CN201348645Y - 玻璃钢真空容器等离子体试验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种本玻璃钢真空容器等离子体环境试验系统，主要包括真空容器，等离子源，抽气子系统；真空容器包括有真空封盖大门，容器体，真空封盖大门通过铰链联接到容器体上；容器体的另一端端部中心部位通过阀门与等离子体源连接，端部的上方有供液氮流出热沉的出口装置，正下部有供液氮进入热沉的进口装置；容器体上方有用于各种测量使用的法兰接口，容器体的中间水平位置上有用于观察内部环境的玻璃窗；真空容器的下部有用于支撑的支座，容器采用卧式方式固定在支座上。本实用新型不仅能获得清洁真空环境，而且满足了在10SCCM流量下获得压力≤1.3×10^－3Pa的工作真空度要求。在小气量注入的条件下还能达到更高的真空度，可以到10^－6Pa量级。

Description

玻璃钢真空容器等离子体试验系统

技术领域

本实用新型涉及地面等离子体环境模拟试验，具体涉及一种玻璃钢真空容器的大体积等离子体环境模拟试验系统。

背景技术

随着航天技术的不断发展，高分辨率侦察、遥感卫星对高精度天线的需求较为迫切。要求卫星天线和太阳阵等大型外露部件在热设计、功率耐受能力、抗空间粒子效应方面有更高的可靠性。在研制过程中必须经过充分环境模拟试验来验证这些关键性能。

在十五期间我们就开展了原子氧环境、空间辐照等对航天器的影响研究工作，随着长寿命高可靠卫星的研制要求越来越高，对空间环境的研究也不断深入，这些年大家十分关注空间等离子体环境对卫星关键部件的影响。因为等离子体环境可以引起航天器天线、高压太阳阵等其他外露部件的等离子鞘效应、法拉第效应、附加电流效应、表面放电效应。这包括以下多方面内容：

a.航天器天线上间隔、缝隙区的等离子体电子倍增微放电效应，会导致天线表面微放电现象，影响天线传输功率严重下降，乃至损坏天线或微波器件。

b.航天器天线与等离子体环境相互作用，会在天线表面形成一层等离子体鞘，破坏天线的阻抗匹配特性，使天线传输效率及赋型特性变坏。

c.航天器天线信号在等离子体中传播时，产生法拉第效应，造成电磁波极化面偏转，使信号质量变坏。

d.航天器高压太阳帆板通过等离子体环境时，产生附加电流效应，造成太阳阵功率下降。

e.航天器表面与等离子体碰撞，会产生离子溅射效应，导致表面材料出气增加，性能退降，污染加重。

为了满足这些方面的试验研究，十分有必要研制一个大型的，玻璃钢真空容器的等离子体试验设备作为这项研究的基础设备，以解决高分辨率侦察、遥感卫星以及其它航天器数传天线热控及热设计指标、功率耐受能力、二次电子倍增放电击穿效应的性能检测试验需求。同时，兼顾中低轨道上航天器数传天线类似试验测试的需要。以及，满足航天器天线、高压太阳阵等其他外露部件的等离子环境效应试验研究的需要。

为了较真实地进行天线等微波传输产品的功率测量，需要在设备外部通过遥测的方式进行测量，因此需要有透波功能的真空容器。对于研制金属的真空容器已经有成成熟的经验，但是在非金属真空容器方面，还没有成熟经验可以借鉴，经过调研分析，采用玻璃钢材料制作承受1atm外压的真空容器，并作为等离子体设备的主要试验容器。通过立项和申请，以及方案论证，国家通过专项技术改造得以批复实施，最终完成了该项大型玻璃钢真空容器的等离子体环境试验系统的研制工作。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种获得空间等离子体环境的实验模拟系统，该系统能通过控制等离子源的进气量，实现不同能量的等离子体环境，同时，可以利用玻璃钢真空容器实现被测产品的功率直接发射功率的测量，较真实的模拟这些功率发射产品的在空间等离子体环境下的影响。

