專利名稱：空間環(huán)境地基模擬多功能裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種空間環(huán)境模擬裝置，特別是關(guān)于一種在地面上模擬空間輻射、微重力、弱磁、晝夜節(jié)律和空氣顆粒物等多因素協(xié)同作用的多功能裝置。
背景技術(shù)：
隨著人類對(duì)外太空的探索不斷深入以及對(duì)新能源與新材料的渴求不斷升級(jí)，開發(fā)和利用空間資源已經(jīng)成為當(dāng)前各科技大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的重要領(lǐng)域之一。我國(guó)的空間科學(xué)研究發(fā)展也十分迅速，自“神舟5號(hào)”飛船成功實(shí)現(xiàn)載人航天之后，登月工程、空間站計(jì)劃、火星探測(cè)等深空探索計(jì)劃正穩(wěn)步推進(jìn)，未來(lái)太空飛行會(huì)更加頻繁，太空滯留時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。然而復(fù)雜惡劣的空間環(huán)境對(duì)航天員生命健康的威脅，勢(shì)必成為制約人類向太空探索的重要因素。人類探索太空，面臨空間高能輻射、微重力、弱磁等多重威脅，因此目前載人航天計(jì)劃需要開展空間環(huán)境對(duì)航天員生理醫(yī)學(xué)功能影響機(jī)理的相關(guān)研究，確保航天員健康、安全、有效地工 作。影響航天員生命健康的空間環(huán)境因素主要有空間輻射、微重力、弱磁、晝夜節(jié)律、噪音，以及密閉空間的超細(xì)顆粒物和微量毒性氣體等。為了確保載人航天任務(wù)向更長(zhǎng)時(shí)間空間停留和向更深空間推進(jìn)的順利實(shí)施，突破天基實(shí)驗(yàn)平臺(tái)機(jī)會(huì)少、代價(jià)高、重復(fù)性低的限制，盡可能真實(shí)地模擬空間環(huán)境的地基平臺(tái)是不可或缺的。目前世界各國(guó)開展的空間環(huán)境地基模擬研究仍然停留在單因素效應(yīng)機(jī)理研究方面，微重力與輻射的復(fù)合作用研究還只有零星的報(bào)道，多因素復(fù)合作用還未見報(bào)道。因此，研發(fā)模擬空間輻射、微重力、弱磁、晝夜節(jié)律、空氣顆粒物復(fù)合作用裝置，用于研究不同能量、不同種類輻射的生物學(xué)效應(yīng)，以及輻射與微重力、磁效應(yīng)等多種空間環(huán)境因素的協(xié)同效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)空間環(huán)境因素的仿真模擬，不僅為準(zhǔn)確評(píng)估空間復(fù)雜多因素環(huán)境對(duì)航天員生命健康的威脅提供科學(xué)的依據(jù)，而且也能為防護(hù)措施的開發(fā)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，這對(duì)促進(jìn)我國(guó)的空間輻射生物學(xué)基礎(chǔ)研究和空間探索活動(dòng)具有非常重要的科學(xué)意義。

發(fā)明內(nèi)容
因此，為彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種空間環(huán)境地基模擬多功能裝置，該裝置用以模擬空間輻射、微重力、弱磁、晝夜節(jié)律和空氣顆粒物等多因素環(huán)境，研究不同能量、不同種類輻射的生物學(xué)效應(yīng)，以及輻射與微重力、磁效應(yīng)等多種空間環(huán)境因素的協(xié)同效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)空間環(huán)境因素的仿真模擬。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為一種空間環(huán)境地基模擬多功能裝置，其主要特點(diǎn)在于包括基座，磁控系統(tǒng)固定于基座上，樣品臺(tái)穿越在磁控系統(tǒng)中，臺(tái)上放置有微重力模擬裝置和/或樣品瓶，恒溫恒濕光照箱罩設(shè)在基座上部，將磁控系統(tǒng)、微重力模擬裝置和/或樣品瓶封閉在內(nèi)，在恒溫恒濕光照箱外部設(shè)置有輻照系統(tǒng)。所述磁控系統(tǒng)，是由三組相互垂直的亥姆霍茲線圈彼此套設(shè)組成，所述每一組線圈中包含有兩個(gè)半徑、匝數(shù)相同，平行且共軸，間距等于半徑的線圈。所述線圈采用坡莫合金線圈，或鎳鐵高導(dǎo)磁合金線圈，或其他材料的線圈。
