一种卫星深层充放电现象的模拟装置

摘要

一种卫星深层充放电现象的模拟装置，包括：粒子束流产生装置、真空罐、真空保持子系统、粒子检测仪和测试数据子系统，其中：粒子束流产生装置用于产生高能电子束流，该高能电子束流照射到试验样品之上；真空罐用于为模拟装置提供真空腔体空间；真空保持子系统用于保持真空罐的真空环境；粒子检测仪用于检测粒子束流以确定粒子输入是否正常；及测试数据子系统用于为模拟试验采集数据。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星受粒子辐射效应的地面模拟技术，尤其涉及一种用于模拟空间 高能电子在卫星介质充放电(也称之为卫星深层充放电或卫星内带电)现象的模拟 装置。

背景技术

卫星内部的介质或不接地导体由于高能粒子的作用，会形成类似于地面上的静 电带电的卫星深层充电，也即空间带电粒子在卫星的内部介质中累积，这会造成卫 星的内部介质中发生电荷积累，而在卫星介质内部形成不均匀的电场或者卫星介质 与周围空间之间的大电位差，被称之为卫星深层充电。当卫星介质内部电场集中区 域场强超过阈值，或者介质表面电位与周围物体之间电位差超过阈值，会造成卫星 内部的介质的不同部分之间出现放电现象，这种放电现象即类似于地面的静电放电。 静电放电会释放出来电流脉冲、电磁脉冲及热脉冲，电流脉冲和电磁脉冲都会直接 或间接耦合进卫星的电子学系统，从而干扰甚至伤害卫星的安全。针对卫星深层介 质充放电现象和其危害，需要开展多方面工作，一方面需要在卫星上搭载卫星介质 (深层)充放电的探测装置，另一方面就是需要开展地面理论和试验的研究，从而 获得卫星介质(深层)充放电现象的宏观和微观特性及规律，以便为卫星在轨管理 和故障诊断及卫星设计提供依据支撑。

开展卫星深层充放电的理论和地面试验研究，需要有一套地面模拟系统可以模 拟太空中造成卫星深层充放电现象的粒子辐照、真空环境以及试验所需的测试数据 采集系统等。

发明内容

因此，针对以上需要，本发明提出一种卫星深层充放电现象的模拟装置，由于 空间质子和电子在卫星上入射的深度浅，对地球空间卫星造成深层充放电的为高能 电子，因此该模拟装置采用通过加速器或者放射源的方式形成的电子束流，该电子 束流对置于真空环境中的试验样品进行照射，从而对试验样品造成类似于卫星在太 空中的深层充放电现象，然后对充放电现象产生的信号进行检测并进行数据处理， 从而在地面上实现对太空中发生的卫星深层充放电现象的模拟。

根据本发明的一个实施例的卫星深层充放电现象的模拟装置，包括粒子束流产 生装置、真空罐、真空保持子系统、粒子检测仪和测试数据子系统，其中：粒子束 流产生装置用于产生高能电子束流，该高能电子束流照射到试验样品之上；真空罐 用于为模拟装置提供真空腔体空间；真空保持子系统用于保持真空罐的真空环境； 粒子检测仪用于检测粒子束流以确定粒子输入是否正常；及测试数据子系统用于为 模拟试验采集数据。

优选地，粒子束流产生装置通过束流管与真空罐的侧壁连接，粒子束流产生的 高能电子束流经束流管提供至真空罐内。

优选地，真空罐由不锈钢材料制成，其罐壁安装有监控摄像机，侧壁安装有可 供观测的透明窗。

优选地，真空罐的底部安装有转台，所述转台为弱磁性，能够进行相应的移动， 用来为试验样品和测试数据子系统提供适当的配合位置。根据一个实施例，转台包 括托盘、支架及导轨，托盘用于放置试验样品，支架上安装试验样品及其它装置设 备，导轨用于控制转台的移动。

根据一个实施例，真空保持子系统包括机械泵、分子泵、低温泵、检测仪和控 制台，其中控制台用来控制机械泵、分子泵及低温泵有序地工作，机械泵用来初步 地抽走真空罐中的空气，分子泵用来在机械泵之后进一步地抽走真空罐中的空气， 而低温泵用来维持真空罐处于高度真空状态以便进行模拟试验。

根据一个实施例，测试数据子系统包括电位检测仪、电流检测仪、电磁脉冲检 测仪及数据处理台，其中：电位检测仪用来在模拟试验过程中检测试验样品的电位 变化，电流检测仪用来检测试验样品在试验过程中的静电放电电流脉冲，电磁脉冲 检测仪用来检测真空罐内的电磁环境背景并检测试验样品在静电放电过程中的空间 电磁脉冲。

