研究污染物影响材料或元件抗激光损伤能力的装置和方法

摘要

本申请公开了一种研究污染物影响材料或元件抗激光损伤能力的装置和方法，该装置包括位于密封腔外的激光源、能量分析器、真空系统和保护气体供应装置，位于密封腔内的污染源支架、污染源温控装置、污染源、污染成分实时监测系统、拍照系统、航天器敏感材料或元件的样品、污染源温控装置、样品台，以及位于密封腔上的玻璃窗口，所述玻璃窗口能够使所述激光源发射的激光入射到所述密封腔内并被所述航天器敏感材料或元件的样品接收。利用本申请能够准确评价对航天器长期服役后期的空间密封激光系统污染物的产生对空间激光系统的抗激光损伤能力的影响。

说明书

技术领域

本申请涉及航天器空间环境效应试验技术领域，特别涉及研究污染物影响材料或元件抗激光损伤能力的装置和方法。

背景技术

航天器在轨服役过程中，空间中存在的污染分子会对航天器搭载的设备系统产生不良影响，如对激光系统的光学性能产生影响。为避免空间污染分子对航天器激光系统的影响，通常需要将激光系统置于一定温度下的常压密封环境中。然而，密封空间内的激光系统在轨运行过程中，激光系统的某些支撑结构和光学元件表面会沉积污染物。

污染物通常来自两方面，一方面密封空间内的光学元件会发生其自身的物理吸附和化学吸附物质解析，形成污染源；另一方面，受外加环境的作用，尤其是能量粒子或光子的作用，航天材料尤其是有机航天材料将会发生分子结构的断裂，进而释放小分子，这些小分子将会在附近的材料表面沉积。当空间激光作用时，造成污染物的再蒸发、引起污染物的固化、以及污染物成为热的吸收源，导致航天材料或元件的抗激光损伤能力的下降。

目前，对于密封空间内污染源可能对航天器激光系统造成的影响，还缺乏相关研究，停留在初级阶段，例如，中国专利申请CN114970632A中将多脉冲激光作为污染物的清除方法，中国专利申请CN113758561B和CN113758947B中对航天器在轨服役过程中的紫外光子引起的污染增强效应和能量粒子在航天器舱内由电离总剂量诱导的污染试验进行了研究。但相关研究均是考虑污染量的增加原因和试验方法，而对于面向未来航天器长期在轨服役状态下，污染物对航天器抗激光损伤能力的影响，并未考虑，有待持续研究。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本申请提出了一种研究污染物影响材料或元件抗激光损伤能力的装置和方法，能够解决至少一种技术问题。

本申请提出的研究污染物影响材料或元件抗激光损伤能力的装置包括：位于密封腔外的激光源、能量分析器、真空系统和保护气体供应装置，位于所述密封腔内的污染源支架、污染源温控装置、污染源、污染成分实时监测系统、拍照系统、航天器敏感材料或元件的样品、样品台，以及位于所述密封腔上的玻璃窗口，所述玻璃窗口能够使所述激光源发射的激光入射到所述密封腔内并被所述航天器敏感材料或元件的样品接收；

在所述激光源与所述玻璃窗口的中心连接线上设有分光镜，所述分光镜能够使所述激光源发射的激光按一定比例入射到所述能量分析器内；所述样品台上设有样品温控装置，所述航天器敏感材料或元件的样品和所述污染沉积监测装置位于所述样品温控装置上，所述样品温控装置能够调节所述航天器敏感材料或元件的样品和所述污染沉积监测装置的温度为太空服役环境温度；所述污染源位于所述污染源温控装置上，所述污染源温控装置能够调节所述污染源的温度使污染源受热出气；所述拍照系统能够记录所述激光源发射的激光入射到所述航天器敏感材料或元件的样品表面的溅射过程和拍摄样品的形貌；所述真空系统能够使所述密封腔内保持真空环境；所述保护气体供应装置能够为所述密封腔提供洁净空气或氮气，使所述密封腔内的压力小于当地大气压力。

可选的，还包括测试与控制系统，用于控制所述激光源、所述能量分析器、所述真空系统、所述保护气体供应装置、所述污染源温控装置、所述污染成分实时监测系统、所述拍照系统、所述样品温控装置、所述污染源温控装置和所述污染沉积监测装置的工作状态。

可选的，所述污染源包括丁腈橡胶密封圈、氢化丁腈橡胶密封圈、硅橡胶密封圈和氟素橡胶密封圈的一种或多种；所述航天器敏感材料或元件的样品包括增透膜、高反膜、滤光片中的一种或多种。

