專利名稱：一種真空中采用熱電子發(fā)射制造帶電污染物的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種真空中采用熱電子發(fā)射制造帶電污染物的裝置及方法，屬于真空技術(shù)應用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在中高軌道，等離子體非常稀薄，航天器表面電場的作用距離從數(shù)米延伸至數(shù)百米。這樣會改變航天器周圍帶電污染物的傳輸路徑，使污染物在航天器表面再分布，并沉積在航天器上的任何位置，使航天器整體污染程度加重，并對位于低污染區(qū)的敏感系統(tǒng)造成更加嚴重的危害(如衛(wèi)星大功率射頻系統(tǒng)中污染物從非關(guān)鍵部位轉(zhuǎn)移到關(guān)鍵部位，大大降低系統(tǒng)的放電閥值，使系統(tǒng)更容易產(chǎn)生放電現(xiàn)象而燒毀器件；同時還導致光學鏡片的防塵罩失效，影響光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量)。航天器表面帶電形成的電場能夠吸附周圍空間原本不 會沉積到表面的帶電污染物，增大敏感表面污染物的沉積量，在短期內(nèi)就可能達到污染水平的控制上限，縮短衛(wèi)星有效載荷的使用壽命。在表面帶電加劇污染程度這一現(xiàn)象的研究中，美國研制了阻滯能量分析儀-石英晶體微粒天平裝置(RPA-QCM)研究航天器表面帶電對污染的增強作用，并在P78-2 (SCATHA)衛(wèi)星上進行了飛行驗證試驗，用于判斷衛(wèi)星上安裝的八個肼發(fā)動機點火后是否會在傳感器上沉積污染物。研究結(jié)果表明真空條件下，在溫度高于_45°C的敏感表面上并沒有觀測到來自肼發(fā)動機點火殘余物的沉積。目前國內(nèi)外尚未有關(guān)于地面模擬真空下帶電污染源技術(shù)的裝置或方法的公開報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種真空中利用熱電子發(fā)射方法在真空下產(chǎn)生電子，并利用加速極使電子在環(huán)形電場中反復運動，與材料受熱出氣產(chǎn)物進行相互作用產(chǎn)生帶電污染物的方法。利用本方法可得到真空條件下，不同材料出氣污染物產(chǎn)生的帶電污染物。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下。一種真空中采用熱電子發(fā)射制造帶電污染物的裝置，所述裝置包括真空測試室、熱電子發(fā)射陰極、熱電子發(fā)射陰極陶瓷固定件、加速極支撐架、偏轉(zhuǎn)柵網(wǎng)、測試法蘭、加速極、底座、出氣蓋、加熱臺、支架、溫控儀、直流穩(wěn)流電源、真空機組、第一穩(wěn)壓電源、第二穩(wěn)壓電源；QCM支架；其中，真空測試室內(nèi)部中心位置設(shè)有底座；熱電子發(fā)射陰極通過熱電子發(fā)射陰極陶瓷固定件固定安裝在底座左側(cè)；加速極通過加速極支撐架固定安裝在底座中部；QCM支架固定安裝在底座右側(cè)；偏轉(zhuǎn)柵網(wǎng)固定安裝在QCM支架左側(cè)，并與支架絕緣；加熱臺通過支架固定安裝在真空測試室左側(cè)，在加熱臺中心開有出氣孔，在出氣孔上設(shè)有出氣蓋；加熱臺出氣孔與偏轉(zhuǎn)柵網(wǎng)正對；測試法蘭安裝在真空測試室頂部，在測試法蘭上布置有三個真空接插件，其中兩個為高壓真空接插件；在真空測試室底部安裝有真空法蘭；
