一种空间低地轨道等离子体环境模拟实验系统

摘要

本发明提供一种空间低地轨道等离子体环境模拟实验系统，该实验系统包括微波等离子体源a、源舱a、插板阀a、实验舱门、实验舱、插板阀b、源舱b、微波等离子体源b、真空粗抽泵组、低温泵b、移动平台、低温泵c、低温泵d以及低温泵a；其连接关系为：实验舱一端通过插板阀a与源舱a连接；实验舱另一端通过插板阀b与源舱b连接；微波等离子体源a安装在源舱a的端面上；微波等离子体源b安装在源舱b的端面上；低温泵a和低温泵b安装在实验舱的中部；低温泵c和低温泵d安装在实验舱的下部；实验舱门安装在实验舱内部的一端，真空粗抽泵组安装在实验舱另一端的下侧；用于放置测试设备仪器的移动平台安装在实验舱内的下部。

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间低地轨道等离子体环境模拟实验系统，属于空间应用 设备技术领域。

背景技术

为了验证空间有效载荷在轨功能、性能指标的真实性和可靠性，需要在地 面等离子体环境中进行空间有效载荷的实验验证、标定、测试与分析评估。

在通常情况下，空间低地球轨道等离子体电子密度为10⁹/m³～10¹²/m³，电 子温度为1000K～5000K。现有的空间等离子体环境模拟设备一般是针对不同空 间轨道高度的等离子体环境参数而创建的。由于实验目的不同，这些等离子体 环境模拟设备的主要部分(真空容器和离子源)也不同，具有等离子体均匀区 (300mm×300mm)小和不均匀度(优于25％)差的特点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提出一种空间低地 轨道等离子体环境模拟实验系统。

实现本发明的技术方案如下：

一种空间低地轨道等离子体环境模拟实验系统，该实验系统包括微波等离 子体源a、源舱a、插板阀a、实验舱门、实验舱、插板阀b、源舱b、微波等离 子体源b、真空粗抽泵组、低温泵b、移动平台、低温泵c、低温泵d以及低温 泵a；其连接关系为：实验舱一端通过插板阀a与源舱a连接；实验舱另一端通 过插板阀b与源舱b连接；微波等离子体源a安装在源舱a的端面上；微波等离 子体源b安装在源舱b的端面上；低温泵a和低温泵b安装在实验舱的中部； 低温泵c和低温泵d安装在实验舱的下部；实验舱门安装在实验舱内部的一端， 真空粗抽泵组安装在实验舱另一端的下侧；用于放置测试设备仪器的移动平台 安装在实验舱内的下部。

进一步地，本发明所述实验舱由柱形直线段和位于直线段两端的过渡段组 成，其中直线段的大小为：3.5m×5.0m，即直线段的长度为5.0m，直线段的 直径为3.5m。

进一步地，本发明所述源舱a和源舱b相同，源舱由柱形直线段和用于与 微波等离子体源相连的过渡段组成，其中直线段的大小为：1.0m×1.5m，即直 线段的长度为1.5m，直线段的直径为1m。

进一步地，本发明所述微波等离子体源a和微波等离子体源b相同，所述 微波等离子体源包括：磁控管、水负载、三销钉、多级磁场、密度调节组件、 过渡段、共振腔、加速栅、环形器、激励腔及中和灯丝；其连接关系为：磁控 管安装在激励腔上，激励腔与环形器的一端连接，环形器的另一端通过过渡段 与共振腔连接，三销钉安装在过渡段上；环形器外安装水负载；多级磁场安装 在共振腔外，共振腔的端面安装密度调节组件，在密度调节组件的外表面安装 加速栅，在加速栅的外端面安装了中和灯丝。

进一步地，本发明所述密度调节组件包括前密度调节板和后密度调节板， 前、后密度调节板相同，并可绕同一转动轴相对转动；其中，密度调节板上设 有多个密度调节孔，密度调节孔均匀设置于以转动轴为圆心的圆上-。

进一步地，本发明所述加速栅上设有两组直径不同的加速孔，两组加速孔 分别设置于以加速栅中心为圆心的两个同心圆上，且加速栅上所加载的电压可 调。

有益效果

本发明实验系统通过双源舱(直线段1.0m×1.5m)、大实验舱(直线段3.5m×5.0m)和双微波等离子体源的设计，实现了大空间尺度的等离子体均匀区 (Φ2m×3m)，在该均匀区域内的对称位置处等离子体不均匀度优于10％。

本发明通过转动前、后密度调节板，调节前、后密度调节板上密度调节孔 的相对位置关系，从而使本发明等离子体产生装置的电子密度和离子密度可调， 且调节范围为10⁹/m³～10¹²/m³。

本发明通过调节加速栅两端的电压，通过加速栅对离子进行加速，使得加 速条件下离子能量为5～30eV(可调)，稳定性达到±2％(2h)。

附图说明

图1为本发明空间低地轨道等离子体环境模拟实验系统的正视结构示意图。

图2为本发明可调谐微波等离子体产生装置的正视结构示意图。

图3为本发明可调谐微波等离子体产生装置的密度调节板示意图。

图4为本发明可调谐微波等离子体产生装置的密度调节板工作原理示意图。

图5为本发明可调谐微波等离子体产生装置的加速栅示意图。

其中，1-微波等离子体源a、2-源舱a、3-插板阀a、4-实验舱门、5-实验舱、 6-插板阀b、7-源舱b、8-微波等离子体源b、9-真空粗抽泵组、10-低温泵b、11- 移动平台、12-低温泵c、13-低温泵d、14-低温泵a。

