一種空間低地軌道等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種空間低地軌道等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括微波等離子體源a、源艙a、插板閥a、實(shí)驗(yàn)艙門、實(shí)驗(yàn)艙、插板閥b、源艙b、微波等離子體源b、真空粗抽泵組、低溫泵b、移動(dòng)平臺(tái)、低溫泵c、低溫泵d以及低溫泵a；其連接關(guān)系為：實(shí)驗(yàn)艙一端通過插板閥a與源艙a連接；實(shí)驗(yàn)艙另一端通過插板閥b與源艙b連接；微波等離子體源a安裝在源艙a的端面上；微波等離子體源b安裝在源艙b的端面上；低溫泵a和低溫泵b安裝在實(shí)驗(yàn)艙的中部；低溫泵c和低溫泵d安裝在實(shí)驗(yàn)艙的下部；實(shí)驗(yàn)艙門安裝在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部的一端，真空粗抽泵組安裝在實(shí)驗(yàn)艙另一端的下側(cè)；用于放置測(cè)試設(shè)備儀器的移動(dòng)平臺(tái)安裝在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的下部。
【專利說明】一種空間低地軌道等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種空間低地軌道等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，屬于空間應(yīng)用設(shè)備技 術(shù)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 為了驗(yàn)證空間有效載荷在軌功能、性能指標(biāo)的真實(shí)性和可靠性，需要在地面等離 子體環(huán)境中進(jìn)行空間有效載荷的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、標(biāo)定、測(cè)試與分析評(píng)估。
[0003] 在通常情況下，空間低地球軌道等離子體電子密度為IO9Ai3?10 12/m3,電子溫度 為1000K?5000K。現(xiàn)有的空間等離子體環(huán)境模擬設(shè)備一般是針對(duì)不同空間軌道高度的 等離子體環(huán)境參數(shù)而創(chuàng)建的。由于實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟煌@些等離子體環(huán)境模擬設(shè)備的主要部分 (真空容器和離子源）也不同，具有等離子體均勻區(qū)（Φ 300πιπιΧ300mm)小和不均勻度（優(yōu) 于25% )差的特點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種空間低地軌道等 離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] -種空間低地軌道等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括微波等離子體源 a、源艙a、插板閥a、實(shí)驗(yàn)艙門、實(shí)驗(yàn)艙、插板閥b、源艙b、微波等離子體源b、真空粗抽泵組、 低溫泵b、移動(dòng)平臺(tái)、低溫泵c、低溫泵d以及低溫泵a ;其連接關(guān)系為：實(shí)驗(yàn)艙一端通過插板 閥a與源艙a連接；實(shí)驗(yàn)艙另一端通過插板閥b與源艙b連接；微波等離子體源a安裝在源 艙a的端面上；微波等離子體源b安裝在源艙b的端面上；低溫泵a和低溫泵b安裝在實(shí)驗(yàn) 艙的中部；低溫泵c和低溫泵d安裝在實(shí)驗(yàn)艙的下部；實(shí)驗(yàn)艙門安裝在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部的一端， 真空粗抽泵組安裝在實(shí)驗(yàn)艙另一端的下側(cè)；用于放置測(cè)試設(shè)備儀器的移動(dòng)平臺(tái)安裝在實(shí)驗(yàn) 艙內(nèi)的下部。
[0007] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述實(shí)驗(yàn)艙由柱形直線段和位于直線段兩端的過渡段組成，其 中直線段的大小為4 3. 5mX 5. 0m，即直線段的長(zhǎng)度為5. 0m，直線段的直徑為3. 5m。