本实用新型的目的可由以下技术方案完成的：

本玻璃钢真空容器等离子体环境试验系统，主要包括真空容器，等离子源，抽气子系统；真空容器包括有真空封盖大门，容器体，真空封盖大门通过铰链联接到容器体上；容器体的另一端端部中心部位通过阀门与等离子体源连接，端部的上方有供液氮流出热沉的出口装置，正下部有供液氮进入热沉的进口装置；容器体上方有用于各种测量使用的法兰接口，容器体的中间水平位置上有用于观察内部环境的玻璃窗；真空容器的下部有用于支撑的支座，容器采用卧式方式固定在支座上。

上述系统中，所述的真空容器为能满足工作压力小于或等于1.3×10^-3Pa的容器装置。其中，容器体的形状可以是圆柱形，方形，球体形状；端部采用的形式可以是平板型封头，碟型封头，椭圆型封头，球冠型封头等。真空封盖大门的形状也可以是平板型封头，碟型封头，椭圆型封头，球冠型封头等。容器体和真空封盖大门的材料可以是金属也可以是非金属等材料。

其中，所述的抽气子系统为能够实现对真空容器进行抽气，实现真空获得的装置，采用无油抽气方式来实现干净，清洁真空环境的获得。这些抽气方式包括分子泵和干泵组合方式；低温泵和干泵组合方式；还有低温泵、分子泵共同与无油机械泵组合方式；以及低温泵、分子泵等做为主抽气泵与机械增压泵和干泵的组合方式等多种。

其中，等离子源子系统的形式有多种，主要用于产生满足要求的等离子体条件。产生等离子体的方法有直流(DC)、射频容性耦合(CCP)、射频感应耦合(ICP)、微波、微波ECR等。前四种可以用磁场，也可以不用磁场；但微波ECR必须用磁场。

本实用新型的优点在于：利用该试验系统不仅可以获得满足要求的等离子体环境，模拟卫星产品的等离子环境效应，更重要的是利用玻璃钢真空封盖大门能实现透波的特点，对于需要在设备外部测量卫星产品的微波和信号传输的试验项目，以及测试空间环境下产品的变形量等项目时，可以在该系统的外部直接进行测试，设备能较真实模拟卫星产品的真实状态(例如测量卫星天线的加载测试，以及天线的空间环境下的变形量测试等)，而不用其他间接测量的方式完成微波参数的测试。另外采用玻璃钢高真空容器研制技术和应用在等离子环境试验设备中在国内还是首次。另外，利用该装置的大范围，高温度和高密度等离子体环境模拟效应，以及移动装置和热沉等实现卫星产品在等离子体环境中不同温度，不同等离子体密度下的等离子体效应的测试。这样大的等离子体环境模拟设备在过内也是目前最大的设备。

附图说明

图1为本实用新型的系统示意图。

其中，1、真空封盖大门；2、测量使用的法兰接口；3、液氮从热沉排出的出口；4、等离子源；5、液氮进出热沉的进口；6、支座；7、抽气子系统；8、观察窗；9、容器体；10铰链。

图2为本实用新型的玻璃钢与金属容器连接的铰链的示意图。

具体实施方式

图1为本实用新型的玻璃钢真空容器等离子体环境试验系统的示意图。本实用新型的玻璃钢真空容器等离子体环境试验系统主要包括真空容器，等离子源4，抽气子系统7；真空容器包括有真空封盖大门1，容器体9，真空封盖大门1通过铰链10联接到容器体9上；容器体9的另一端端部中心部位通过阀门与等离子体源4连接，端部的上方有供液氮流出热沉的出口3，正下部有供液氮进入热沉的进口5；容器体9上方有用于各种测量使用的法兰接口2，容器体9的中间水平位置上有用于观察内部环境的玻璃窗8；真空容器9的下部有用于支撑的支座6，容器采用卧式方式固定在支座6上。