直流穩(wěn)流電源、第一穩(wěn)壓電源、第二穩(wěn)壓電源、真空機組、溫控儀位于真空測試室外部；直流穩(wěn)流電源通過真空接插件與熱電子發(fā)射陰極連接；第一穩(wěn)壓電源通過一個高壓真空接插件與加速極連接；第二穩(wěn)壓電源通過另一個高壓真空接插件與偏轉(zhuǎn)柵網(wǎng)連接；溫控儀通過真空測試室底部的真空法蘭與加熱臺連接；真空機組與真空測試室連接；優(yōu)選熱電子發(fā)射陰極為門式鎢絲；優(yōu)選加速極支撐架為兩個平行的金屬桿；加速極為多層圓環(huán)，均布安裝在加速極支撐架上，相鄰兩個圓環(huán)之間的間距為Imm IOmm ;加速極材料為不銹鋼或銅；加速極支撐架材料為金屬；優(yōu)選加熱臺與測試法蘭底部的距離彡120mm,與真空測試室底部距離彡200mm ；優(yōu)選熱電子發(fā)射陰極所在平面與加熱臺出氣孔之間的距離為5mnTl5mm ；優(yōu)選熱電子發(fā)射陰極所在平面與加速極之間的距離為lmnT3mm，所述距離為熱電 子發(fā)射陰極所在平面到加速極邊緣的最短距離；一種真空中采用熱電子發(fā)射制造帶電污染物的方法，所述方法步驟如下步驟一、將樣品放入樣品容器中，將樣品容器裝入加熱臺，并蓋上出氣蓋，將加熱臺固定在支架上；其中，優(yōu)選所述樣品容器為金屬敞口容器；步驟二、關(guān)閉真空測試室，開啟真空機組抽真空，至真空測試室內(nèi)的壓強彡 7X10 —3Pa ;步驟三、開啟溫控儀電源，設(shè)定加熱臺溫度，使樣品產(chǎn)生出氣產(chǎn)物；步驟四、開啟直流穩(wěn)流電源和第一穩(wěn)壓電源，使熱電子發(fā)射陰極發(fā)射電子，并通過加速極對電子進行加速；這一過程中電子與出氣產(chǎn)物碰撞，使出氣產(chǎn)物電離并帶上正電；步驟五、開啟第二穩(wěn)壓電源，使出氣產(chǎn)物通過偏轉(zhuǎn)柵網(wǎng)得到收集；步驟六、當電子與樣品出氣氣體產(chǎn)物相互作用10min"30min后，結(jié)束實驗。優(yōu)選步驟三中，樣品加熱溫度為室溫 125°C ；優(yōu)選直流穩(wěn)流電源的輸出電流范圍為O. 5A 2A，第一穩(wěn)壓電源的輸出電壓范圍為+50疒+200V，第二穩(wěn)壓電源的輸出電壓范圍為-3000V 0V。實驗結(jié)束后，依次關(guān)閉直流穩(wěn)流電源，關(guān)閉第一穩(wěn)壓電源和第二穩(wěn)壓電源，關(guān)閉溫控儀，對測試法蘭上兩個高壓真空接插件用接線棒接觸，進行放電處理。打開真空測試室，取出樣品。有益效果I.本發(fā)明提了供一種真空中采用熱電子發(fā)射制造帶電污染物的方法，所述方法在真空中利用熱電子發(fā)射陰極產(chǎn)生電子，并利用加速極使電子在環(huán)形電場中反復運動，運動的電子與材料受熱出氣產(chǎn)物相互作用，產(chǎn)生帶電污染物。利用本方法可得到真空條件下，不同材料出氣污染物產(chǎn)生的帶電污染物。2.所述方法采用熱電子發(fā)射陰極，能產(chǎn)生穩(wěn)定的電子流；采用環(huán)形的加速極，能使電子在加速極電場中往復運動，增大電子與出氣污染物的碰撞幾率；采用偏轉(zhuǎn)柵網(wǎng)形成近平行電場，能模擬空間航天器帶電表面。


圖I為本發(fā)明所述的真空中采用熱電子發(fā)射制造帶電污染物的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中1_真空測試室；2_熱電子發(fā)射陰極；3-熱電子發(fā)射陰極陶瓷固定件；4-加速極支撐架；5_偏轉(zhuǎn)柵網(wǎng)；6-測試法蘭；7-QCM探頭；8-QCM支架；9_加速極；10_底座；11-出氣蓋；12_加熱臺；13_支架。