所述樣品臺(tái)為自動(dòng)樣品臺(tái)，設(shè)置在樣品臺(tái)底座上，在樣品臺(tái)底部固定移動(dòng)部件，所述移動(dòng)部件連接在螺旋桿上，螺旋桿由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。所述樣品臺(tái)上設(shè)置有凹槽，凹槽內(nèi)放置微重力模擬裝置和/或樣品瓶。所述樣品瓶?jī)?nèi)裝有用于輻照的細(xì)胞樣品，細(xì)胞貼壁于樣品瓶上，用來(lái)研究重離子輻照細(xì)胞實(shí)驗(yàn)。所述微重力模擬裝置，包括密閉的玻璃外殼，在頂部設(shè)置有窗戶，底部開設(shè)有通氣孔，在外殼的內(nèi)頂部設(shè)置有懸桿，懸桿上設(shè)有滑輪，滑輪上栓有鏈繩，在外殼的內(nèi)底部放置有水瓶和飼料槽；實(shí)驗(yàn)時(shí)裝置里面放有實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，頂部窗戶開啟時(shí)只進(jìn)行尾吊微重力實(shí)驗(yàn)，窗戶關(guān)閉且向內(nèi)部通入有顆粒物氣體時(shí)，同時(shí)進(jìn)行微重力和顆粒物氣體雙效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。所述恒溫恒濕光照箱內(nèi)部，設(shè)置有控溫控濕系統(tǒng)和日光燈，所述日光燈電源由延時(shí)器控制，每過(guò)一定時(shí)間開關(guān)一次，模擬晝夜節(jié)律，光照時(shí)間與太空中空間艙的晝夜節(jié)律時(shí)間相同。·所述恒溫恒濕光照箱是由鋼和有機(jī)玻璃制成。本發(fā)明由于采取以上的技術(shù)方案，具有的有益效果是1、本發(fā)明是在地面上模擬空間輻射、微重力、弱磁、晝夜節(jié)律、空氣顆粒物復(fù)合作用的多因素環(huán)境的多功能裝置。該裝置包括有磁控系統(tǒng)，由亥姆霍茲線圈構(gòu)成，可以模擬弱磁或零磁環(huán)境；該裝置還包括有微重力模擬裝置，采用尾吊法模擬失重，在微重力模擬裝置中還可以通入顆粒物氣體，模擬太空中密閉空間艙中的氣體環(huán)境；該裝置還包括有輻照系統(tǒng)，通過(guò)空調(diào)控制模擬溫度、濕度環(huán)境，通過(guò)燈光模擬晝夜節(jié)律，實(shí)現(xiàn)空間高能粒子輻射的生物學(xué)效應(yīng)。對(duì)于研究不同能量、不同種類粒子的輻射生物學(xué)效應(yīng)以及粒子與微重力和磁效應(yīng)等多種空間環(huán)境因素的協(xié)同效應(yīng)，具有仿真模擬效果。2、該裝置還包括有全自動(dòng)樣品臺(tái)，能夠自動(dòng)控制樣品輻照時(shí)間和輻照劑量。3、各種模擬單元，既可以單獨(dú)使用，實(shí)現(xiàn)單因素環(huán)境的特定實(shí)驗(yàn)；也可以自由組合，實(shí)現(xiàn)多因素環(huán)境的綜合模擬實(shí)驗(yàn)。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例的裝置立體示意圖；圖2為磁控系統(tǒng)示意圖；圖3為全自動(dòng)樣品臺(tái)和控制系統(tǒng)示意圖；圖4為全自動(dòng)樣品臺(tái)移動(dòng)示意圖；圖5為尾吊微重力效應(yīng)模擬裝置示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的原理和技術(shù)特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例僅用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。