根据本发明的一个实施例，电子束流产生装置所产生的电子束流的能量范围为 0.1MeV到2.2MeV、通量强度范围为10³#/cm²到10¹¹#/cm²,从而实现对于空间环境不同 活动状态的高能粒子的模拟。优选地，电子束流产生装置所产生的电子束流到达试 验样品位置处的束流横截面积不小于1mm²、截面以内粒子能量不均匀性小于200％， 以使得模拟实验尽可能地模拟空间环境中卫星深层被空间高能粒子大面积照射的情 况。优选地，电子束流产生装置至少连续地输出电子束流1分钟以上，以便于模拟 太空不是激烈变化情况下的卫星深层的充电行为。

根据本发明的一个实施例，真空罐的内部横截面积不小于10cm²，以便于安装可 以开展充放电试验所需的设备，且真空罐的内壁光滑，内表面不平整度小于1cm。 优选地，真空罐内设置不少于一个监控摄像机和不少于一个透明窗，以便于在试验 的前、后可以随时观测罐内的各类情况。优选地，真空罐至少有一端有门，同时门 的直径与真空罐内径相差在10％以内，以便于在试验前后试验样品的进出。

根据本发明的一个实施例，转台包括双导轨和双支架，双导轨用于使双支架相 互独立地运行；并且其中一个支架用来安装粒子检测仪和电位检测仪，另一个支架 上安装有托盘，托盘用来盛放试验样品。优选地，转台和支架沿水平两个方向移动， 具体来说，转台沿真空罐轴线方向和垂直于轴线的方向移动，支架沿上下方向和真 空罐的轴线方向移动，移动精度为不大于1cm，托盘在垂直方向移动，移动精度为 不大于1cm，以便于尽可能地降低测量和试验的对准误差。

根据本发明的一个实施例，粒子检测仪的表面面积不小于粒子束流面积，并且 粒子检测仪表面与束流管的出口垂直，误差小于30度，尽量降低测量误差。

根据本发明的一个实施，电位检测仪为非接触式电位检测仪，电位检测仪的探 头表面与试验样品的距离不大于5cm，以尽量降低测量误差。

根据本发明的一个实施例，电流检测仪为互扼型电流检测仪，以尽量降低测量 仪器对于被测电信号的干扰。

根据本发明的一个实施例，电磁脉冲检测仪为宽波束天线，在真空罐内设置数 量不少于一个，以尽量提高电磁脉冲的被捕获概率。

根据本发明的一个实施例，真空罐在试验期间应保持在10^-3Pa以上真空度，以 降低残留气体对于粒子束流的干扰和低气压放电。

根据本发明的卫星深层充放电效应模拟装置，优点在于：可以为卫星深层充放 电现象的研究提供模拟太空不同的空间高能粒子的剧烈活动程度的试验环境，并且 可以获得模拟试验的有关电位、电流和电磁的各类数据，以方便进行各类研究，因 此本发明可以用于卫星的深层充放电现象的地面机理试验、故障复现诊断试验以及 相关仪器的定标实验。

附图说明

图1为本发明的卫星深层充放电现象的模拟装置的实现原理框图。

图2为根据本发明的一个具体实施例的卫星深层充放电现象的模拟装置的结构 示意图。

图3为图2沿A-A向的剖面示意图。

图4为根据本发明的卫星深层充放电现象的模拟装置的转台的一个具体实施结 构的示意图。

图5为根据本发明的卫星深层充放电现象的模拟装置的真空保持子系统的一个 具体实施结构的示意图。

图6为根据本发明的卫星深层充放电现象的模拟装置的测试数据子系统的一个 具体实施例的示意图。

图7为利用本发明的卫星深层充放电现象的模拟装置进行模拟试验的方法流程 图。

附图标记

1、粒子束流产生装置2、真空罐3、监控摄像机

4、透明窗5、试验样品6、转台

7、束流管8、测试数据子系统9、真空保持子系统

10、电位检测仪11、粒子检测仪12、电流检测仪

13、支架14、托盘15、导轨

16、机械泵17、分子泵18、低温泵

19、真空检测仪20、控制台21、数据处理台

22、电磁脉冲检测仪

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的卫星深层充放电现象的模拟装置进行详 细说明。

图1为本发明的卫星深层充放电现象模拟装置的结构原理框图。如图所示，本 发明的卫星深层充放电现象的模拟装置包括粒子束流产生装置1、真空罐2、真空保 持子系统9、粒子检测仪11和测试数据子系统8，其中：粒子束流产生装置1用于 产生高能电子束流，该高能电子束流照射到试验样品之上；真空罐2用于为模拟装 置提供真空腔体空间；真空保持子系统9用于保持真空罐2的真空环境；粒子检测 仪11用于检测粒子束流以确定粒子输入是否正常；及测试数据子系统8用于为模拟 试验采集数据。