具體實施例方式下面通過實施例，對本發(fā)明作進一步說明。實施例I如圖I所示的真空中采用熱電子發(fā)射制造帶電污染物的裝置，所述裝置包括真空測試室I、熱電子發(fā)射陰極2、熱電子發(fā)射陰極陶瓷固定件3、加速極支撐架4、偏轉(zhuǎn)柵網(wǎng)5、測試法蘭6、加速極9、底座10、出氣蓋11、加熱臺12、支架13、溫控儀、直流穩(wěn)流電源、真空 機組、第一穩(wěn)壓電源、第二穩(wěn)壓電源；QCM支架8 ;以及對帶電污染物進行監(jiān)測的QCM探頭7、QCM頻率監(jiān)測儀；其中，真空測試室I內(nèi)部中心位置設(shè)有底座10 ;熱電子發(fā)射陰極2通過熱電子發(fā)射陰極陶瓷固定件3固定安裝在底座10左側(cè)；加速極9通過加速極支撐架4固定安裝在底座10中部；QCM支架8為鋁制，固定安裝在底座10右側(cè)；偏轉(zhuǎn)柵網(wǎng)5固定安裝在QCM支架
8左側(cè)，并與QCM支架8之間通過聚四氟乙烯薄片絕緣；將QCM探頭7用沉頭螺釘固定安裝在QCM支架8右側(cè)；加熱臺12通過支架13固定安裝在真空測試室I左側(cè)，在加熱臺12中心開有出氣孔，在出氣孔上設(shè)有出氣蓋11，加熱臺12出氣孔與偏轉(zhuǎn)柵網(wǎng)5正對；測試法蘭6安裝在真空測試室I頂部，在測試法蘭6上布置有三個真空接插件，其中兩個為高壓真空接插件；在真空測試室I底部安裝有真空法蘭；直流穩(wěn)流電源、第一穩(wěn)壓電源、第二穩(wěn)壓電源、QCM頻率監(jiān)測儀、真空機組、溫控儀位于真空測試室I外部；直流穩(wěn)流電源通過真空接插件與熱電子發(fā)射陰極2連接；第一穩(wěn)壓電源通過一個高壓真空接插件與加速極9連接；第二穩(wěn)壓電源通過另一個高壓真空接插件與偏轉(zhuǎn)柵網(wǎng)5連接；QCM頻率監(jiān)測儀通過真空測試室I側(cè)壁的真空法蘭與QCM探頭7連接；溫控儀通過真空測試室I底部的真空法蘭與加熱臺12連接；真空機組與真空測試室I連接；QCM探頭7與真空室外的QCM頻率監(jiān)測儀連接；所述熱電子發(fā)射陰極2為門式鎢絲；所述加速極支撐架4為兩個平行的金屬桿；加速極9為多層圓環(huán)，均布安裝在加速極支撐架4上，相鄰兩個圓環(huán)之間的間距為Imm IOmm ;加速極9材料為不銹鋼或銅；加速極支撐架4材料為金屬；加熱臺12與測試法蘭6底部的距離為130mm，與真空測試室I底部距離彡200mm ；熱電子發(fā)射陰極2所在平面與加熱臺12出氣孔之間的距離為5mnTl5mm ;熱電子發(fā)射陰極2所在平面與加速極9之間的距離為lmnT3mm，所述距離為熱電子發(fā)射陰極2所在平面到加速極9邊緣的最短距離；采用上述裝置，進行真空中采用熱電子發(fā)射制造帶電污染物的方法，所述方法步驟如下
步驟一、將樣品⑶414硅橡膠用中性清洗劑和去離子水清潔并干燥后，放入樣品容器中，將樣品容器裝入加熱臺12，并蓋上出氣蓋11，通過定位螺絲將加熱臺12固定在支架13上；其中，所述樣品容器為金屬敞口容器；步驟二、關(guān)閉真空測試室1，開啟真空機組抽真空，至真空測試室I內(nèi)的壓強為7X10 —3Pa ;步驟三、開啟溫控儀電源，設(shè)定加熱臺12溫度為100°C，使樣品產(chǎn)生出氣產(chǎn)物；步驟四、開啟直流穩(wěn)流電源和第一穩(wěn)壓電源，直流穩(wěn)流電源的輸出電流為I. 1A，使熱電子發(fā)射陰極2發(fā)射電子，并通過第一穩(wěn)壓電源輸出+150V電壓，使加速極9對電子進行加速；這一過程中電子與出氣產(chǎn)物碰撞，使出氣產(chǎn)物電離并帶上正電；步驟五、開啟第二穩(wěn)壓電源，使出氣產(chǎn)物通過偏轉(zhuǎn)柵網(wǎng)5在QCM探頭7上得到收集;步驟六、當電子與樣品出氣氣體產(chǎn)物相互作用IOmin后，通過QCM探頭7與真空室
