请提供了一种用于月尘清除的真空辐射离心旋转系统，包括真空模块、辐射源模块、观察模块以及样品台模块，其中：辐射源模块设置在真空模块的内部，并且位于真空模块的顶部；观察模块包括第一观察模块和第二观察模块，第一观察模块设置在真空模块外部的正上方，第二观察模块设置在真空模块外部的侧面；样品台模块设置在真空模块的内部，并且位于辐射源模块的正下方。

具体的，本申请实施例提供的用于月尘清除的真空辐射离心旋转系统通过辐射源实现了一次月尘带电运动清除，通过离心旋转实现了二次月尘离心运动清除，使得静电力和离心力克服月尘与表面的粘附力和自身重力离开粘附表面，达到月尘清除的目的。其中，真空模块主要用于模拟实际月球的环境，用于更好的观察月尘的状态，辐射源模块主要用于第一次月尘带电清除，观察模块通过上方的第一观察模块和侧面的第二观察模块能够更好的观察月尘的运动轨迹以及月尘表面的亮度，从而分析计算得出月尘的清除率，样品台模块主要用于放置月尘样品，同时用于第二次月尘离心旋转的清除。

进一步的，真空模块包括真空罐11、照明灯5、法兰8以及支架12，其中：真空罐11通过支架12固定在地面上；照明灯5悬挂在真空罐11顶部的两侧；法兰8设置在真空罐11的侧壁上。真空罐11通过支架12固定在地面上，主要用于模拟月球的实际环境，使得到的月尘清除的效果与实际结果更加接近，增加数据的精确度，真空罐11通过法兰8及线缆与外界设备连接，一方面用于抽真空，另一方面用于和其他控制模块连接，从而实现对真空罐11内部的各个模块的控制，照明灯5主要用于提供光照，使得后续观察模块拍摄的图片更加清晰。

进一步的，如图2所示，辐射源模块包括电子枪1和真空紫外灯2，其中：电子枪1设置在真空罐11的内部，并且位于真空罐11顶部的正中央；真空紫外灯2设置在真空罐11的内部，环绕电子枪1设置。电子枪1主要用于提供辐射源，照射到月尘样品的表面，使月尘样品带电从而离开样品台表面，实现月尘的第一次清除。真空紫外灯2以电子枪1为中心，均匀环绕在电子枪1周围成圆形，优选由6个真空紫外灯2组成，且紫外灯光源中心线与电子枪1电子发射中心聚焦于月尘样品中心，真空紫外光2灯可实现0～180°旋转，根据实际情况调节紫外灯光线轴线的位置。

进一步的，第一观察模块包括第一高速相机3和第一观察窗4，其中：第一观察窗4设置在真空罐11的顶壁上；第一高速相机3设置在第一观察窗4的正上方，镜头正对第一观察窗4。第一高速相机3的像素优选为500万，第一高速相机3可以通过顶部滑动轨道连接，从而实现水平移动，拍摄过程中，第一高速相机3的中心位置与月尘样品表面圆心位置点重合。第一观察模块主要用于观察拍摄初始状态下月尘样品表面的亮度，以及二次除尘后月尘样品表面的亮度，通过两次亮度的分析计算得出月尘的清除率。

进一步的，第二观察模块包括第二高速相机9、第二观察窗13以及升降支架10，其中：第二观察窗13设置在真空罐11的侧壁上；第二高速相机9设置在升降支架10上，并且位于第二观察窗13的侧面，镜头正对第二观察窗13。第二高速相机9的像素优选为1000万，通过升降支架10，第二高速相机9可以上下移动，拍摄过程中，第二高速相机9的地面与旋转转台6下端底面在同一水平线上。第二观察模块主要用于观察拍摄除尘阶段样品月尘颗粒的运动轨迹，从而判断月尘是否还存在运动以及除尘的状态。

进一步的，样品台模块包括旋转转台6和升降台7，其中：旋转转台6设置在真空罐11的内部，并且位于电子枪1的正下方；升降台7设置在旋转转台6的下方，一端与旋转转台6固定连接，另一端通过滑轮设置在真空罐11的内部底面上。旋转转台6主要用于放置月尘样品，并且对月尘样品进行第二次离心旋转除尘，升降台7可以控制旋转转台6的上升与下降，并且通过下方设置的滑轮还可以控制旋转转台6进行水平移动。

进一步的，真空罐11的真空度为10^-5Pa。真空罐11的内部主要用于模拟月球的环境，真空度优选为10^-5Pa。

进一步的，电子枪1的电子能量范围为20keV～1MeV，与旋转转台6表面的距离为10cm～50cm。电子枪1主要用于照射月尘样品，能量范围根据实际情况进行选择，初始状态下，将旋转转台6调整到距离电子枪1最远处，后续慢慢向上靠近电子枪1。照射时，电子枪1电子出射轴线位置、真空紫外灯2光学中心焦点与旋转转台6的圆心三者重合。

