專利名稱：一種高軌星用材料帶電效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高軌星用材料帶電效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)裝置及方法，屬于測量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
GEO的空間帶電環(huán)境由兩部分組成。首先是地磁亞暴等離子體，當(dāng)太陽耀斑發(fā)生時，太陽風(fēng)與地球磁場相互作用會產(chǎn)生地磁亞暴現(xiàn)象，此時在地球同步軌道會產(chǎn)生能量在I 50keV，密度在IO5 106m_3范圍內(nèi)的大通量等離子體，會使GEO衛(wèi)星表面充電至萬伏以上；其次，GEO處于地球外輻射帶的邊緣，高能電子能量在0.1 IOMeV,通量在107e/cm2 *s的范圍左右，大通量高能電子容易使GEO衛(wèi)星產(chǎn)生內(nèi)帶電效應(yīng)。當(dāng)材料中電荷的積累率高于電荷的泄放率時，這些電荷產(chǎn)生的電場不斷增強(qiáng)，當(dāng)超過材料的擊穿閾值時，就會造成材料的擊穿，引起材料的靜電放電，產(chǎn)生的電磁脈沖會引起衛(wèi)星不同程度的損壞，造成數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)，干擾甚至破壞電子系統(tǒng)的正常工作，嚴(yán)重時會導(dǎo)致航天器完全失效。因此，表面帶電和內(nèi)帶電所產(chǎn)生的放電是通信和氣象等地球高軌道衛(wèi)星產(chǎn)生故障的主要原因。隨著我國空間應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，GEO軌道的導(dǎo)航衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星等的數(shù)量越來越多，對GEO軌道·星用材料帶電效應(yīng)的研究是勢在必行。目前，我國對星用材料帶電效應(yīng)的認(rèn)識還不夠深入，缺乏有效的防護(hù)方法和設(shè)計(jì)手段，無法完全保證GEO軌道衛(wèi)星的在軌穩(wěn)定運(yùn)行。因此，亟需開展高地球軌道星用材料帶電效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:針對高地球軌道中同時存在等離子體和高能電子的空間帶電環(huán)境，提供一種高軌星用材料帶電效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)裝置及方法，利用電子加速器和等離子體源模擬高軌的高能電子和等離子體，開展星用材料帶電效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種高軌星用材料帶電效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)裝置，所述裝置包括屏蔽室、真空室、電子加速器、屏蔽殼、等離子體源、樣品臺、絕緣墊、真空抽氣系統(tǒng)、三維傳動機(jī)構(gòu)、示波器、脈沖電流探針、非接觸電位計(jì)、攝像頭，以及可調(diào)電源。在真空室內(nèi)部，電子加速器和攝像頭安裝在真空室頂部；等離子體源安裝在真空室側(cè)壁，在等離子體源的外圍設(shè)有屏蔽殼，防止電子將等離子體源損壞；樣品臺安裝在真空室底面上，樣品臺上設(shè)置絕緣墊；材料樣品放置在絕緣墊上表面，在材料樣品下表面設(shè)有金屬背電極；所述材料樣品與真空室外的可調(diào)電源連接。三維傳動機(jī)構(gòu)位于真空室內(nèi)，三維傳動機(jī)構(gòu)上設(shè)有非接觸式表面電位計(jì)探頭；在真空室外，真空抽氣系統(tǒng)與真空室連接；示波器、脈沖電流探針、非接觸電位計(jì)位于屏蔽室內(nèi)，非接觸電位計(jì)一端接地，另一端與穿過屏蔽室和真空室與非接觸式表面電位計(jì)探頭連接；連接材料樣品金屬背電極的導(dǎo)線穿過真空室和屏蔽室后在屏蔽室內(nèi)接地，在導(dǎo)線上設(shè)有脈沖電流探針，所述脈沖電流探針與示波器連接。其中，優(yōu)選所述金屬背電極為導(dǎo)電金屬膠帶。一種高軌星用材料帶電效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法，包括以下步驟:步驟一、開啟真空抽氣系統(tǒng)給真空室抽真空；步驟二、開啟等離子體源模擬GEO軌道等離子體帶電環(huán)境；步驟三、開啟電子加速器模擬GEO軌道高能電子帶電環(huán)境；步驟四、利用脈沖電流探針和示波器監(jiān)測材料樣品放電瞬態(tài)脈沖，利用非接觸式電位計(jì)監(jiān)測材料樣品的表面電位，利用攝像頭記錄二次放電現(xiàn)象。其中，優(yōu)選所述步驟一中真空環(huán)境真空度要求低于3.0 X IO-4Pa0優(yōu)選所述步驟二中等離子體源產(chǎn)生的等離子體溫度范圍為I 50KeV可調(diào)，密度范圍為I X IO5 IX 106/m3可調(diào)。優(yōu)選所述步驟三中電子加速器提供高能電子的能量范圍在0.8 2.3MeV內(nèi)可調(diào)，束流密度范圍在I 25nA/cm2內(nèi)可調(diào)。優(yōu)選所述步驟四中采用CT-2脈沖電流探針監(jiān)測材料樣品瞬態(tài)放電脈沖，采用Trek341A非接觸式電位計(jì)監(jiān)測材料樣品表面電位。