可选的，所述污染源温控装置和所述样品温控装置均由高温控制部件和低温控制部件组成，其中所述高温控制部件使用电加热丝，所述低温控制部件使用液氮或浴油，温度范围为-80℃～+120℃。

可选的，所述激光源包括1064nm脉冲激光、532 nm脉冲激光、355 nm脉冲光源、1.0μm～1.1μm的连续光源中的一种。

本申请提出的研究污染物影响材料或元件抗激光损伤能力的方法，其基于研究污染物影响材料或元件抗激光损伤能力的方法，所述方法包括：

确定航天器敏感材料或元件在轨服役环境及试验参数；

确定常压密封环境下航天器敏感材料或元件抗激光损伤能力；

确定常压密封污染环境下航天器敏感材料或元件抗激光损伤能力；

得到常压密封下污染环境对航天器材料或元件的抗激光损伤能力的影响。

可选的，所述在轨服役环境包括污染源温度和航天器敏感材料或元件的样品温度；所述试验参数包括污染源的质量与密封腔的体积比和密封腔内的气体压力。

可选的，所述污染源温度保持在50±2℃、72±1h及以上，或70±2℃、24h及以上；所述航天器敏感材料或元件的样品温度与太空服役环境温度相同；所述污染源的质量与密封腔的体积比与太空激光系统相同；所述密封腔内的气体压力比当地大气压力低15kPa及以上。

可选的，所述确定常压密封环境下航天器敏感材料或元件抗激光损伤能力包括：

关闭密封腔，使用真空系统抽真空至0.1Pa以下，使用保护气体供应装置向密封腔供应纯净空气或氮气至1个当地大气压力，重复3次，最后保持密封腔内压力小于当地大气压力15kPa及以上；

启动污染成分实时监测系统和污染沉积监测装置，使用温控装置保持航天器敏感材料或元件的样品和污染沉积量监测装置的温度为太空服役环境温度，调整激光源发射的激光的波长和入射能量，并通过分束镜分束，使用能量分析器对激光能量进行监测；

使用拍照系统进行激光损伤航天器敏感材料或元件的样品的实时监测，通过调整激光源发射的脉冲激光的能量或者连续激光的作用时间，得到航天器敏感材料或元件的样品的抗激光损伤能力；其中，以损伤阈值或激光能量与作用时间来表示航天器敏感材料或元件的样品的抗激光损伤能力。

可选的，所述确定常压密封下污染环境对航天器敏感材料或元件的抗激光损伤能力的影响包括：

关闭密封腔，使用真空系统抽真空至0.1Pa以下，使用保护气体供应装置向密封腔供应纯净空气或氮气至1个当地大气压力，重复3次，最后保持密封腔内压力小于当地大气压力15kPa及以上；

启动污染成分实时监测系统和污染沉积监测装置，使用温控装置保持航天器敏感材料或元件的样品和污染沉积量监测装置的温度为太空服役环境温度；

将污染源放置在污染源支架上，使用污染源温控装置调节污染源的温度至50±2℃或70±2℃以使污染源出气，待出气时间达到50±2℃下72±1h及以上或在70±2℃下24h及以上；

控制激光源发射激光，并通过分束镜将激光分束，使用能量分析器对激光能量进行监测，使用拍照系统进行激光损伤航天器敏感材料或元件的样品的实时监测，通过调整激光源发射的激光的能量或者连续激光的作用时间，得到常压密封污染环境下航天器敏感材料或元件的样品的抗激光损伤能力；其中，以损伤阈值或激光能量与作用时间来表示常压密封污染环境下航天器敏感材料或元件的样品的抗激光损伤能力。

所述得到常压密封下污染环境对航天器材料或元件的抗激光损伤能力的影响包括：

分析常压密封环境下航天器敏感材料或元件抗激光损伤能力和常压密封污染环境下航天器敏感材料或元件抗激光损伤能力，得到常压密封下污染环境对航天器材料或元件的抗激光损伤的影响。

可选的，所述方法还包括：将常压密封环境下的航天器敏感材料或元件的样品和常压密封污染环境下的航天器敏感材料或元件的样品进行成分、形貌的微观分析和比对，分析得出常压密封污染环境影响航天器敏感材料或元件的抗激光损伤能力的微观机制。

本申请的实施例考虑了空间污染对航天器抗激光损伤能力的影响，仿造航天器在轨服役环境搭建了试验的硬件设施，装置整体设计合理，考虑因素全面，为探究常压密封污染对航天器敏感材料或元件的抗激光损伤能力的影响提供了基础，并配备了检测试验环境是否与真实环境相符的监测装置，所得结论可靠性高，本申请的实施例还可为航天器材料的选取及航天器的整体设计提供研究基础，有利于研究者在该领域开展深入研究。