I外的QCM頻率監(jiān)測儀對帶電污染物進行檢測，30min后實驗結(jié)束，依次關(guān)閉直流穩(wěn)流電源，關(guān)閉第一穩(wěn)壓電源和第二穩(wěn)壓電源，關(guān)閉溫控儀，關(guān)閉QCM電源，對測試法蘭6上兩個高壓真空接插件用接線棒接觸，進行放電處理。打開真空測試室1，取出樣品，結(jié)束試驗。實驗結(jié)果如表I所示。表IQCM頻率記錄表
權(quán)利要求
1.一種真空中采用熱電子發(fā)射制造帶電污染物的裝置，其特征在于所述裝置包括真空測試室(I)、熱電子發(fā)射陰極(2)、熱電子發(fā)射陰極陶瓷固定件(3)、加速極支撐架(4)、偏轉(zhuǎn)柵網(wǎng)(5)、測試法蘭(6)、加速極(9)、底座(10)、出氣蓋(11)、加熱臺(12)、支架(13)、溫控儀、直流穩(wěn)流電源、真空機組、第一穩(wěn)壓電源、第二穩(wěn)壓電源；QCM支架(8)； 其中，真空測試室(I)內(nèi)部中心位置設(shè)有底座(10);熱電子發(fā)射陰極(2)通過熱電子發(fā)射陰極陶瓷固定件(3)固定安裝在底座(10)左側(cè)；加速極(9)通過加速極支撐架(4)固定安裝在底座(10)中部；QCM支架(8)固定安裝在底座(10)右側(cè)；偏轉(zhuǎn)柵網(wǎng)(5)固定安裝在QCM支架(8)左側(cè)，并與QCM支架(8)之間絕緣； 加熱臺(12)通過支架(13)固定安裝在真空測試室(I)左側(cè)，在加熱臺(12)中心開有出氣孔，在出氣孔上設(shè)有出氣蓋(11)，加熱臺(12)出氣孔與偏轉(zhuǎn)柵網(wǎng)(5)正對； 測試法蘭(6 )安裝在真空測試室(I)頂部，在測試法蘭(6 )上布置有三個真空接插件，其中兩個為高壓真空接插件；在真空測試室(I)底部安裝有真空法蘭； 直流穩(wěn)流電源、第一穩(wěn)壓電源、第二穩(wěn)壓電源、真空機組、溫控儀位于真空測試室(I)外部；直流穩(wěn)流電源通過真空接插件與熱電子發(fā)射陰極(2)連接；第一穩(wěn)壓電源通過一個高壓真空接插件與加速極(9)連接；第二穩(wěn)壓電源通過另一個高壓真空接插件與偏轉(zhuǎn)柵網(wǎng)(5)連接；溫控儀通過真空測試室(I)底部的真空法蘭與加熱臺(12)連接；真空機組與真空測試室(I)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種真空中采用熱電子發(fā)射制造帶電污染物的裝置，其特征在于熱電子發(fā)射陰極(2)為門式鎢絲。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種真空中采用熱電子發(fā)射制造帶電污染物的裝置，其特征在于加速極支撐架(4)為兩個平行的金屬桿；加速極(9)為多層圓環(huán)，均布安裝在加速極支撐架(4)上，相鄰兩個圓環(huán)之間的間距為Imm IOmm ;加速極(9)材料為不銹鋼或銅；力口速極支撐架(4)材料為金屬。