低地轨道空间原子氧、紫外、电子综合环境地面模拟系统技术方案

本发明专利技术公开了一种低地轨道空间原子氧、紫外和／或电子综合环境地面模拟系统，包括真空容器、真空容器内下方设置有样品靶台运动机构、样品靶台运动机构上设置有可供其控制运动的样品靶台、样品靶台正前方对应真空容器的外侧设置有可控供入原子氧的原子氧源和外置紫外灯，真空容器的侧壁上开设有提供电子辐照的电子枪，样品靶台上的样品处在原子氧、紫外和／或电子的综合环境中。本发明专利技术能够为今后空间站、低轨道卫星等航天器材料的筛选提供地面综合环境模拟试验环境。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要应用于低地轨道空间综合环境的地面模拟，通过一定的技术手段构建 航天器外表面材料及部件的原子氧、电子以及紫外综合环境的地面模拟试验系统。
技术介绍
原子氧(Atomic oxygen, AO)环境是指低地球轨道(通常认为200 700km高度) 上以原子态氧存在的残余气体环境。当航天器在低地球轨道环境中以7 8km/s的轨道速 度飞行时，原子氧撞击表面的能量可达4 在这一过程中，原子氧与表面材料会发生 复杂的物理、化学反应，造成材料的剥蚀和性能的退化，进而影响飞行器的寿命，更严重的 会导致飞行任务的失效。目前原子氧效应的研究已成为空间低地球轨道环境效应研究的一 个必不可少的组成部分。除原子氧外，低地球轨道环境中紫外(Ultraviolet, UV)、真空紫外(Vacuum ultravioletVUV)辐射也会对航天器材料产生影响。尽管真空紫外辐照能在太阳总辐照能 中所占比例很小，但其作用却十分重要。光子具有很高的能量(7.3 对8^)，能使地球高 层大气强烈电离而形成电离层。航天器表面受它们的作用后会发生光电效应，使航天器表 面带有静电，这将影响航天器内电子系统与磁性器件的正常工作。光子作用于材料将导致 材料内的分子产生光致电离和光致分解效应，尤其会破坏航天器上高分子材料的化学键， 使材料产生质量损失，使表面具有析气现象，使机械性能恶化，而且挥发性可凝物还会影响 航天器上的光学器件和电子器件的正常工作，乃至使其失灵。当材料表面的分子吸收UV辐 射或VUV辐射的能量后，就有可能发生化学键的断裂，并引发相应的物理和化学变化，从而 对材料的结构和性能带来影响。低地球轨道航天器在飞行过程中将会遭到原子氧和紫外的辐照，这种综合的空间 环境会造成航天器表面材料性能的退化，可能危及航天器运行的安全或降低航天器的使用 寿命。诸如热控涂层，多层绝缘体和光学表面等敏感表层材料尤其易受影响，微小的表面性 能变化将会对它们的功能产生较大的影响。此外，化学键的断裂，还会在材料表面生成一些 新的反应基，从而促进了原子氧对材料的剥蚀。地球辐射带中的高能带电粒子、银河宇宙线和太阳耀斑喷发出的太阳宇宙线，它 们的能量高，有一定的贯穿能力和破坏能力。高能电子照射到物体表面，破坏表面物质的晶 体结构，造成缺陷或使表面物质的分子、原子电离，从而改变其性能。高能电子受物质阻挡 而减速，并将发出韧致X射线，它比带电粒子有更大的穿透本领，进入飞行体内部，对舱内 仪器或航天员造成不良影响。高能电子容易在航天器外围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上沉积。当这些介质材料表面与周围其他部件电位差或者沉积 电荷产生的电场超过一定阈值时会发生放电现象，即深层充放电效应。介质材料深层放电 可以影响材料的绝缘性能，产生的放电脉冲会干扰航天器上电子仪器的正常工作，严重时 使航天器发生故障。高能电子也可能使航天器外部热控涂层材料的光学性能退化，导致航 天器原有的热平衡遭到破坏，难以维持正常的热制度，从而直接或间接的造成航天器的可靠性下降，工作寿命降低。在这些空间环境因素的作用下，广泛应用于航天器表面的薄膜材料会出现质量损 耗(剥蚀)、表面氧化、光学及力学性能退化等失效形式，从而会直接或间接地造成航天器 的可靠性下降、工作寿命降低。因此深入研究空间综合环境对薄膜材料的影响，不仅为航天 器的长寿命、高可靠性也可为其他材料的研究提供参考。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种低地轨道空间原子氧、紫外、电子综合环境地面模拟 系统，该系统利用定向束流式原子氧源、低能电子枪及紫外灯等装置，通过调节样品靶台运 动机构，使样品在一次试验中其它环境条件不间断的情况下同时受到原子氧、电子及紫外 环境的作用，实现了低地轨道中主要空间环境的综合模拟。为了实现上述目的，本专利技术采用了如下的技术方案一种低地轨道空间原子氧、紫外和/或电子综合环境地面模拟系统，包括真空容 器、真空容器内下方设置有样品靶台运动机构、样品靶台运动机构上设置有可供其控制运 动的样品靶台、样品靶台正前方对应真空容器的外侧设置有可控供入原子氧的原子氧源和 外置紫外灯，真空容器的侧壁上开设有提供电子辐照的电子枪，其特征在于，样品靶台上的 样品处在原子氧、紫外和/或电子的综合环境中。