进一步的，旋转转台6为圆形，半径≤10cm。旋转转台6为圆形，便于辐射源的照射以及月尘的离心旋转清除，最大半径优选为10cm。

此外，本申请还提供了一种应用用于月尘清除的真空辐射离心旋转系统的方法，包括如下步骤：步骤1：在旋转转台6上固定样品，并将旋转转台6调整至距离电子枪50cm处；步骤2：打开真空罐11，将罐内抽真空，真空度达到10^-5Pa后打开罐内的照明灯5；步骤3：开启观察模块，确认第一高速相机3和第二高速相机9成开机拍摄状态；步骤4：使用第一高速相机3记录清除前的样品表面亮度；步骤5：调整电子枪1电子出射能量和真空紫外灯2强度，直到第二高速相机9中无月尘颗粒运动轨迹为止；步骤6：调整旋转转台6的高度，每次上升5cm，继续将电子枪1能量从小到大增加，直到此高度下无月尘颗粒运动，当旋转转台6高度调整至距离电子枪10cm后不再减小两者之间的间距；步骤7：关闭电子枪1和真空紫外灯2，将样品水平移动到第一高速相机3的正下方，拍摄经过辐射除尘后的样品表面亮度，确定一次除尘效率；步骤8：打开旋转转台6，将旋转台从1000r/min逐渐增加至5000r/min，调节间隔为每此增加100r，每种转速下停留时间为1min；步骤9：计算一次辐射除尘和二次离心除尘的综合除尘效率。

具体的，本申请实施例还提供了一种应用用于月尘清除的真空辐射离心旋转系统的方法，包括如下步骤：步骤1：在旋转转台6上固定样品，并将旋转转台6调整至距离电子枪50cm处；步骤2：打开真空罐11，将罐内抽真空，真空度达到10^-5Pa后打开罐内的照明灯5；步骤3：开启观察模块，确认第一高速相机3和第二高速相机9成开机拍摄状态；步骤4：使用第一高速相机3记录清除前的样品表面亮度；步骤5：调整电子枪1电子出射能量和真空紫外灯2强度，使月尘带电，先将旋转转台6调整到距离电子枪1最远处，调整真空紫外灯2角度，使得电子枪1电子出射轴线位置、6个真空紫外灯2光学中心焦点与转台圆心三者重合，然后打开电子枪1和6个真空紫外灯2，待电子枪1输出信号稳定时，测试电子枪1的能量(从低调到高)，通过调节电子枪1能量观察第二高速相机9中是否有月尘颗粒离开粘附表面，如果有月尘颗粒逃出防护表面，则记录此时的电子枪1能量，继续调高电子枪1能量，电子枪1能量增加间隔为10eV，待电子能量保持3min，直到此能量段的电子不能使样品中的月尘颗粒逸出，继续增大电子枪1能量，直到更大的电子能量已不能使月尘颗粒离开防护表面为止；步骤6：调整旋转转台6的高度，每次上升5cm，调整真空紫外灯2角度和转台水平位置，使紫外灯、转台中心和电子枪1的三种中心重合，调整第二高速相机9的高度，使其下表面与转台下表面平齐，继续将电子枪1能量从小到大增加，直到此高度下无月尘颗粒运动，当旋转转台6高度调整至距离电子枪10cm后不再减小两者之间的间距；步骤7：关闭电子枪1和真空紫外灯2，将样品水平移动到第一高速相机3的正下方，拍摄经过辐射除尘后的样品表面亮度，观察第一高速相机3中图片的亮度，得到通过电子枪1和真空紫外灯2综合照射下的月尘清除率；步骤8：打开旋转转台6，将旋转台从1000r/min逐渐增加至5000r/min，调节间隔为每次增加100r，每种转速下停留时间为1min，直到转台转速达到最大值；步骤9：分析计算得到二次清除率和总的月尘清除率。

下面结合粒径不同的样品月尘清除率的对比，对本申请实施例做进一步的说明：

将模拟月尘颗粒的样品通过筛网进行粒径筛选，使用5μm、10μm、15μm、20μm、30μm、50μm、70μm的筛子，可以获得粒径范围为＜5μm，5μm～10μm，10μm～15μm，15μm～20μm，20μm～30μm，30μm～50μm，50um～70um的7组月尘粒径数据，通过微量天平分别称取2g，4g，6g，8g的模拟月尘，将其平铺在载玻片中心，然后依照上述实验步骤进行月尘清除实验。