21-磁控管、22-水负载、23-三销钉、24-多级磁场、25-密度调节组件、26-共 振腔、27-加速栅、28-环形器、29-激励腔，20-中和灯丝。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。

本发明一种空间低地轨道等离子体环境模拟实验系统，如图1所示，该系 统包括微波等离子体源a 1、源舱a 2、插板阀a 3、实验舱门4、实验舱5、插 板阀b 6、源舱b 7、微波等离子体源b 8、真空粗抽泵组9、低温泵b 10、移动 平台11、低温泵c 12、低温泵d 13以及低温泵a 14；上述部件的连接关系为： 实验舱5一端通过插板阀a 1与源舱a 2连接，实验舱5另一端通过插板阀b 6 与源舱b 7连接，微波等离子体源a 1安装在源舱a 2的端面上，微波等离子体 源b 8安装在源舱b 7的端面上。低温泵a 14和低温泵b 10安装在实验舱的中部， 低温泵c 12和低温泵d 13安装在实验舱5的下部对称位置。实验舱门4安装在 实验舱5内部的一端，真空粗抽泵组9安装在实验舱5另一端的下侧；移动平台 11安装在实验舱5内的下部，其上可以放置测试设备仪器。

本发明的工作原理是：首先启动真空粗抽泵组8对实验舱5、源舱a 2和源 舱b 8粗抽真空，然后启动低温泵a 10、低温泵b 12、低温泵c 13和低温泵d 14 将实验舱抽真空至工作真空度。打开微波等离子体源a 1和微波等离子体源b 8 产生等离子体，打开插板阀a 3、插板阀b 6和实验舱门4，使等离子体扩散至实 验舱5，形成一定范围均匀的等离子体，实现等离子体环境下的空间有效载荷的 实验验证、标定和测试。

本发明实验舱较佳地采用由柱形直线段和位于直线段两端的过渡段组成的 实验舱，其中直线段的大小为：3.5m×5.0m，即直线段的长度为5.0m，直线 段的直径为3.5m。本发明源舱a和源舱b相同，源舱较佳地采用由柱形直线段 和用于与微波等离子体源相连的过渡段组成的源舱，其中直线段的大小为：1.0m×1.5m，即直线段的长度为1.5m，直线段的直径为1m。本发明通过对实验 系统通过双源舱(直线段1.0m×1.5m)、大实验舱(直线段3.5m×5.0m)和 双微波等离子体源的设计，实现了大空间尺度的等离子体均匀区(Φ2m×3m)， 在该均匀区域内的对称位置处等离子体不均匀度优于10％。

本发明所述微波等离子体源a和微波等离子体源b相同，所述微波等离子体 源包括：磁控管21、水负载22、三销钉23、多级磁场24、密度调节组件25、 共振腔26、加速栅27、环形器28、激励腔29、过渡段及中和灯丝；其连接关系 为：磁控管21安装在激励腔29上，激励腔29与环形器28的一端连接，环形器 28的另一端通过过渡段与共振腔26连接，三销钉23安装在过渡段上；环形器 28外安装水负载22；共振腔26外安装多级磁场24，共振腔26的端面安装密度 调节组件25，在密度调节组件25的外表面安装加速栅27，中和灯丝20安装在 加速栅27的外端面。

密度调节组件25包括前密度调节板和后密度调节板，前、后密度调节板相 同，并可绕同一转动轴相对转动；其中，密度调节板上设有多个密度调节孔， 多个密度调节孔均匀设置于以转动轴为圆心的圆上。

加速栅27上设有两组直径不同的加速孔，两组加速孔分别设置于以加速栅 中心为圆心的两个同心圆上，且加速栅上所加载的电压可调。

本发明的工作原理是：环形器28用来阻止反射波进入磁控管21，水负载22 用来吸收经过环形器28传输过来的反射波功率，三销钉23用来调节微波的匹配 模式，微波在共振腔26中产生等离子体。密度调节组件25由前密度调节板和后 密度调节板组成，通过调节前密度调节板和后密度调节板上密度调节孔的对准 面积来调节共振腔26中产生的等离子体的密度，加速栅27用来加速离子达到要 求的能量，通过调节加速栅27上所加载的电压，从而达到调节离子能量的要求。

本发明可调微波等离子体产生装置的密度调节板如图2所示。为了让微波 等离子体产生装置产生的电子/离子的密度可调，在微波等离子体产生装置共振 腔的端面安装密度调节组件，密度调节板包括前密度调节板和后密度调节板。 通过改变前密度调节孔和后密度调节孔的重合程度(完全重合时电子/离子的密 度最大，部分重合时电子/离子的密度减少)来实现电子/离子的密度的调节(如 图3所示)。

本发明可调微波等离子体产生装置的加速栅如图4所示。为了让微波等离 子体产生装置产生的离子的能量可调，通过使微波等离子体产生装置共振腔的 出口挡板与共振腔的其他部分电绝缘，并在加速栅上施加电压以加速离子，从 而实现离子能量的调节。通过在加速栅上设置两组加速孔，可以提高等离子体 产生装置产生的等离子体的均匀性。

当微波等离子体产生装置运行于加速状态时，由于等离子体中的电子和离 子电性相反，使得输出的等离子体偏离了电中性。为了保持等离子体的电中性， 在加速栅的外端面安装了中和灯丝，通过加热灯丝产生电子来实现等离子体的 电中性。

本发明的实验系统可以进行空间应用有效载荷的实验验证、标定、测试与 分析评估，得到空间应用有效载荷在地面模拟等离子体环境下准确﹑可靠的实 验数据，提高空间应用有效载荷的可靠性和研制水平。