見圖1，一種空間環(huán)境地基模擬多功能裝置，包括有基座1，基座I為封閉的框架，使磁控系統(tǒng)2固連于基座I上；樣品臺(tái)底座3，穿越過(guò)磁控系統(tǒng)2 ;在樣品臺(tái)底座3上放置有樣品臺(tái)4，使樣品臺(tái)4位于磁控系統(tǒng)2的磁場(chǎng)空間內(nèi)；在樣品臺(tái)4上放置有微重力模擬裝置5和/或樣品瓶6 ;恒溫恒濕光照箱7，罩設(shè)在基座I上部，將磁控系統(tǒng)2、微重力模擬裝置5和/或樣品瓶6封閉在內(nèi)。
見圖2，本裝置的磁控系統(tǒng)2，是由三組互為垂直的亥姆霍茲線圈相互套設(shè)組成，即其中一組線圈21垂直于X軸,一組線圈22垂直于Y軸，一組線圈23垂直于Z軸。亥姆霍茲線圈是包含有兩個(gè)半徑、匝數(shù)相同，平行且共軸，間距等于半徑的線圈，亥姆霍茲線圈的作用機(jī)理是 如果將一組平行相同的載流線圈通以電流，當(dāng)這兩個(gè)載流線圈間距等于線圈半徑時(shí)，兩個(gè)線圈的總磁場(chǎng)在軸的中點(diǎn)附近的較大范圍內(nèi)是均勻的，用它可以產(chǎn)生極微弱的磁場(chǎng)直至數(shù)百高斯的磁場(chǎng)。當(dāng)兩個(gè)線圈通以同向電流時(shí)，磁場(chǎng)疊加增強(qiáng)，并在一定區(qū)域形成近似均勻的磁場(chǎng)；通以反向電流時(shí)，則疊加使磁場(chǎng)減弱，以至出現(xiàn)磁場(chǎng)為零的區(qū)域，可用于地球磁場(chǎng)的抵消補(bǔ)償、檢測(cè)永磁體特性等。本裝置采用此種形式的線圈，就是可以使三組相互垂直的線圈在同時(shí)通入電流時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵消地球磁場(chǎng)，或?qū)崿F(xiàn)對(duì)該裝置內(nèi)部范圍的恒定磁場(chǎng)調(diào)節(jié)。上述的線圈可以采用坡莫合金線圈，或鎳鐵高導(dǎo)磁合金線圈，也可以是其他材料的導(dǎo)電線圈。樣品臺(tái)底座3上設(shè)置的樣品臺(tái)4，可以是自動(dòng)樣品臺(tái)，通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使樣品臺(tái)4沿樣品臺(tái)底座3的平面移動(dòng)。具體實(shí)現(xiàn)是見圖3，在樣品臺(tái)4的底部固定一移動(dòng)部件41，所述移動(dòng)部件連接在一螺旋桿42上，螺旋桿42連接在伺服電機(jī)43的輸出軸上，伺服電機(jī)43固定在樣品臺(tái)底座3上，并由控制系統(tǒng)44通過(guò)電線控制連接。伺服電機(jī)43移動(dòng)平臺(tái)已屬于成熟技術(shù)，任何可進(jìn)行平面移動(dòng)的機(jī)構(gòu)都可以實(shí)現(xiàn)，這里不做過(guò)多贅述。在自動(dòng)樣品臺(tái)上放置的微重力模擬裝置5和/或樣品瓶6，可通過(guò)在臺(tái)面上摳出的凹槽實(shí)現(xiàn)固定，隨著自動(dòng)樣品臺(tái)的移動(dòng)，見圖4，微重力模擬裝置5和/或樣品瓶6隨之移動(dòng)到輻照區(qū)內(nèi)(輻照區(qū)是一個(gè)可調(diào)的較小區(qū)域，由裝置外部的輻照系統(tǒng)提供輻照光源)。本裝置中的微重力模擬裝置5，可以采用尾吊微重力法模擬失重。如圖4所示，它是一個(gè)尾吊鼠籠，包括一由非磁性金屬做框架，由玻璃做密封的密閉性外殼51,只在頂部設(shè)置有窗戶，底部開設(shè)有通氣孔(不用時(shí)用密封塞堵住)。在外殼的內(nèi)頂部搭設(shè)一懸桿52，懸桿上設(shè)一滑輪53，滑輪53上栓有鏈繩54，鏈繩54用以拴住實(shí)驗(yàn)小鼠的尾巴。在籠子的底部放置有水瓶和飼料槽等。