專利名稱：低地軌道空間原子氧、紫外、電子綜合環(huán)境地面模擬系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要應用于低地軌道空間綜合環(huán)境的地面模擬，通過一定的技術手段構建 航天器外表面材料及部件的原子氧、電子以及紫外綜合環(huán)境的地面模擬試驗系統(tǒng)。
背景技術：
原子氧(Atomic oxygen, AO)環(huán)境是指低地球軌道(通常認為200 700km高度) 上以原子態(tài)氧存在的殘余氣體環(huán)境。當航天器在低地球軌道環(huán)境中以7 8km/s的軌道速 度飛行時，原子氧撞擊表面的能量可達4 在這一過程中，原子氧與表面材料會發(fā)生 復雜的物理、化學反應，造成材料的剝蝕和性能的退化，進而影響飛行器的壽命，更嚴重的 會導致飛行任務的失效。目前原子氧效應的研究已成為空間低地球軌道環(huán)境效應研究的一 個必不可少的組成部分。除原子氧外，低地球軌道環(huán)境中紫外(Ultraviolet, UV)、真空紫外(Vacuum ultravioletVUV)輻射也會對航天器材料產生影響。盡管真空紫外輻照能在太陽總輻照能 中所占比例很小，但其作用卻十分重要。光子具有很高的能量(7.3 對8^)，能使地球高 層大氣強烈電離而形成電離層。航天器表面受它們的作用后會發(fā)生光電效應，使航天器表 面帶有靜電，這將影響航天器內電子系統(tǒng)與磁性器件的正常工作。光子作用于材料將導致 材料內的分子產生光致電離和光致分解效應，尤其會破壞航天器上高分子材料的化學鍵， 使材料產生質量損失，使表面具有析氣現(xiàn)象，使機械性能惡化，而且揮發(fā)性可凝物還會影響 航天器上的光學器件和電子器件的正常工作，乃至使其失靈。當材料表面的分子吸收UV輻 射或VUV輻射的能量后，就有可能發(fā)生化學鍵的斷裂，并引發(fā)相應的物理和化學變化，從而 對材料的結構和性能帶來影響。低地球軌道航天器在飛行過程中將會遭到原子氧和紫外的輻照，這種綜合的空間 環(huán)境會造成航天器表面材料性能的退化，可能危及航天器運行的安全或降低航天器的使用 壽命。諸如熱控涂層，多層絕緣體和光學表面等敏感表層材料尤其易受影響，微小的表面性 能變化將會對它們的功能產生較大的影響。此外，化學鍵的斷裂，還會在材料表面生成一些 新的反應基，從而促進了原子氧對材料的剝蝕。地球輻射帶中的高能帶電粒子、銀河宇宙線和太陽耀斑噴發(fā)出的太陽宇宙線，它 們的能量高，有一定的貫穿能力和破壞能力。高能電子照射到物體表面，破壞表面物質的晶 體結構，造成缺陷或使表面物質的分子、原子電離，從而改變其性能。高能電子受物質阻擋 而減速，并將發(fā)出韌致X射線，它比帶電粒子有更大的穿透本領，進入飛行體內部，對艙內 儀器或航天員造成不良影響。高能電子容易在航天器外圍的介質材料內部或者穿過航天器 屏蔽層在其內部的介質材料上沉積。當這些介質材料表面與周圍其他部件電位差或者沉積 電荷產生的電場超過一定閾值時會發(fā)生放電現(xiàn)象，即深層充放電效應。介質材料深層放電 可以影響材料的絕緣性能，產生的放電脈沖會干擾航天器上電子儀器的正常工作，嚴重時 使航天器發(fā)生故障。高能電子也可能使航天器外部熱控涂層材料的光學性能退化，導致航 天器原有的熱平衡遭到破壞，難以維持正常的熱制度，從而直接或間接的造成航天器的可靠性下降，工作壽命降低。在這些空間環(huán)境因素的作用下，廣泛應用于航天器表面的薄膜材料會出現(xiàn)質量損 耗(剝蝕)、表面氧化、光學及力學性能退化等失效形式，從而會直接或間接地造成航天器 的可靠性下降、工作壽命降低。因此深入研究空間綜合環(huán)境對薄膜材料的影響，不僅為航天 器的長壽命、高可靠性也可為其他材料的研究提供參考。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種低地軌道空間原子氧、紫外、電子綜合環(huán)境地面模擬 系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用定向束流式原子氧源、低能電子槍及紫外燈等裝置，通過調節(jié)樣品靶臺運 動機構，使樣品在一次試驗中其它環(huán)境條件不間斷的情況下同時受到原子氧、電子及紫外 環(huán)境的作用，實現(xiàn)了低地軌道中主要空間環(huán)境的綜合模擬。