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種真空中采用熱電子發(fā)射制造帶電污染物的裝置，其特征在于加熱臺(12)與測試法蘭(6)底部的距離為130mm，與真空測試室(I)底部距離^ 200mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種真空中采用熱電子發(fā)射制造帶電污染物的裝置，其特征在于熱電子發(fā)射陰極(2)所在平面與加熱臺(12)出氣孔之間的距離為5mnTl5mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種真空中采用熱電子發(fā)射制造帶電污染物的裝置，其特征在于熱電子發(fā)射陰極(2)所在平面與加速極(9)之間的距離為lmnT3mm，所述距離為熱電子發(fā)射陰極(2)所在平面到加速極(9)邊緣的最短距離。
7.一種真空中采用熱電子發(fā)射制造帶電污染物的方法，使用如權(quán)利要求I所述的真空中采用熱電子發(fā)射制造帶電污染物的裝置，其特征在于所述方法具體步驟如下 步驟一、將樣品放入樣品容器中，將樣品容器裝入加熱臺(12)，并蓋上出氣蓋(11)，將加熱臺(12)固定在支架(13)上； 步驟二、關(guān)閉真空測試室(1)，開啟真空機組抽真空，至真空測試室(I)內(nèi)的壓強(7 X KT3Pa ； 步驟三、開啟溫控儀電源，設(shè)定加熱臺(12)溫度，使樣品產(chǎn)生出氣產(chǎn)物； 步驟四、開啟直流穩(wěn)流電源和第一穩(wěn)壓電源，使熱電子發(fā)射陰極(2)發(fā)射電子，并通過加速極(9)對電子進行加速； 步驟五、開啟第二穩(wěn)壓電源，使出氣產(chǎn)物通過偏轉(zhuǎn)柵網(wǎng)(5)得到收集； 步驟六、當電子與樣品出氣氣體產(chǎn)物相互作用10min"30min后，結(jié)束實驗。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種真空中采用熱電子發(fā)射制造帶電污染物的方法，其特征在于所述樣品容器為金屬敞口容器。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種真空中采用熱電子發(fā)射制造帶電污染物的方法，其特征在于步驟三中，樣品加熱溫度為室溫 125°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種真空中采用熱電子發(fā)射制造帶電污染物的方法，其特征在于直流穩(wěn)流電源的輸出電流范圍為O. 5iC2k,第一穩(wěn)壓電源的輸出電壓范圍為+50疒+200V，第二穩(wěn)壓電源的輸出電壓范圍為-3000V 0V。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種真空中采用熱電子發(fā)射制造帶電污染物的裝置及方法，屬于真空技術(shù)應用領(lǐng)域。所述裝置包括真空測試室、熱電子發(fā)射陰極、熱電子發(fā)射陰極陶瓷固定件、加速極支撐架、偏轉(zhuǎn)柵網(wǎng)、測試法蘭、加速極、底座、出氣蓋、加熱臺、支架、溫控儀、直流穩(wěn)流電源、真空機組、第一穩(wěn)壓電源、第二穩(wěn)壓電源；QCM支架；所述方法在真空中利用熱電子發(fā)射陰極產(chǎn)生電子，并利用加速極使電子在環(huán)形電場中反復運動，運動的電子與材料受熱出氣產(chǎn)物相互作用，產(chǎn)生帶電污染物。利用本方法可得到真空條件下，不同材料出氣污染物產(chǎn)生的帶電污染物。
文檔編號B64G7/00GK102923321SQ20121047273
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月20日
發(fā)明者郭興, 王鹢, 楊生勝, 莊建宏, 楊青, 孔風連, 薛玉雄, 顏則東 申請人:中國航天科技集團公司第五研究院第五一〇研究所