其中，原子氧源采用磁镜位形微波电子回 旋共振法产生氧等离子体，微波传输器件通过玻璃窗口与真空容器隔离以保证容器内的真 空度，在磁镜场中心等离子体区放置大面积金属钼板并对其施加负偏压，该钼板加速并收 集氧离子并将其中和为氧原子，氧离子基本按几何光学规律在钼板表面中和反射形成原子 氧束，并击中样品靶台；外置紫外灯通过氟化镁窗口(可透过紫外)与真空容器隔离以保证 容器内的真空度。试验过程中容器内的真空度应优于2. 0X10_2I^;样品靶台的温度可控，一般试验 过程中维持在25°C 30°C ；原子氧束流密度一般应不低于1014atOmS/(Cm2 · s)量级。附图说明图1为本专利技术的原子氧、紫外和/或电子的综合环境模拟设备示意图(俯视图)。其中，1为原子氧源，2为外置紫外灯，3为样品靶台，4为样品靶台运动机构，5为真 空容器，6为电子枪。具体实施例方式以下通过一些具体的综合环境系统对本专利技术进行进一步的说明参照图1，本专利技术的低地轨道空间原子氧、紫外和/或电子综合环境地面模拟系 统，包括真空容器5、真空容器5内下方设置有样品靶台运动机构4、样品靶台运动机构4上 设置有可供其控制运动的样品靶台3、样品靶台3正前方对应真空容器5的外侧设置有可控 供入原子氧的原子氧源1和外置紫外灯2，真空容器5的侧壁上开设有提供电子辐照的电子 枪6，其特征在于，样品靶台上的样品处在原子氧、紫外和/或电子的综合环境中。具体来 说，该系统中可呈现以下四种综合环境状态1、原子氧/紫外综合环境系统将样品靶台安装于靶台运动机构上，调节运动机构，使载物平台位于(X，Y，Z)= (87mm，250mm，0° )处。根据标定的原子氧束流密度结果，此位置的原子氧束流密度为 7. 5 X 1014atoms/(cm2 · s)，紫外辐照度为 2W/m2。开启真空系统，使容器内的真空度达到试验要求。开启原子氧源和紫外灯，此时 样品靶台暴露于原子氧与紫外的综合环境中，调节温度控制系统，使样品靶台温度维持在 25 30°C之间。2、原子氧/电子综合环境系统将样品靶台安装于靶台运动机构上，调节运动机构，使载物平台位于(X，Y，Z)= (82mm, 350mm, 42° )处。根据标定的原子氧束流密度结果，此位置的原子氧束流密度为 4. OX 1014atoms/(cm2 · s)。调节低能电子枪，使电子辐照能量范围为IOkV 50kV。开启真空系统，使容器内的真空度达到量级。开启原子氧源和电子枪，此时 样品靶台暴露于原子氧与电子的综合环境中，调节温度控制系统，使样品靶台温度维持在 25 30°C之间。3、紫外/电子综合环境系统将样品靶台安装于靶台运动机构上，调节运动机构，使载物平台位于(X，Y，Z)= (82mm, 350mm, 42° )处。根据标定结果，此位置的紫外辐照度为lW/m2。调节低能电子枪， 使电子辐照能量范围为IOkV 50kV。开启真空系统，使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低地轨道空间原子氧、紫外和／或电子综合环境地面模拟系统，包括真空容器、真空容器内下方设置有样品靶台运动机构、样品靶台运动机构上设置有可供其控制运动的样品靶台、样品靶台正前方对应真空容器的外侧设置有可控供入原子氧的原子氧源和外置紫外灯，真空容器的侧壁上开设有提供电子辐照的电子枪，其特征在于，样品靶台上的样品处在原子氧、紫外和／或电子的综合环境中，其中，原子氧源采用磁镜位形微波电子回旋共振法产生氧等离子体，微波传输器件通过玻璃窗口与真空容器隔离以保证容器内的真空度，在磁镜场中心等离子体区放置大面积金属钼板并对其施加负偏压，该钼板加速并收集氧离子并将其中和为氧原子，氧离子基本按几何光学规律在钼板表面中和反射形成原子氧束，并击中样品靶台；外置紫外灯通过氟化镁窗口与真空容器隔离以保证容器内的真空度。

【技术特征摘要】
1.一种低地轨道空间原子氧、紫外和/或电子综合环境地面模拟系统，包括真空容器、 真空容器内下方设置有样品靶台运动机构、样品靶台运动机构上设置有可供其控制运动的 样品靶台、样品靶台正前方对应真空容器的外侧设置有可控供入原子氧的原子氧源和外置 紫外灯，真空容器的侧壁上开设有提供电子辐照的电子枪，其特征在于，样品靶台上的样品 处在原子氧、紫外和/或电子的综合环境中，其中，原子氧源采用磁镜位形微波电子回旋共 振法产生氧等离子体，微波传输器件通过玻璃窗口与真空容器隔离以保证容器内的真空 度，在磁镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭亮，李涛，姜利祥，刘向鹏，秦玮，冯伟泉，姜海富，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]