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術方案一種低地軌道空間原子氧、紫外和/或電子綜合環(huán)境地面模擬系統(tǒng)，包括真空容 器、真空容器內下方設置有樣品靶臺運動機構、樣品靶臺運動機構上設置有可供其控制運 動的樣品靶臺、樣品靶臺正前方對應真空容器的外側設置有可控供入原子氧的原子氧源和 外置紫外燈，真空容器的側壁上開設有提供電子輻照的電子槍，其特征在于，樣品靶臺上的 樣品處在原子氧、紫外和/或電子的綜合環(huán)境中。其中，原子氧源采用磁鏡位形微波電子回 旋共振法產生氧等離子體，微波傳輸器件通過玻璃窗口與真空容器隔離以保證容器內的真 空度，在磁鏡場中心等離子體區(qū)放置大面積金屬鉬板并對其施加負偏壓，該鉬板加速并收 集氧離子并將其中和為氧原子，氧離子基本按幾何光學規(guī)律在鉬板表面中和反射形成原子 氧束，并擊中樣品靶臺；外置紫外燈通過氟化鎂窗口(可透過紫外)與真空容器隔離以保證 容器內的真空度。試驗過程中容器內的真空度應優(yōu)于2. 0X10_2I^;樣品靶臺的溫度可控，一般試驗 過程中維持在25°C 30°C ；原子氧束流密度一般應不低于1014atOmS/(Cm2 · s)量級。


圖1為本發(fā)明的原子氧、紫外和/或電子的綜合環(huán)境模擬設備示意圖(俯視圖)。其中，1為原子氧源，2為外置紫外燈，3為樣品靶臺，4為樣品靶臺運動機構，5為真 空容器，6為電子槍。
具體實施例方式以下通過一些具體的綜合環(huán)境系統(tǒng)對本發(fā)明進行進一步的說明參照圖1，本發(fā)明的低地軌道空間原子氧、紫外和/或電子綜合環(huán)境地面模擬系 統(tǒng)，包括真空容器5、真空容器5內下方設置有樣品靶臺運動機構4、樣品靶臺運動機構4上 設置有可供其控制運動的樣品靶臺3、樣品靶臺3正前方對應真空容器5的外側設置有可控 供入原子氧的原子氧源1和外置紫外燈2，真空容器5的側壁上開設有提供電子輻照的電子 槍6，其特征在于，樣品靶臺上的樣品處在原子氧、紫外和/或電子的綜合環(huán)境中。具體來 說，該系統(tǒng)中可呈現(xiàn)以下四種綜合環(huán)境狀態(tài)1、原子氧/紫外綜合環(huán)境系統(tǒng)
將樣品靶臺安裝于靶臺運動機構上，調節(jié)運動機構，使載物平臺位于(X，Y，Z)= (87mm，250mm，0° )處。根據標定的原子氧束流密度結果，此位置的原子氧束流密度為 7. 5 X 1014atoms/(cm2 · s)，紫外輻照度為 2W/m2。開啟真空系統(tǒng)，使容器內的真空度達到試驗要求。開啟原子氧源和紫外燈，此時 樣品靶臺暴露于原子氧與紫外的綜合環(huán)境中，調節(jié)溫度控制系統(tǒng)，使樣品靶臺溫度維持在 25 30°C之間。2、原子氧/電子綜合環(huán)境系統(tǒng)將樣品靶臺安裝于靶臺運動機構上，調節(jié)運動機構，使載物平臺位于(X，Y，Z)= (82mm, 350mm, 42° )處。根據標定的原子氧束流密度結果，此位置的原子氧束流密度為 4. OX 1014atoms/(cm2 · s)。調節(jié)低能電子槍，使電子輻照能量范圍為IOkV 50kV。開啟真空系統(tǒng)，使容器內的真空度達到量級。開啟原子氧源和電子槍，此時 樣品靶臺暴露于原子氧與電子的綜合環(huán)境中，調節(jié)溫度控制系統(tǒng)，使樣品靶臺溫度維持在 25 30°C之間。3、紫外/電子綜合環(huán)境系統(tǒng)將樣品靶臺安裝于靶臺運動機構上，調節(jié)運動機構，使載物平臺位于(X，Y，Z)= (82mm, 350mm, 42° )處。根據標定結果，此位置的紫外輻照度為lW/m2。調節(jié)低能電子槍， 使電子輻照能量范圍為IOkV 50kV。開啟真空系統(tǒng)，使容器內的真空度達到10’a量級。