優(yōu)選所述材料樣品為高壓太陽電池。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:(I)采用電子加速器和等離子體源，能較好的模擬高軌道在地磁亞暴時的帶電環(huán)境;(2)高軌星用材料帶電效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)裝置及方法可操作性強(qiáng)，試驗(yàn)裝置工作穩(wěn)定，適用于測量各種星用材料的帶電效應(yīng)。


圖1是本發(fā)明的高軌星用材料帶電效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖。圖中:1_屏蔽室、2-真空室、3-電子加速器、4-屏蔽殼、5-等離子體源、6-樣平臺、7-絕緣墊、8-材料樣品、9-真空抽氣系統(tǒng)、10-三維傳動機(jī)構(gòu)、11-示波器、12-脈沖電流探針、13-非接觸電位計(jì)、14-攝像頭。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，為本發(fā)明的高軌星用材料帶電效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)裝置，所述裝置包括屏蔽室1、真空室2、電子加速器3、屏蔽殼4、等離子體源5、樣品臺6、絕緣墊7、真空抽氣系統(tǒng)9、三維傳動機(jī)構(gòu)10、示波器11、脈沖電流探針12、非接觸電位計(jì)13、攝像頭14，以及可調(diào)電源；在真空室2內(nèi)部，電子加速器3和攝像頭14安裝在真空室2頂部；等離子體源5安裝在真空室2側(cè)壁，在等離子體源5的外圍設(shè)有屏蔽殼4，防止電子將等離子體源5損壞；樣品臺6安裝在真空室2底面上，樣品臺6上設(shè)置絕緣墊7 ;材料樣品8放置在絕緣墊7上表面，在材料樣品8下表面設(shè)有金屬背電極，所述金屬背電極為導(dǎo)電金屬膠帶；所述材料樣品8與真空室2外的可調(diào)電源連接。三維傳動機(jī)構(gòu)10位于真空室2內(nèi)，三維傳動機(jī)構(gòu)10上設(shè)有非接觸式表面電位計(jì)探頭；在真空室2外，真空抽氣系統(tǒng)9與真空室2連接；
示波器11、脈沖電流探針12、非接觸電位計(jì)13位于屏蔽室I內(nèi)，非接觸電位計(jì)13一端接地，另一端與穿過屏蔽室I和真空室2與非接觸式表面電位計(jì)探頭連接；連接材料樣品3金屬背電極的導(dǎo)線穿過真空室2和屏蔽室I后在屏蔽室I內(nèi)接地，在導(dǎo)線上設(shè)有脈沖電流探針12，所述脈沖電流探針12與示波器11連接。一種高軌星用材料帶電效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法，包括以下步驟:步驟一、開啟真空抽氣系統(tǒng)9給真空室2抽真空，使真空度低于3.0X 10_4Pa ；步驟二、開啟等離子體源5模擬GEO軌道等離子體帶電環(huán)境，等離子體溫度為IOKeV,密度為 I X 106/m3 ；步驟三、開啟電子加速器3模擬GEO軌道高能電子帶電環(huán)境，高能電子能量為IMeV，束流強(qiáng)度為5nA/cm2 ；步驟四、利用脈沖電流探針12和示波器11監(jiān)測材料樣品8放電瞬態(tài)脈沖，利用非接觸式電位計(jì)13監(jiān)測材料樣品8的表面電位，利用攝像頭14記錄二次放電現(xiàn)象。所述脈沖電流探針12為CT-2脈沖電流探針，所述非接觸式電位計(jì)13為Trek341A非接觸式電位計(jì)。所述材料樣品8為高壓太陽電池。綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。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
1.一種高軌星用材料帶電效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述裝置包括屏蔽室(1)、真空室(2)、電子加速器(3)、屏蔽殼(4)、等離子體源(5)、樣品臺(6)、絕緣墊(7)、真空抽氣系統(tǒng)(9 )、三維傳動機(jī)構(gòu)(10 )、示波器(11)、脈沖電流探針(12 )、非接觸電位計(jì)(13 )、攝像頭(14)，以及可調(diào)電源；在真空室(2)內(nèi)部，電子加速器(3)和攝像頭(14)安裝在真空室(2)頂部；等離子體源(5)安裝在真空室(2)側(cè)壁，在等離子體源(5)的外圍設(shè)有屏蔽殼(4)；樣品臺(6)安裝在真空室(2)底面上，樣品臺(6)上設(shè)置絕緣墊(7);材料樣品(8)放置在絕緣墊(7)上表面，在材料樣品(8)下表面設(shè)有金屬背電極；所述材料樣品(8)與真空室(2)外的可調(diào)電源連接；三維傳動機(jī)構(gòu)(10)位于真空室(2)內(nèi)，三維傳動機(jī)構(gòu)(10)上設(shè)有非接觸式表面電位計(jì)探頭；在真空室(2)外，真空抽氣系統(tǒng)(9)與真空室(2)連接；示波器(11 )、脈沖電流探針(12)、非接觸電位計(jì)(13)位于屏蔽室(I)內(nèi)，非接觸電位計(jì)(13)—端接地,另一端與穿過屏蔽室(I)和真空室(2)與非接觸式表面電位計(jì)探頭連接；連接材料樣品3金屬背電極的導(dǎo)線穿過真空室(2)和屏蔽室(I)后在屏蔽室(I)內(nèi)接地，在導(dǎo)線上設(shè)有 脈沖電流探針(12)，所述脈沖電流探針12 )與示波器(11)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高軌星用材料帶電效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述金屬背電極為導(dǎo)電金屬膠帶。
3.一種高軌星用材料帶電效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法，所述方法使用如權(quán)利要求1所述的高軌星用材料帶電效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)裝置，其特征在于:包括以下步驟: 步驟一、開啟真空抽氣系統(tǒng)(9)給真空室(2)抽真空； 步驟二、開啟等離子體源(5)模擬GEO軌道等離子體帶電環(huán)境； 步驟三、開啟電子加速器(3)模擬GEO軌道高能電子帶電環(huán)境；步驟四、利用脈沖電流探針(12)和示波器(11)監(jiān)測材料樣品(8)放電瞬態(tài)脈沖，利用非接觸式電位計(jì)(13)監(jiān)測材料樣品(8)的表面電位，利用攝像頭(14)記錄二次放電現(xiàn)象。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高軌星用材料帶電效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法，其特征在于:所述步驟一中真空環(huán)境真空度低于3.0X 10_4Pa。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高軌星用材料帶電效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法，其特征在于:所述步驟二中等離子體源(5)產(chǎn)生的等離子體溫度范圍為I 50KeV可調(diào)，密度范圍為IXlO5 IXlOfVm3 可調(diào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高軌星用材料帶電效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法，其特征在于:所述步驟三中電子加速器(3 )提供高能電子的能量范圍在0.8 2.3MeV內(nèi)可調(diào)，束流密度范圍在I 25nA/cm2內(nèi)可調(diào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高軌星用材料帶電效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法，其特征在于:所述步驟四中采用CT-2脈沖電流探針監(jiān)測材料樣品(8)瞬態(tài)放電脈沖，采用Trek341A非接觸式電位計(jì)監(jiān)測材料樣品(8 )表面電位。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高軌星用材料帶電效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法，其特征在于:所述材料樣品(8)為高壓太陽電池。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高軌星用材料帶電效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)裝置及方法，屬于測量領(lǐng)域。所述裝置包括屏蔽室、真空室、電子加速器、屏蔽殼、等離子體源、樣品臺、絕緣墊、真空抽氣系統(tǒng)、三維傳動機(jī)構(gòu)、示波器、脈沖電流探針、非接觸電位計(jì)、攝像頭，以及可調(diào)電源。所述方法包括開啟真空抽氣系統(tǒng)給真空室抽真空；開啟等離子體源模擬GEO軌道等離子體帶電環(huán)境；開啟電子加速器模擬GEO軌道高能電子帶電環(huán)境；利用脈沖電流探針和示波器監(jiān)測材料樣品放電瞬態(tài)脈沖，利用非接觸式電位計(jì)監(jiān)測材料樣品的表面電位，利用攝像頭記錄二次放電現(xiàn)象。采用電子加速器和等離子體源，能較好的模擬高軌道在地磁亞暴時的帶電環(huán)境，適用于測量各種星用材料的帶電效應(yīng)。
文檔編號G01R31/00GK103245858SQ20131014535
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月24日
發(fā)明者王俊, 陳益峰, 李得天, 楊生勝, 秦曉剛, 史亮, 湯道坦, 柳青 申請人:蘭州空間技術(shù)物理研究所