CN114560109A - 一种空间质子深层充电地面模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种空间质子深层充电地面模拟装置及方法，包括机架，机架上设有真空靶室，真空靶室一侧设有质子回旋加速器，质子回旋加速器输出端连接有束流输运线的一端，束流输运线另一端与真空靶室入口端相对应；真空靶室包括固定连接在机架顶部的真空靶室主体，真空靶室主体侧壁设有钛膜窗，束流输运线远离质子回旋加速器的一端与钛膜窗相对应，束流输运线与钛膜窗之间预留有间隔，真空靶室主体侧壁设有测试接头，真空靶室主体内设有静电电位计探头，真空靶室主体底面设有位移平台，真空靶室主体底部连通有抽真空组件。本发明可以解决空间质子辐射诱发材料和器件深层充电效应研究地面模拟装置的建设方法问题。

Description

一种空间质子深层充电地面模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及航空航天领域，尤其涉及一种空间质子深层充电地面模拟装置及方法。

背景技术

空间高能带电粒子容易在航天器表面的介质材料内部或者穿过航天器屏蔽层在其内部的介质材料及悬浮导体上沉积电荷，当沉积电荷产生的电场超过一定阈值时会发生放电现象，通常称之为航天器深层充电或内部充电效应。

大量空间飞行试验表明，深层充电效应是导致航天器在轨故障的重要原因之一。在近地球轨道，深层充电效应主要由地球辐射带的高能电子导致。而到了行星际深空轨道，航天器遭遇的辐射环境主要来自银河宇宙线(GCR)和太阳质子事件(SPE)。GCR是来自太阳系外能量极高而通量极低的带电粒子，成分几乎包含了地球元素周期表中的所有元素，各成分的粒子通量随原子序数增大总体上呈减小趋势。其中，质子约占85％，α粒子约占14％，而其它重核成分只占1％左右，其中C、O、Si、Fe等几种核素粒子强度相对较高。SPE是太阳发生耀斑时发射出的高能带电粒子流，也包含各种成分的离子，其成分绝大部分是质子。木星探测、小行星采样返回、太阳系边际探测、空间引力波探测等是太空飞行中的一些项目，质子深层充电效应对航天器平台安全、科学数据获得对太空飞行项目有重要影响。木星是各国深空探测的目标,木星轨道比地球轨道拥有更加恶劣的高能粒子辐射环境。当Voyager1经过木星时,至少造成42例内部静电放电事件。木星轨道的深层介质充电效应防护也越来越引起人们的重视。引力波探测的航天器在深空环境中飞行时，GCR高能粒子能够穿透航天器屏蔽入射到测试质量导致测试质量产生残余电荷。带电后的测试质量在电极库仑力或者磁场洛伦兹力的干扰下，产生加速度噪声对引力波科学探测造成严重影响。因此，质子深层充电效应会对我国未来深空探测任务造成潜在威胁。

综上，研究高能质子导致深层充电效应的物理机制，建立相应的地面试验方法和手段，揭示质子深层充电效应对典型器件的影响规律，可为未来深空科学探测、粒子束应用等领域提供广泛的技术支撑。

国外针对空间高能电子导致的深层充电效应建立了许多实验装置，并开展了大量基础研究，但高能质子深层充电及对器件影响的地面模拟研究方面未见报道。英国国防科技集团Qinetiq在REEF装置上曾进行代表性的CMOS脉冲触发电路实验，电路板上芯片采用2mm铝屏蔽以避免因总剂量效应而失效，PCB电路板上另有悬浮金属块，同时延长了CMOS芯片74HC74输入端导线的长度，以增加PCB板上放电信号的影响。实验在不破坏真空条件下持续了一个月，其结果表明在相同束流强度辐照下，CMOS触发器输出异常次数与温度相关，当温度越低时异常次数越高。美国NASA的JPL实验室采用电荷存储衰减法研究空间辐射环境下介质的电阻率。JPL电荷存储衰减装置采用keV能量电子对介质样品进行辐照，后测试样品上表面电位的衰减过程。法国空间实验室的SIRENE装置采用10-400keV电子加速器开展深层充电试验研究，主要对Kapton、Teflon样品进行单能和连续能谱辐照和充放电实验。此外，加拿大多伦多大学也建立了以电子枪和Sr90放射源为辐照源的实验装置，并开展了地面充放电试验研究。日本武藏工业大学的实验装置包含一个小真空罐及最高电压100kV的电子发射极，主要用于测量电子辐照下介质内空间电荷分布。