[0008] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述源艙a和源艙b相同，源艙由柱形直線段和用于與微波等離 子體源相連的過渡段組成，其中直線段的大小為：Φ I. OmX 1.5m，即直線段的長(zhǎng)度為1.5m， 直線段的直徑為lm。
[0009] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述微波等離子體源a和微波等離子體源b相同，所述微波等離 子體源包括：磁控管、水負(fù)載、三銷釘、多級(jí)磁場(chǎng)、密度調(diào)節(jié)組件、過渡段、共振腔、加速柵、環(huán) 形器、激勵(lì)腔及中和燈絲；其連接關(guān)系為：磁控管安裝在激勵(lì)腔上，激勵(lì)腔與環(huán)形器的一端 連接，環(huán)形器的另一端通過過渡段與共振腔連接，三銷釘安裝在過渡段上；環(huán)形器外安裝水 負(fù)載；多級(jí)磁場(chǎng)安裝在共振腔外，共振腔的端面安裝密度調(diào)節(jié)組件，在密度調(diào)節(jié)組件的外表 面安裝加速柵，在加速柵的外端面安裝了中和燈絲。
[0010] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述密度調(diào)節(jié)組件包括前密度調(diào)節(jié)板和后密度調(diào)節(jié)板，前、后密 度調(diào)節(jié)板相同，并可繞同一轉(zhuǎn)動(dòng)軸相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；其中，密度調(diào)節(jié)板上設(shè)有多個(gè)密度調(diào)節(jié)孔，密 度調(diào)節(jié)孔均勻設(shè)置于以轉(zhuǎn)動(dòng)軸為圓心的圓上_。
[0011] 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述加速柵上設(shè)有兩組直徑不同的加速孔，兩組加速孔分別設(shè) 置于以加速柵中心為圓心的兩個(gè)同心圓上，且加速柵上所加載的電壓可調(diào)。
[0012] 有益效果
[0013] 本發(fā)明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過雙源艙（直線段φ 1.0mXL5m)、大實(shí)驗(yàn)艙（直線段 3. 5mX5. Om)和雙微波等離子體源的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了大空間尺度的等離子體均勻區(qū) (Φ 2mX 3m)，在該均勻區(qū)域內(nèi)的對(duì)稱位置處等離子體不均勻度優(yōu)于10%。
[0014] 本發(fā)明通過轉(zhuǎn)動(dòng)前、后密度調(diào)節(jié)板，調(diào)節(jié)前、后密度調(diào)節(jié)板上密度調(diào)節(jié)孔的相對(duì)位 置關(guān)系，從而使本發(fā)明等離子體產(chǎn)生裝置的電子密度和離子密度可調(diào)，且調(diào)節(jié)范圍為1〇7 m3 ?IO1Vm30
[0015] 本發(fā)明通過調(diào)節(jié)加速柵兩端的電壓，通過加速柵對(duì)離子進(jìn)行加速，使得加速條件 下離子能量為5?30eV (可調(diào)），穩(wěn)定性達(dá)到±2% (2h)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明空間低地軌道等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的正視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖2為本發(fā)明可調(diào)諧微波等離子體產(chǎn)生裝置的正視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖3為本發(fā)明可調(diào)諧微波等離子體產(chǎn)生裝置的密度調(diào)節(jié)板示意圖。
[0019] 圖4為本發(fā)明可調(diào)諧微波等離子體產(chǎn)生裝置的密度調(diào)節(jié)板工作原理示意圖。
[0020] 圖5為本發(fā)明可調(diào)諧微波等離子體產(chǎn)生裝置的加速柵示意圖。