具体实施方式是，开启真空容器的真空封盖大门1，将卫星产品安装在试验设备的移动小车及平台上，布置好测量信号传感器，并通过测量使用的法兰接口2，与监测设备连接。容器体在本实用新型中优先采用金属材料的圆柱型结构，尺寸为：Φ1500mm×2000mm，因为这种结构有一个较好的受力分布状态，不易失稳；在获得有效容积和使用安全等方面的综合性能较理想，同时也实现了国内目前最大的等离子体环境模拟设备。容器体的前面有一个用于观察产品状态的观察窗8。

真空封盖大门优先采用的是玻璃钢半球形状，根据技术要求玻璃钢对S、X波段(2-3，8-9GHz)范围的电磁波反射功率不大于入射功率的30％，同时还要承受个大气压的外压条件下保持容器内压力小于等于1.3×10^-3Pa。具体实施上通过透波性能分析和仿真计算，确定玻璃钢容器的基本结构形式和基本壁厚，然后通过有限元分析和玻壳理论分析强度和刚度，同时对玻璃钢材料在低温条件下的温度梯度进行分析计算，最后经过工艺试验对样品的真空放气和渗透性能测试。在具体设计的过程中综合考虑研制的工艺要求，结合工艺试验确保了高真空密封性能和小的透气性能。最终研制一个半径为SR750mm的半球型结构与一个φ1500mm×250mm直筒段的实芯壁结构玻璃钢结构。大门法兰的密封面通过预埋件的形式与金属法兰固定，解决了大门的支撑和链接等技术问题。

关闭大门，真空封盖大门通过铰链10，以及夹紧器与容器体对接密闭，使卫星产品处于真空容器内密闭空间。参见附图2，为本实用新型的玻璃钢真空封盖大门和金属容器之间的铰链。该系统采用的是双铰链连接机构。该结构不仅解决了安装空间方面的限制，也能轻便、灵活的开关大门。解决了单铰链机构经常出现的弊端，单铰链属于三杆连接机构，有一个转动轴，在同轴度方面需要很高的安装工艺，不然大门与筒体法兰之间出现干涉，无法调节；抽气过程中大门会向容器侧有一个微小位移的运动过程，单铰链机构因铰链壁的杠杆作用使大门在运动过程中出现径向侧移，容易产生密封圈错位或划伤。双铰链结构，属于四杆机构，有两个转动轴，可以避免出现上述情况，也利于保证铰链安装过程中的同轴度，便于实现将来拆卸和更换大门的操作。

真空封盖大门关闭后，启动抽气子系统7，对容器内部进行抽真空，使压力达到技术条件要求的压力范围。该抽气子系统采用了低温泵作系统的主泵，分子泵为维持泵，前级泵为爪式干泵的组合方式。工作时干泵兼做为系统的粗抽泵，对容器的抽气；当到达分子泵启动的压力范围后，启动分子泵，这时干泵转换为分子泵的前级泵；当压力进一步降低，达到低温泵启动的条件后，启动低温泵进行抽气，根据测试需要，可对分子泵和干泵进行关闭。由于抽气系统采用的全部是无油抽气泵，获得了无油污染的干净真空环境。由于采用先进的抽气组合方式，该实用新型不仅能获得清洁真空环境，而且满足了在10SCCM流量下获得压力≤1.3×10^-3Pa的工作真空度要求。在小气量注入的条件下还能达到更高的真空度，可以到到10^-6Pa量级。

当真空容器的压力达到要求后，启动等离子源4，获得所需要的等离子体环境。本实用新型采用的等离子源为轴向注入的磁镜场微波ECR等离子体源，由微波源、气体流量控制器、流量显示仪、磁镜场线圈、ECR等离子体共振腔，扩散杯，分子泵、几何和电位调节栅、栅前及栅后检测探针等组成。共振腔的尺寸约为φ120mm×300mm，扩散杯的尺寸为φ250mm×300mm。具体实施是将等离子源安装在容器体一端封头的中心轴线上，通过阀门与容器体相接，阀开启后，等离子体可注入真空容器室中。等离子体源单独调试时，关闭插板阀，分子泵、扩散杯和等离子体源构成独立的、小空间的真空环境，便于等离子体源参数的调节与维修。