综上所述，截至目前，国内外深层充电地面模拟装置及方法仅限于高能电子深层充电领域，在质子深层充电领域仅限于仿真研究，质子深层充电地面模拟实验还未开展，质子深层充电地面模拟实验方法还未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种空间质子深层充电地面模拟装置及方法，以解决上述问题，解决空间质子辐射诱发材料和器件深层充电效应研究地面模拟装置的建设方法问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种空间质子深层充电地面模拟装置，包括机架，所述机架上设有真空靶室，所述真空靶室一侧设有质子回旋加速器，所述质子回旋加速器输出端连接有束流输运线的一端，所述束流输运线另一端与所述真空靶室入口端相对应；

所述真空靶室包括固定连接在所述机架顶部的真空靶室主体，所述真空靶室主体侧壁设有钛膜窗，所述束流输运线远离所述质子回旋加速器的一端与所述钛膜窗相对应，所述束流输运线与所述钛膜窗之间预留有间隔，所述真空靶室主体侧壁设有测试接头，所述真空靶室主体内设有静电电位计探头，所述真空靶室主体底面设有位移平台，所述真空靶室主体底部连通有抽真空组件。

优选的，所述真空靶室主体侧壁固定连接有升降机构，所述升降机构的活动端固定连接有真空室上盖，所述真空室上盖底面与所述真空靶室主体顶部密封设置。

优选的，所述真空靶室主体侧壁连通有若干法兰，所述测试接头安装在所述法兰上，所述测试接头包括BNC接口、SMA接口、航空插头、高压接头、DB9串口、USB接头；所述真空靶室主体侧壁设有观察窗。

优选的，抽真空组件包括连通在所述真空靶室主体底部的抽气管路，所述抽气管路远离所述真空靶室主体的一端连通有第一电磁阀，所述抽气管路侧壁连通有预抽旁路的两端，所述预抽旁路上设有手动阀门和第二电磁阀，所述第一电磁阀位于所述预抽旁路与所述抽气管路连通的两端之间，所述抽气管路的末端连通有泵组。

优选的，所述机架底部转动连接有滚轮，所述机架底部固定连接有高度调节支架。

一种空间质子深层充电地面模拟装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一、实验前准备，检查装置各部件是否正常；

步骤二、调节所述真空靶室主体高度，使所述钛膜窗中心与所述束流输运线中心高度一致；

步骤三、将所述位移平台固定在所述真空靶室主体底面，将待测样品安置在所述位移平台上，调节所述位移平台位置，使样品对正所述钛膜窗，并调节所述静电电位计探头位置；

步骤四、打开设备电源，所述抽真空组件运行，对所述真空靶室主体内抽真空，使所述真空靶室主体内真空度满足要求；

步骤五、开启所述质子回旋加速器，对所述待测样品进行辐照，辐照完成后关闭所述质子回旋加速器；

步骤六、调节所述位移平台位置，使所述步骤五中辐射完成后的所述待测样品移动至所述静电电位计探头；

步骤七、实验结束后，记录数据。

优选的，所述步骤四中，所述真空靶室主体的真空度为10-4Pa。

本发明具有如下技术效果：

本发明有别于传统高能电子充电效应地面模拟装置，首次提出针对高能质子深层充电效应的地面模拟装置及方法，可用于研究质子深层充电作用机理和评估技术，具有学术创新性、技术带动性、研究方法创新性。

本发明可用于研究材料及器件在质子辐照下的深层充放电损伤问题，开展新的充电物理机制与放电影响规律研究；可用于研究不同辐照条件下的充放电脉冲特征及对材料和器件的损伤效应，揭示质子深层充放电效应对器件的损伤规律与阈值条件。研究结果可为我国未来深空科学探测领域提供广泛的技术支撑，也可为粒子束空间应用效果提供理论指导和设计参数。粒子束空间应用一直是国内外研究的热点之一，而如何实现高效打击效果始终是其最核心的关键问题。本课题成果对于高能质子充电效应的研究可揭示对航天器的影响机制和规律，为相关应用和设计提供关键参数和理论指导。

本发明的优点在于，不同于传统的与加速器真空系统直接相连的真空靶室，本发明中的空间质子深层充电地面模拟装置采用独立真空系统，通过钛膜窗与束流输运线软连接实现真空条件下的质子束流辐照试验。本发明具有较全面的功能和通用性；既可作真空环境的辐照测试，又可作大气环境或其他气压条件的辐照测试；即可做材料辐照实验，又可用于单个器件或整机测试试验；还可实时在线测量深层充电电位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明真空靶室结构示意图。