[0021 ] 其中，1-微波等離子體源a、2-源艙a、3-插板閥a、4-實(shí)驗(yàn)艙門、5-實(shí)驗(yàn)艙、6-插板 閥b、7-源艙b、8-微波等離子體源b、9-真空粗抽泵組、10-低溫泵b、11-移動(dòng)平臺(tái)、12-低 溫栗c、13_低溫栗d、14_低溫栗a。
[0022] 21-磁控管、22-水負(fù)載、23-三銷釘、24-多級(jí)磁場(chǎng)、25-密度調(diào)節(jié)組件、26-共振 腔、27-加速柵、28-環(huán)形器、29-激勵(lì)腔，20-中和燈絲。

【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0024] 本發(fā)明一種空間低地軌道等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)包括 微波等離子體源a 1、源艙a 2、插板閥a 3、實(shí)驗(yàn)艙門4、實(shí)驗(yàn)艙5、插板閥b 6、源艙b 7、微 波等離子體源b 8、真空粗抽泵組9、低溫泵b 10、移動(dòng)平臺(tái)11、低溫泵c 12、低溫泵d 13以 及低溫泵a 14;上述部件的連接關(guān)系為：實(shí)驗(yàn)艙5 -端通過插板閥a 1與源艙a 2連接，實(shí) 驗(yàn)艙5另一端通過插板閥b 6與源艙b 7連接，微波等離子體源a 1安裝在源艙a 2的端 面上，微波等離子體源b 8安裝在源艙b 7的端面上。低溫泵a 14和低溫泵b 10安裝在 實(shí)驗(yàn)艙的中部，低溫泵c 12和低溫泵d 13安裝在實(shí)驗(yàn)艙5的下部對(duì)稱位置。實(shí)驗(yàn)艙門4 安裝在實(shí)驗(yàn)艙5內(nèi)部的一端，真空粗抽泵組9安裝在實(shí)驗(yàn)艙5另一端的下側(cè)；移動(dòng)平臺(tái)11 安裝在實(shí)驗(yàn)艙5內(nèi)的下部，其上可以放置測(cè)試設(shè)備儀器。
[0025] 本發(fā)明的工作原理是：首先啟動(dòng)真空粗抽泵組8對(duì)實(shí)驗(yàn)艙5、源艙a 2和源艙b 8 粗抽真空，然后啟動(dòng)低溫泵a 10、低溫泵b 12、低溫泵c 13和低溫泵d 14將實(shí)驗(yàn)艙抽真空 至工作真空度。打開微波等離子體源a 1和微波等離子體源b 8產(chǎn)生等離子體，打開插板 閥a 3、插板閥b 6和實(shí)驗(yàn)艙門4,使等離子體擴(kuò)散至實(shí)驗(yàn)艙5,形成一定范圍均勻的等離子 體，實(shí)現(xiàn)等離子體環(huán)境下的空間有效載荷的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、標(biāo)定和測(cè)試。
[0026] 本發(fā)明實(shí)驗(yàn)艙較佳地采用由柱形直線段和位于直線段兩端的過渡段組成的實(shí)驗(yàn) 艙，其中直線段的大小為： cP 3. 5mX 5.0m，即直線段的長(zhǎng)度為5.0m，直線段的直徑為3. 5m。 本發(fā)明源艙a和源艙b相同，源艙較佳地采用由柱形直線段和用于與微波等離子體源相 連的過渡段組成的源艙，其中直線段的大小為4 I. OmX 1.5m，即直線段的長(zhǎng)度為1.5m，直 線段的直徑為lm。本發(fā)明通過對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過雙源艙（直線段斗I. OmX I. 5m)、大實(shí)驗(yàn)艙 (直線段Ψ 3. 5mX5. Om)和雙微波等離子體源的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了大空間尺度的等離子體均勻區(qū) (Φ 2mX 3m)，在該均勻區(qū)域內(nèi)的對(duì)稱位置處等離子體不均勻度優(yōu)于10%。
[0027] 本發(fā)明所述微波等離子體源a和微波等離子體源b相同，所述微波等離子體源包 括：磁控管21、水負(fù)載22、三銷釘23、多級(jí)磁場(chǎng)24、密度調(diào)節(jié)組件25、共振腔26、加速柵27、 環(huán)形器28、激勵(lì)腔29、過渡段及中和燈絲；其連接關(guān)系為：磁控管21安裝在激勵(lì)腔29上，激 勵(lì)腔29與環(huán)形器28的一端連接，環(huán)形器28的另一端通過過渡段與共振腔26連接，三銷釘 23安裝在過渡段上；環(huán)形器28外安裝水負(fù)載22 ;共振腔26外安裝多級(jí)磁場(chǎng)24,共振腔26 的端面安裝密度調(diào)節(jié)組件25,在密度調(diào)節(jié)組件25的外表面安裝加速柵27,中和燈絲20安 裝在加速柵27的外端面。