图2为根据本发明的一个具体实施例的卫星深层充放电现象的模拟装置的结构 示意图。图3为图2沿A-A向的剖面示意图。在该实施例中，粒子束流产生装置1 所产生的粒子束流通过束流管7被提供至模拟装置，这里束流管7为圆筒状。与图1 中相同的部分不再赘述。在本实施例中，所述粒子束流为电子束流，束流管7为圆 筒状，为模拟系统提供电子束流，模拟太空电子束流。优选地，真空罐2由不锈钢 材料构成，且真空罐2为圆筒状，为模拟系统提供真空腔体空间，模拟太空的真空 状态，其罐壁安装有监控摄像机3，侧壁安装有可供观测透明窗4，束流管7与真空 罐2的侧壁连接，底部安装有转台6。

如图4为本发明的一个实施例的转台6的示意图。转台6为弱磁结构，用来为 试样样品和测试仪器提供适当配合位置。这里，转台6包括托盘14、支架13及导轨 15，其中支架13用于安装粒子检测仪11、电位检测仪10及试验样品，托盘14用于 放置试验样品，导轨15用于控制支架13的移动，使得在需要粒子检测时将粒子检 测仪11移动至粒子束流区域，在粒子照射样品的时候粒子检测仪11移离粒子束流 区域。

图5为本发明的一个实施例的真空保持子系统9的示意图。所述真空保持子系 统9包括机械泵16、分子泵17、低温泵18、真空检测仪19和控制台20，其中数据 处理台21控制机械泵16、分子泵17及低温泵18的有序地工作，且机械泵16用来 初步地抽走真空罐2中的空气，分子泵17用来在机械泵16之后进一步地抽走真空 罐2中的空气，而低温泵18用来维持真空罐2的真空度，即真空状态，以反馈给数 据处理台21来控制机械泵16、分子泵17和低温泵18进行相应的工作。

如图6为本发明的一个实施例的测试数据子系统8的示意图。所述测试数据子 系统8用来为模拟试验采集试验结果信号，它包括电位检测仪10、电流检测仪12、 电磁脉冲检测仪22及数据处理台21。这里，电位检测仪10用来检测试验样品在实 验过程的电位变化，电流检测仪12用来检测试验样品在试验过程的静电放电电流脉 冲，电磁脉冲检测仪22用来检测真空罐内的电磁环境背景并检测试验样品在静电放 电的空间电磁脉冲。

在本实施例中，所述电子束流能量范围为0.1MeV到2.2MeV、通量强度范围为 10³#/cm²到10¹¹#/cm²,从而实现对于空间环境不同活动状态的模拟。电子束流到达样 品位置处的束流横截面积不小于1mm²、截面以内粒子能量不均匀性小于200％，以 便于模拟实验尽可能的模拟空间大面积照射情况。优选地，粒子束流产生装置1至 少连续输出粒子束流1分钟以上，以便于可以模拟太空不是激烈变化情况下的充电 行为。

在优选实施例中，真空罐2的内部横截面积不小于10cm²，以便于安装可以开展 充放电试验所需设备，且内壁光滑，内表面不平整度小于1cm。优选地，真空罐2 内设置不少于一个监控摄像机3和不少于一个透明窗4，以便于在试验的前、后可以 随时观测罐内各类情况。真空罐2至少有1端设置有门，同时门的直径与真空罐内 径相差在10％以内，以便于在试验前后物品的进出。

在优选的实施例中，转台6采用双导轨15和双支架13，且两个支架可以独立运 行，其中一个支架用来安装粒子检测仪11和电位检测仪10，另一个支架用来安装试 验样品。转台6和支架13沿水平两个方向移动，移动精度为不大于1cm，托盘14 可以在垂直方向移动，移动精度为不大于1cm，以便于尽可能的降低测量和试验的 对准误差。

在本实施例中，所述粒子检测仪11的表面面积不小于粒子束流面积，并且检测 仪表面与束流管7的出口垂直，误差小于30度，尽量降低测量误差。

在本实施例中，电位检测仪10的类型为非接触式电位检测仪，检测仪探头表面 与被测样品距离不大于5cm，以尽量降低测量误差。

在本实施例中，电流检测仪12的类型为互扼型电流检测仪，以尽量降低测量仪 器对于被测电信号的干扰。

在本实施例中，电磁脉冲检测仪22为宽波束天线，诸如球形天线等，在真空罐 2内设置数量不少于一个，以尽量提高电磁脉冲的被捕获概率。

在本实施例中，真空罐2在试验时期应保持在10^-3Pa以上的真空度，以降低残 留气体对于粒子束流干扰和低气压放电。

图7为利用本发明的卫星深层充放电现象的模拟装置进行模拟试验的方法的流 程图，包括以下步骤：1)启动真空保持子系统9，使得真空罐2内的真空度达到试 验允许的范围，避免由于真空罐2内存在气体而导致低气压放电；2)启动测试数据 子系统8，使得试验样品的状态和真空罐2内的环境状态都被记录下来，便于对比研 究；3)然后开始粒子束流注入，从而进行卫星深层充放电现象的模拟试验，真空保 持子系统9将维持真空罐2的真空状态，直到模拟试验结束。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管 参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明 的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均 应涵盖在本发明的权利要求范围当中。