其中，1、质子回旋加速器；2、束流输运线；3、真空靶室；4、真空靶室主体；5、钛膜窗；6、升降机构；7、真空室上盖；8、观察窗；9、法兰；10、抽气管路；11、第一电磁阀；12、手动阀门；13、泵组；14、预抽旁路；15、第二电磁阀；16、机架；17、滚轮；18、高度调节支架；19、位移平台；20、静电电位计探头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-2所示，本发明提供一种空间质子深层充电地面模拟装置，包括机架16，机架16上设有真空靶室3，真空靶室3一侧设有质子回旋加速器1，质子回旋加速器1输出端连接有束流输运线2的一端，束流输运线2另一端与真空靶室3入口端相对应；

真空靶室3包括固定连接在机架16顶部的真空靶室主体4，真空靶室主体4侧壁设有钛膜窗5，束流输运线2远离质子回旋加速器1的一端与钛膜窗5相对应，束流输运线2与钛膜窗5之间预留有间隔，真空靶室主体4侧壁设有测试接头，真空靶室主体4内设有静电电位计探头20，真空靶室主体4底面设有位移平台19，真空靶室主体4底部连通有抽真空组件。

真空靶室主体4底面固定连接有蜂窝板，位移平台19底边设有定位销，位移平台19通过定位销和螺钉与蜂窝板可拆卸连接。

钛膜窗5内设有钛膜，束流输运线2与钛膜窗5之间采用预留间隔的软连接方式实现真空条件下的质子束流辐照试验，质子回旋加速器1选用1-50MeV中能质子加速器，使其引出质子束流能量30MeV～50MeV，引出束流流强10nA～100A，束流从回旋加速器引出后经过束流输运线2，束流输运线2采用两台45度偏转磁铁进行偏转后进入实验厅，两次偏转过程中可以将束流调整至辐射效应实验所需要的品质，随后进入到真空靶室3辐照到实验样品上，真空靶室主体4采用304不锈钢材质，壁厚不低于6mm。

进一步优化方案，真空靶室主体4侧壁固定连接有升降机构6，升降机构6的活动端固定连接有真空室上盖7，真空室上盖7底面与真空靶室主体4顶部密封设置。升降机构6可以采用丝杠组件进行升降控制，真空靶室主体4采用上开门结构，由升降机构6控制真空室上盖7的开启和关闭，便于真空靶室主体4内部元件的安装和拆卸。

进一步优化方案，真空靶室主体4侧壁连通有若干法兰9，测试接头安装在法兰9上，测试接头包括BNC接口、SMA接口、航空插头、高压接头、DB9串口、USB接头；真空靶室主体4侧壁设有观察窗8。

进一步优化方案，抽真空组件包括连通在真空靶室主体4底部的抽气管路10，抽气管路10远离真空靶室主体4的一端连通有第一电磁阀11，抽气管路10侧壁连通有预抽旁路14的两端，预抽旁路14上设有手动阀门12和第二电磁阀15，第一电磁阀11位于预抽旁路14与抽气管路10连通的两端之间，抽气管路10的末端连通有泵组13。

为防止钛膜窗5在抽粗真空过程中破损，真空靶室的抽气管路10采用双管路操作，首次抽粗真空前，关闭第一电磁阀11，开启第二电磁阀15，关闭手动阀门12；开始抽气后，缓慢打开手动阀门12，在保证钛膜窗5不破损的前提下缓慢抽粗真空，手动阀门12调整好后固定，此后抽真空可不再调整手动阀门12，仅由第二电磁阀15的开关控制预抽旁路14的开启和关闭；当真空靶室主体4内部气压降低至10-4Pa量级后，开启第一电磁阀11，抽气管路10进行抽真空。泵组13可选用机械泵和分子泵。真空靶室主体4内配套有复合真空计(图中未画出)，泵组13根据真空靶室主体4尺寸选择泵组，空载冷态时极限真空应达到1x10-4Pa。

进一步优化方案，机架16底部转动连接有滚轮17，机架16底部固定连接有高度调节支架18。

机架16底部设置滚轮17，方便真空靶室主体4的移动，机架16底部设置高度调节支架18，可以对真空靶室主体4的高度进行调节。

装置配有集成电控系统，集成电控系统装有总电源开关、指示灯、机械泵操作开关、阀门操作开关、泵组13操作开关、真空计等相关仪表。面板上设有急停开关，能在非常时期立即停止所有部件的供电，机架16上设有控制柜，控制柜内部有PLC、交流接触器、继电器等，机柜上有安全接地，设备具有断电、断水报警功能。设备远端配置工控机及显示器，通过网线连接可以对设备进行远程操作。集成电控系统及控制柜内元件的连接方式及控制方式为本领域现有技术，在此不再赘述。