[0028] 密度調(diào)節(jié)組件25包括前密度調(diào)節(jié)板和后密度調(diào)節(jié)板，前、后密度調(diào)節(jié)板相同，并 可繞同一轉(zhuǎn)動(dòng)軸相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；其中，密度調(diào)節(jié)板上設(shè)有多個(gè)密度調(diào)節(jié)孔，多個(gè)密度調(diào)節(jié)孔均勻 設(shè)置于以轉(zhuǎn)動(dòng)軸為圓心的圓上。
[0029] 加速柵27上設(shè)有兩組直徑不同的加速孔，兩組加速孔分別設(shè)置于以加速柵中心 為圓心的兩個(gè)同心圓上，且加速柵上所加載的電壓可調(diào)。
[0030] 本發(fā)明的工作原理是：環(huán)形器28用來阻止反射波進(jìn)入磁控管21，水負(fù)載22用來 吸收經(jīng)過環(huán)形器28傳輸過來的反射波功率，三銷釘23用來調(diào)節(jié)微波的匹配模式，微波在共 振腔26中產(chǎn)生等離子體。密度調(diào)節(jié)組件25由前密度調(diào)節(jié)板和后密度調(diào)節(jié)板組成，通過調(diào)節(jié) 前密度調(diào)節(jié)板和后密度調(diào)節(jié)板上密度調(diào)節(jié)孔的對(duì)準(zhǔn)面積來調(diào)節(jié)共振腔26中產(chǎn)生的等離子 體的密度，加速柵27用來加速離子達(dá)到要求的能量，通過調(diào)節(jié)加速柵27上所加載的電壓， 從而達(dá)到調(diào)節(jié)離子能量的要求。
[0031] 本發(fā)明可調(diào)微波等離子體產(chǎn)生裝置的密度調(diào)節(jié)板如圖2所示。為了讓微波等離子 體產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的電子/離子的密度可調(diào)，在微波等離子體產(chǎn)生裝置共振腔的端面安裝密 度調(diào)節(jié)組件，密度調(diào)節(jié)板包括前密度調(diào)節(jié)板和后密度調(diào)節(jié)板。通過改變前密度調(diào)節(jié)孔和后 密度調(diào)節(jié)孔的重合程度（完全重合時(shí)電子/離子的密度最大，部分重合時(shí)電子/離子的密 度減少）來實(shí)現(xiàn)電子/離子的密度的調(diào)節(jié)（如圖3所示）。
[0032] 本發(fā)明可調(diào)微波等離子體產(chǎn)生裝置的加速柵如圖4所示。為了讓微波等離子體產(chǎn) 生裝置產(chǎn)生的離子的能量可調(diào)，通過使微波等離子體產(chǎn)生裝置共振腔的出口擋板與共振腔 的其他部分電絕緣，并在加速柵上施加電壓以加速離子，從而實(shí)現(xiàn)離子能量的調(diào)節(jié)。通過在 加速柵上設(shè)置兩組加速孔，可以提高等離子體產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的等離子體的均勻性。
[0033] 當(dāng)微波等離子體產(chǎn)生裝置運(yùn)行于加速狀態(tài)時(shí)，由于等離子體中的電子和離子電性 相反，使得輸出的等離子體偏離了電中性。為了保持等離子體的電中性，在加速柵的外端面 安裝了中和燈絲，通過加熱燈絲產(chǎn)生電子來實(shí)現(xiàn)等離子體的電中性。
[0034] 本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以進(jìn)行空間應(yīng)用有效載荷的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、標(biāo)定、測(cè)試與分析評(píng) 估，得到空間應(yīng)用有效載荷在地面模擬等離子體環(huán)境下準(zhǔn)確、可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高空間 應(yīng)用有效載荷的可靠性和研制水平。
【權(quán)利要求】