頂部的窗戶用以放入小鼠及喂食，底部的通氣孔用以通入氣體；頂部窗戶開啟時(shí)只進(jìn)行普通的尾吊微重力實(shí)驗(yàn)，關(guān)閉窗戶并通氣時(shí)可以在籠內(nèi)同時(shí)進(jìn)行微重力和顆粒物雙效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。樣品瓶6中裝的是用于輻照的細(xì)胞樣品，細(xì)胞貼壁于樣品瓶上，用來(lái)研究重離子輻照細(xì)胞實(shí)驗(yàn)。恒溫恒濕光照箱7是一鋼質(zhì)的密閉性罩子，在一面開有窗戶，由有機(jī)玻璃密封。在罩子中，除了放置磁控系統(tǒng)2用以模擬磁場(chǎng)，放置微重力模擬裝置5用以模擬微重力和顆粒物空氣效應(yīng)，放置樣品瓶6進(jìn)行重離子輻照細(xì)胞實(shí)驗(yàn)外，還安裝有空調(diào)系統(tǒng)、日光燈，空調(diào)系統(tǒng)可以控溫控濕，日光燈電源由延時(shí)器控制，每過(guò)一定時(shí)間開關(guān)一次，這樣形成一個(gè)可以模擬晝夜節(jié)律和空氣顆粒物復(fù)合作用的裝置。由上可知，本裝置用亥姆霍茲線圈構(gòu)成磁控系統(tǒng)，模擬太空中弱磁或零磁環(huán)境；用尾吊微重力模擬裝置模擬微重力和顆粒物氣體效應(yīng)；用恒溫恒濕光照箱構(gòu)成輻照系統(tǒng)，模擬晝夜節(jié)律、空間高能輻射生物學(xué)效應(yīng)。這幾種模擬效應(yīng)既可以同時(shí)進(jìn)行，也可以單獨(dú)進(jìn)行。下面以一實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本裝置的工作機(jī)理
用膠布條將小鼠尾巴和鏈繩粘在一起，放入微重力模擬裝置5中，調(diào)節(jié)水平懸桿的高度，使小鼠的后爪在伸直時(shí)剛好不能觸及殼體的底層，從而使動(dòng)物始終保持呈頭低位約30°，小鼠借前肢在殼體內(nèi)自由活動(dòng)，這樣小鼠處于微重力狀態(tài)。將頂部窗戶關(guān)上，使裝置密封，將含有顆粒物的氣體從殼體底部通入，顆粒物氣體均勻充滿殼體后從頂部溢出，小鼠吸入顆粒物，這 樣可以在籠內(nèi)同時(shí)進(jìn)行微重力和顆粒物雙效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。磁控系統(tǒng)2打開，調(diào)節(jié)通入電流大小，使產(chǎn)生的磁場(chǎng)能夠抵消地球磁場(chǎng)，當(dāng)通入電流為某一特定值時(shí)，在磁控系統(tǒng)中央部分(即微重力裝置所在的空間)磁場(chǎng)為零。恒溫恒濕光照箱7開啟，罩子內(nèi)部的空調(diào)系統(tǒng)將溫度和濕度維持在某一恒定水平，日光燈電源由延時(shí)器控制，每過(guò)3小時(shí)開關(guān)一次，在罩子內(nèi)部形成晝夜節(jié)律。自動(dòng)樣品臺(tái)4將微重力模擬裝置5平移到重離子輻照范圍內(nèi)，小鼠開始受到重離子輻照，輻照系統(tǒng)記錄小鼠的輻照劑量(輻照系統(tǒng)是一套龐大復(fù)雜的重離子科研裝置，有專門的電腦和控制軟件，與控制系統(tǒng)44連接)，當(dāng)輻照劑量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，輻照源停止，自動(dòng)樣品臺(tái)4將微重力模擬裝置5平移出輻照區(qū)。這樣，該裝置完成了在地面上模擬空間輻射、微重力、弱磁、晝夜節(jié)律和空氣顆粒物等多因素協(xié)同作用的整個(gè)流程。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種空間環(huán)境地基模擬多功能裝置，其特征在于包括基座，磁控系統(tǒng)固定于基座上，樣品臺(tái)穿越在磁控系統(tǒng)中，臺(tái)上放置有微重力模擬裝置和/或樣品瓶，恒溫恒濕光照箱罩設(shè)在基座上部，將磁控系統(tǒng)、微重力模擬裝置和/或樣品瓶封閉在內(nèi)，在恒溫恒濕光照箱外部設(shè)置有輻照系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求I所述的空間環(huán)境地基模擬多功能裝置，其特征在于所述磁控系統(tǒng)，是由三組相互垂直的亥姆霍茲線圈彼此套設(shè)組成，所述每一組線圈中包含有兩個(gè)半徑、匝數(shù)相同，平行且共軸，間距等于半徑的線圈。