等离子体源的工作原理是：由微波管产生的微波(2450MHz)经波导和石英窗平行于磁场注入微波ECR共振腔(微波输入1)，微波在ECR共振层加热电子，产生高密度等离子体。等离子体沿着磁力线扩散到真空容器中，按照双极扩散的规律充满真空容器。为提高电子温度，启动垂直注入微波(微波输入2)，采用谐频共振加热可以使电子温度提高到10eV以上。

等离子体源工作时，气体通过流量控制器进入ECR等离子体共振腔，流量显示仪记录气体流入的情况；微波经波导引入等离子体ECR共振腔，在ECR共振层加热电子，与气体碰撞、电离而产生等离子体。通过栅前及栅后检测探针对等离子体密度和温度的测试，判定扩散杯中等离子体的温度和密度；通过调节几何和电位调节栅、气体流量、微波功率及节流孔径来调整电子的温度和密度，使其满足试验参数要求。本实用新型，通过容器体内的探针阵测量到的等离子体参数为：获得Φ650mm×500mm空间内的等离子体区域，等离子体电子密度10⁴/cm³~10⁷/cm³，可调；等离子体电子能量1~10eV，可调；在Φ650mm×500mm范围内等离子体不均匀度，轴向不大于50％，径向不大于35％；等离子体的稳定性大于80％/5h。

如果试验中需要有低温条件，将液氮通过液氮进出热沉的进口5，压入热沉中，利用液氮的汽化吸热原理，对环境进行降温，然后汽化的氮气通过液氮从热沉排出的出口3排走，本系统可以实现-100℃的低温环境。

以上以半球型玻璃钢真空容器的等离子体试验系统为例对本实用新型进行了说明，但是对本领域的技术人员显而易见的，其它形状的玻璃钢高真空容器的研制，例如圆管形、方形、或不规则形状，都可以实现本实用新型的目的。

尽管上文对本实用新型的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本实用新型的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1、一种玻璃钢真空容器等离子体环境试验系统，其特征在于，主要包括真空容器，等离子源，抽气子系统；所述真空容器包括有真空封盖大门，容器体，真空封盖大门通过铰链联接到容器体上；容器体的另一端端部中心部位通过阀门与等离子体源连接，端部的上方有供液氮流出热沉的出口装置，正下部有供液氮进入热沉的进口装置；容器体上方有用于各种测量使用的法兰接口，容器体的中间水平位置上有用于观察内部环境的玻璃窗；真空容器的下部有用于支撑的支座，容器采用卧式方式固定在支座上。

2、如权利要求1所述的环境试验系统，其特征在于，所述的真空容器为能满足工作压力小于或等于1.3×10^-3Pa的容器装置。

3、如权利要求1所述的环境试验系统，其特征在于，所述容器体的形状为圆柱形，方形，球体形状。

4、如权利要求1所述的环境试验系统，其特征在于，所述容器体的端部采用的形式为平板型封头，碟型封头，椭圆型封头或球冠型封头。

5、如权利要求1所述的环境试验系统，其特征在于，所述真空封盖大门的形状为平板型封头，碟型封头，椭圆型封头或球冠型封头。

6、如权利要求1-5任一项所述的环境试验系统，其特征在于，所述的抽气子系统为能够实现对真空容器进行抽气，实现真空获得的装置。

7、如权利要求6所述的环境试验系统，其特征在于，所述抽气子系统的无油抽气子系统。

8、如权利要求7所述的环境试验系统，其特征在于，所述无油抽气子系统包括分子泵和干泵组合系统、低温泵和干泵组合系、低温泵、分子泵共同与无油机械泵组合系统、或者低温泵、分子泵做为主抽气泵与机械增压泵和干泵的组合系统。

9、如权利要求1-5任一项所述的环境试验系统，其特征在于，所述等离子源子系统包括直流(DC)、射频容性耦合(CCP)、射频感应耦合(ICP)、微波、微波ECR等离子体源。

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