此外，本装置配备冷水机，满足泵组13水冷条件要求；配备空压机，用于为泵组13上的气动阀门供气。

一种空间质子深层充电地面模拟装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一、实验前准备，检查装置各部件是否正常；

步骤二、调节真空靶室主体4高度，使钛膜窗5中心与束流输运线2中心高度一致；

步骤三、将位移平台19固定在真空靶室主体4底面，将待测样品安置在位移平台19上，调节位移平台19位置，使样品对正钛膜窗5，并调节静电电位计探头20位置；

步骤四、打开设备电源，抽真空组件运行，对真空靶室主体4内抽真空，使真空靶室主体4内真空度满足要求；

步骤五、开启质子回旋加速器1，对待测样品进行辐照，辐照完成后关闭质子回旋加速器1；

步骤六、调节位移平台19位置，使步骤五中辐射完成后的待测样品移动至静电电位计探头20；

步骤七、实验结束后，记录数据。

进一步优化方案，步骤四中，真空靶室主体4的真空度为10-4Pa。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种空间质子深层充电地面模拟装置，其特征在于，包括机架(16)，所述机架(16)上设有真空靶室(3)，所述真空靶室(3)一侧设有质子回旋加速器(1)，所述质子回旋加速器(1)输出端连接有束流输运线(2)的一端，所述束流输运线(2)另一端与所述真空靶室(3)入口端相对应；

所述真空靶室(3)包括固定连接在所述机架(16)顶部的真空靶室主体(4)，所述真空靶室主体(4)侧壁设有钛膜窗(5)，所述束流输运线(2)远离所述质子回旋加速器(1)的一端与所述钛膜窗(5)相对应，所述束流输运线(2)与所述钛膜窗(5)之间预留有间隔，所述真空靶室主体(4)侧壁设有测试接头，所述真空靶室主体(4)内设有静电电位计探头(20)，所述真空靶室主体(4)底面设有位移平台(19)，所述真空靶室主体(4)底部连通有抽真空组件。

2.根据权利要求1所述的一种空间质子深层充电地面模拟装置，其特征在于，所述真空靶室主体(4)侧壁固定连接有升降机构(6)，所述升降机构(6)的活动端固定连接有真空室上盖(7)，所述真空室上盖(7)底面与所述真空靶室主体(4)顶部密封设置。

3.根据权利要求1所述的一种空间质子深层充电地面模拟装置，其特征在于，所述真空靶室主体(4)侧壁连通有若干法兰(9)，所述测试接头安装在所述法兰(9)上，所述测试接头包括BNC接口、SMA接口、航空插头、高压接头、DB9串口、USB接头；所述真空靶室主体(4)侧壁设有观察窗(8)。

4.根据权利要求1所述的一种空间质子深层充电地面模拟装置，其特征在于，抽真空组件包括连通在所述真空靶室主体(4)底部的抽气管路(10)，所述抽气管路(10)远离所述真空靶室主体(4)的一端连通有第一电磁阀(11)，所述抽气管路(10)侧壁连通有预抽旁路(14)的两端，所述预抽旁路(14)上设有手动阀门(12)和第二电磁阀(15)，所述第一电磁阀(11)位于所述预抽旁路(14)与所述抽气管路(10)连通的两端之间，所述抽气管路(10)的末端连通有泵组(13)。

5.根据权利要求1所述的一种空间质子深层充电地面模拟装置，其特征在于，所述机架(16)底部转动连接有滚轮(17)，所述机架(16)底部固定连接有高度调节支架(18)。

6.一种权利要求1-5任一项所述空间质子深层充电地面模拟装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、实验前准备，检查装置各部件是否正常；

步骤二、调节所述真空靶室主体(4)高度，使所述钛膜窗(5)中心与所述束流输运线(2)中心高度一致；

步骤三、将所述位移平台(19)固定在所述真空靶室主体(4)底面，将待测样品安置在所述位移平台(19)上，调节所述位移平台(19)位置，使样品对正所述钛膜窗(5)，并调节所述静电电位计探头(20)位置；

步骤四、打开设备电源，所述抽真空组件运行，对所述真空靶室主体(4)内抽真空，使所述真空靶室主体(4)内真空度满足要求；

步骤五、开启所述质子回旋加速器(1)，对所述待测样品进行辐照，辐照完成后关闭所述质子回旋加速器(1)；

步骤六、调节所述位移平台(19)位置，使所述步骤五中辐射完成后的所述待测样品移动至所述静电电位计探头(20)；

步骤七、实验结束后，记录数据。

7.根据权利要求6所述的空间质子深层充电地面模拟装置的使用方法，其特征在于，所述步骤四中，所述真空靶室主体(4)的真空度为10-4Pa。

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