開啟紫外燈和電子槍，此時 樣品靶臺暴露于原子氧與電子的綜合環(huán)境中，調節(jié)溫度控制系統(tǒng)，使樣品靶臺溫度維持在 25 30°C之間。4、原子氧、電子和紫外綜合環(huán)境系統(tǒng)將樣品靶臺安裝于靶臺運動機構上，調節(jié)運動機構，使載物平臺位于(X，Y，Z) =(82mm, 350mm, 42° )處。根據標定結果，此位置的原子氧束流密度為4. OX 1014atomS/ (cm2 · s)；調節(jié)低能電子槍，使電子輻照能量范圍為IOkV 60kV ；該位置處的紫外輻照度 為 lW/m2。開啟真空系統(tǒng)，使容器內的真空度達到試驗要求。開啟原子氧源、紫外燈和電子 槍，此時樣品靶臺暴露于原子氧、紫外和電子的綜合環(huán)境中，調節(jié)溫度控制系統(tǒng)，使樣品靶 臺溫度維持在25 30°C之間。本發(fā)明通過采用合理的樣品靶臺結構設計并調節(jié)樣品靶臺運動機構，可以使樣品 同時獲得與軌道環(huán)境近似的原子氧/紫外、原子氧與電子、紫外/電子、以及同時經歷原子 氧、紫外和電子等綜合環(huán)境。本發(fā)明能夠為今后空間站、低軌道衛(wèi)星等航天器材料的篩選提 供地面綜合環(huán)境模擬試驗環(huán)境。盡管上文對本發(fā)明的具體實施方式
給予了詳細描述和說明，但是應該指明的是， 我們可以依據本發(fā)明的構想對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產生的功能作 用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種低地軌道空間原子氧、紫外和/或電子綜合環(huán)境地面模擬系統(tǒng)，包括真空容器、 真空容器內下方設置有樣品靶臺運動機構、樣品靶臺運動機構上設置有可供其控制運動的 樣品靶臺、樣品靶臺正前方對應真空容器的外側設置有可控供入原子氧的原子氧源和外置 紫外燈，真空容器的側壁上開設有提供電子輻照的電子槍，其特征在于，樣品靶臺上的樣品 處在原子氧、紫外和/或電子的綜合環(huán)境中，其中，原子氧源采用磁鏡位形微波電子回旋共 振法產生氧等離子體，微波傳輸器件通過玻璃窗口與真空容器隔離以保證容器內的真空 度，在磁鏡場中心等離子體區(qū)放置大面積金屬鉬板并對其施加負偏壓，該鉬板加速并收集 氧離子并將其中和為氧原子，氧離子基本按幾何光學規(guī)律在鉬板表面中和反射形成原子氧 束，并擊中樣品靶臺；外置紫外燈通過氟化鎂窗口與真空容器隔離以保證容器內的真空度。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，真空容器的真空度應低于2.0X10_2Pa。
3.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，樣品靶臺的溫度維持在25 30°C之間。
4.如權利要求1-3任一項所述的系統(tǒng)，其中，原子氧束流密度應不低于1014atomS/ (cm2 · s)量級。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低地軌道空間原子氧、紫外和/或電子綜合環(huán)境地面模擬系統(tǒng)，包括真空容器、真空容器內下方設置有樣品靶臺運動機構、樣品靶臺運動機構上設置有可供其控制運動的樣品靶臺、樣品靶臺正前方對應真空容器的外側設置有可控供入原子氧的原子氧源和外置紫外燈，真空容器的側壁上開設有提供電子輻照的電子槍，樣品靶臺上的樣品處在原子氧、紫外和/或電子的綜合環(huán)境中。本發(fā)明能夠為今后空間站、低軌道衛(wèi)星等航天器材料的篩選提供地面綜合環(huán)境模擬試驗環(huán)境。
文檔編號B64G7/00GK102085920SQ20091024990
公開日2011年6月8日 申請日期2009年12月4日 優(yōu)先權日2009年12月4日
發(fā)明者馮偉泉, 劉向鵬, 姜利祥, 姜海富, 李濤, 秦瑋, 郭亮 申請人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所