研究发现，不同粒径的月尘颗粒在相同质量下通过此方法实验得到的月尘清除效率误差在5％以内，对于大颗粒的月尘，在第一阶段除尘效率较低，但在第二阶段的除尘效率高，对于小颗粒月尘(20μm以下)，在第一阶段除尘效率高，在第二阶段除尘效率低。

因此，本申请实施例提供的用于月尘清除的真空辐射离心旋转系统及方法，通过辐射源实现了一次月尘带电运动清除，通过离心旋转实现了二次月尘离心运动清除，使得静电力和离心力克服月尘与表面的粘附力和自身重力离开粘附表面，达到月尘清除的目的，可应用与未来月球探测任务中月尘污染危害严重的情形。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于月尘清除的真空辐射离心旋转系统，其特征在于，包括真空模块、辐射源模块、观察模块以及样品台模块，其中：

所述辐射源模块设置在所述真空模块的内部，并且位于所述真空模块的顶部；

所述观察模块包括第一观察模块和第二观察模块，所述第一观察模块设置在所述真空模块外部的正上方，所述第二观察模块设置在所述真空模块外部的侧面；

所述样品台模块设置在所述真空模块的内部，并且位于所述辐射源模块的正下方。

2.如权利要求1所述的用于月尘清除的真空辐射离心旋转系统，其特征在于，所述真空模块包括真空罐、照明灯、法兰以及支架，其中：

所述真空罐通过所述支架固定在地面上；

所述照明灯悬挂在所述真空罐顶部的两侧；

所述法兰设置在所述真空罐的侧壁上。

3.如权利要求2所述的用于月尘清除的真空辐射离心旋转系统，其特征在于，所述辐射源模块包括电子枪和真空紫外灯，其中：

所述电子枪设置在所述真空罐的内部，并且位于所述真空罐顶部的正中央；

所述真空紫外灯设置在所述真空罐的内部，环绕所述电子枪设置。

4.如权利要求3所述的用于月尘清除的真空辐射离心旋转系统，其特征在于，所述第一观察模块包括第一高速相机和第一观察窗，其中：

所述第一观察窗设置在所述真空罐的顶壁上；

所述第一高速相机设置在所述第一观察窗的正上方，镜头正对所述第一观察窗。

5.如权利要求3所述的用于月尘清除的真空辐射离心旋转系统，其特征在于，所述第二观察模块包括第二高速相机、第二观察窗以及升降支架，其中：

所述第二观察窗设置在所述真空罐的侧壁上；

所述第二高速相机设置在所述升降支架上，并且位于所述第二观察窗的侧面，镜头正对所述第二观察窗。

6.如权利要求3所述的用于月尘清除的真空辐射离心旋转系统，其特征在于，所述样品台模块包括旋转转台和升降台，其中：

所述旋转转台设置在所述真空罐的内部，并且位于所述电子枪的正下方；

所述升降台设置在所述旋转转台的下方，一端与所述旋转转台固定连接，另一端通过滑轮设置在所述真空罐的内部底面上。

7.如权利要求2所述的用于月尘清除的真空辐射离心旋转系统，其特征在于，所述真空罐的真空度为10^-5Pa。

8.如权利要求6所述的用于月尘清除的真空辐射离心旋转系统，其特征在于，所述电子枪的电子能量范围为20keV～1MeV，与所述旋转转台表面的距离为10cm～50cm。

9.如权利要求8所述的用于月尘清除的真空辐射离心旋转系统，其特征在于，所述旋转转台为圆形，半径≤10cm。

10.一种应用权利要求1-9任一项所述的用于月尘清除的真空辐射离心旋转系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在旋转转台上固定样品，并将旋转转台调整至距离电子枪50cm处；

步骤2：打开真空罐，将罐内抽真空，真空度达到10^-5Pa后打开罐内的照明灯；

步骤3：开启观察模块，确认第一高速相机和第二高速相机成开机拍摄状态；

步骤4：使用第一高速相机记录清除前的样品表面亮度；

步骤5：调整电子枪电子出射能量和真空紫外灯强度，直到第二高速相机中无月尘颗粒运动轨迹为止；

步骤6：调整旋转转台的高度，每次上升5cm，继续将电子枪能量从小到大增加，直到此高度下无月尘颗粒运动，当旋转转台高度调整至距离电子枪10cm后不再减小两者之间的间距；

步骤7：关闭电子枪和真空紫外灯，将样品水平移动到第一高速相机的正下方，拍摄经过辐射除尘后的样品表面亮度，确定一次除尘效率；

步骤8：打开旋转转台，将旋转台从1000r/min逐渐增加至5000r/min，调节间隔为每此增加100r，每种转速下停留时间为1min；

步骤9：计算一次辐射除尘和二次离心除尘的综合除尘效率。

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