3.如權(quán)利要求I或2所述的空間環(huán)境地基模擬多功能裝置，其特征在于所述線圈采用坡莫合金線圈，或鎳鐵高導(dǎo)磁合金線圈，或其他材料的線圈。
4.如權(quán)利要求I所述的空間環(huán)境地基模擬多功能裝置，其特征在于所述樣品臺(tái)為自動(dòng)樣品臺(tái)，設(shè)置在樣品臺(tái)底座上，在樣品臺(tái)底部固定移動(dòng)部件，所述移動(dòng)部件連接在螺旋桿上，螺旋桿由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
5.如權(quán)利要求I或4所述的空間環(huán)境地基模擬多功能裝置，其特征在于所述樣品臺(tái)上設(shè)置有凹槽，凹槽內(nèi)放置微重力模擬裝置和/或樣品瓶。
6.如權(quán)利要求I所述的空間環(huán)境地基模擬多功能裝置，其特征在于所述樣品瓶?jī)?nèi)裝有用于輻照的細(xì)胞樣品，細(xì)胞貼壁于樣品瓶上，用來(lái)研究重離子輻照細(xì)胞實(shí)驗(yàn)。
7.如權(quán)利要求I所述的空間環(huán)境地基模擬多功能裝置，其特征在于所述微重力模擬裝置，包括密閉的玻璃外殼，在頂部設(shè)置有窗戶，底部開設(shè)有通氣孔，在外殼的內(nèi)頂部設(shè)置有懸桿，懸桿上設(shè)有滑輪，滑輪上栓有鏈繩，在外殼的內(nèi)底部放置有水瓶和飼料槽；實(shí)驗(yàn)時(shí)裝置里面放有實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，頂部窗戶開啟時(shí)只進(jìn)行尾吊微重力實(shí)驗(yàn)，窗戶關(guān)閉且向內(nèi)部通入有顆粒物氣體時(shí)，同時(shí)進(jìn)行微重力和顆粒物氣體雙效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。
8.如權(quán)利要求I所述的空間環(huán)境地基模擬多功能裝置，其特征在于所述恒溫恒濕光照箱內(nèi)部，設(shè)置有控溫控濕系統(tǒng)和日光燈，所述日光燈電源由延時(shí)器控制，每過(guò)一定時(shí)間開關(guān)一次，模擬晝夜節(jié)律。
9.如權(quán)利要求I或8所述的空間環(huán)境地基模擬多功能裝置，其特征在于所述恒溫恒濕光照箱是由鋼制成。
全文摘要
本發(fā)明公開一種空間環(huán)境地基模擬多功能裝置，包括基座，磁控系統(tǒng)固定于基座上，樣品臺(tái)穿越在磁控系統(tǒng)中，臺(tái)上放置有微重力模擬裝置和/或樣品瓶，恒溫恒濕光照箱罩設(shè)在基座上部，將磁控系統(tǒng)、微重力模擬裝置和/或樣品瓶封閉在內(nèi)，在恒溫恒濕光照箱外部設(shè)置有輻照系統(tǒng)。所述磁控系統(tǒng)，是由三組相互垂直的亥姆霍茲線圈彼此套設(shè)組成。所述微重力模擬裝置采用尾吊裝置。所述恒溫恒濕光照箱里部設(shè)置有控溫控濕系統(tǒng)和日光燈。本發(fā)明在地面上模擬空間輻射、微重力、弱磁、晝夜節(jié)律、空氣顆粒物復(fù)合作用，對(duì)于研究不同能量、不同種類粒子的輻射生物學(xué)效應(yīng)以及粒子與微重力和磁效應(yīng)等多種空間環(huán)境因素的協(xié)同效應(yīng)，具有仿真模擬效果。
文檔編號(hào)C12M1/42GK102895032SQ20121036652
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者周光明, 王菊芳, 徐丹, 李賀 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所