1. 一種空間低地軌道等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括微 波等離子體源a(l)、源艙a(2)、插板閥a(3)、實(shí)驗(yàn)艙門（4)、實(shí)驗(yàn)艙（5)、插板閥b(6)、源 艙b (7)、微波等離子體源b (8)、真空粗抽泵組（9)、低溫泵b (10)、移動(dòng)平臺(tái)（11)、低溫泵 c(12)、低溫泵d(13)以及低溫泵a(14);其連接關(guān)系為：實(shí)驗(yàn)艙（5) -端通過插板閥a(3) 與源艙a(2)連接；實(shí)驗(yàn)艙（5)另一端通過插板閥b(6)與源艙b(7)連接；微波等離子體源 a (1)安裝在源艙a (2)的端面上；微波等離子體源b (8)安裝在源艙b (7)的端面上；低溫泵 a(14)和低溫泵b(10)安裝在實(shí)驗(yàn)艙（5)的中部；低溫泵c(12)和低溫泵d(13)安裝在實(shí) 驗(yàn)艙（5)的下部；實(shí)驗(yàn)艙門（4)安裝在實(shí)驗(yàn)艙（5)內(nèi)部的一端，真空粗抽泵組（9)安裝在實(shí) 驗(yàn)艙（5)另一端的下側(cè)；用于放置測(cè)試設(shè)備儀器的移動(dòng)平臺(tái)（11)安裝在實(shí)驗(yàn)艙（5)內(nèi)的下 部。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所屬空間低地軌道等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于， 所述實(shí)驗(yàn)艙（5)由柱形直線段和位于直線段兩端的過渡段組成，其中直線段的大小為： 3.5m X 5.Om 〇
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所屬空間低地軌道等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述 源艙a(2)和源艙b(7)相同，源艙由柱形直線段和用于與微波等離子體源相連的過渡段組 成，其中直線段的大小為4 x 1.5m。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所屬空間低地軌道等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所 述微波等離子體源a(l)和微波等離子體源b(8)相同，所述微波等離子體源包括：磁控管 (21)、水負(fù)載（22)、三銷釘（23)、多級(jí)磁場(chǎng)（24)、密度調(diào)節(jié)組件（25)、過渡段、共振腔（26)、 加速柵（27)、環(huán)形器（28)、激勵(lì)腔（29)及中和燈絲（20);其連接關(guān)系為：磁控管（21)安裝 在激勵(lì)腔（29)上，激勵(lì)腔（29)與環(huán)形器（28)的一端連接，環(huán)形器（28)的另一端通過過渡 段與共振腔（26)連接，三銷釘（23)安裝在過渡段上；環(huán)形器（28)外安裝水負(fù)載（22);多 級(jí)磁場(chǎng)（24)安裝在共振腔（26)外，共振腔（26)的端面安裝密度調(diào)節(jié)組件（25)，在密度調(diào) 節(jié)組件（25)的外表面安裝加速柵（27)，在加速柵（27)的外端面安裝中和燈絲（20)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所屬空間低地軌道等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述 密度調(diào)節(jié)組件（25)包括前密度調(diào)節(jié)板和后密度調(diào)節(jié)板，前、后密度調(diào)節(jié)板相同，并可繞同 一轉(zhuǎn)動(dòng)軸相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；其中，密度調(diào)節(jié)板上設(shè)有多個(gè)密度調(diào)節(jié)孔，密度調(diào)節(jié)孔均勻設(shè)置于以轉(zhuǎn) 動(dòng)軸為圓心的圓上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所屬空間低地軌道等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述 加速柵（27)上設(shè)有兩組直徑不同的加速孔，兩組加速孔分別設(shè)置于以加速柵中心為圓心 的兩個(gè)同心圓上，且加速柵上所加載的電壓可調(diào)。
【文檔編號(hào)】B64G7/00GK104340381SQ201410577348
【公開日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】陳燾, 馬勉軍, 雷軍剛, 王佐磊, 高青松, 張佰森 申請(qǐng)人:蘭州空間技術(shù)物理研究所