附图说明

下面，将结合附图对本申请的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1是根据本申请实施例的研究污染物影响材料或元件抗激光损伤能力的装置的结构示意图；

图2是根据本申请实施例的研究污染物影响材料或元件抗激光损伤能力的方法的流程框图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。

图1示意性地示出了本申请的一个实施例的研究污染物影响材料或元件抗激光损伤能力的装置的结构示意图，如图1所示，本申请提出的研究污染物影响材料或元件抗激光损伤能力的装置包括：位于密封腔100外的激光源101、能量分析器102、真空系统103和保护气体供应装置104，位于密封腔100内的污染源支架105、污染源温控装置106、污染源107、污染成分实时监测系统108、拍照系统109、航天器敏感材料或元件的样品110、样品台112，以及位于密封腔100上的玻璃窗口113，玻璃窗口113能够使激光源101发射的激光入射到密封腔100内并被航天器敏感材料或元件的样品110接收；

在激光源101与玻璃窗口113的中心连接线上设有分光镜114，分光镜114能够使激光源101发射的激光按一定比例入射到能量分析器102内；样品台112上设有样品温控装置115，航天器敏感材料或元件的样品110和污染沉积监测装置116位于样品温控装置115上，样品温控装置115能够调节航天器敏感材料或元件的样品110和污染沉积监测装置116的温度为太空服役环境温度；污染源107位于污染源温控装置116上，污染源温控装置116能够调节污染源107的温度使污染源107受热出气；拍照系统109能够记录激光源101发射的激光入射到航天器敏感材料或元件的样品110表面的溅射过程和拍摄样品的形貌；真空系统能够使密封腔100内保持真空环境；保护气体供应装置能够为密封腔100提供洁净空气或氮气，使密封腔100内的压力小于当地大气压力。

本申请提出的研究污染物影响材料或元件抗激光损伤能力的装置为研究者探究常压密封污染对航天器敏感材料或元件的抗激光损伤能力的影响提供了试验条件，搭建了合理的试验设备，有利于研究者开展研究。

如图1所示的实施例中，研究污染物影响材料或元件抗激光损伤能力的装置还包括测试与控制系统117，用于控制激光源101、能量分析器102、真空系统103、保护气体供应装置104、污染源温控装置106、污染成分实时监测系统108、拍照系统109、样品温控装置115和污染沉积监测装置116的工作状态。

在本申请的一些实施例中，污染源107包括丁腈橡胶密封圈、氢化丁腈橡胶密封圈、硅橡胶密封圈和氟素橡胶密封圈的一种或多种；航天器敏感材料或元件的样品110包括增透膜、高反膜、滤光片中的一种或多种。样品台112包括无污染的不锈钢材料。真空系统103由机械泵和分子泵组成。分光镜114包括光学反射镜和透视镜。

在本申请的一些实施例中，污染源温控装置106和样品温控装置115均由高温控制部件和低温控制部件组成，其中高温控制部件使用电加热丝，低温控制部件使用液氮或浴油，温度范围为-80℃～+120℃。

在本申请的一些实施例中，激光源101包括1064nm脉冲激光、532 nm脉冲激光、355nm脉冲光源、1.0μm～1.1μm的连续光源中的一种。

本申请还提出研究污染物影响材料或元件抗激光损伤能力的方法，所述方法基于研究污染物影响材料或元件抗激光损伤能力的装置，图2示意性地示出了本申请的一个实施例的研究污染物影响材料或元件抗激光损伤能力的方法的流程框图，如图2所示，本申请提出的研究污染物影响材料或元件抗激光损伤能力的方法包括：

S101,确定航天器敏感材料或元件在轨服役环境及试验参数；

S102,确定常压密封环境下航天器敏感材料或元件抗激光损伤能力；

S103,确定常压密封污染环境下航天器敏感材料或元件抗激光损伤能力；

S104,得到常压密封下污染环境对航天器材料或元件的抗激光损伤能力的影响。

本申请提出的研究污染物影响材料或元件抗激光损伤能力的方法为开展常压密封污染影响航天器材料或元件的抗激光损伤能力提供了合理的试验方法，为研究者开扩了研究思路，有利于研究者的持续研究。并且本申请提出的试验方法能够准确评价常压密封环境下污染沉积物对航天器敏感材料或元件的抗激光损伤能力的影响及其微观机制。

在本申请的一些实施例中，在轨服役环境包括污染源温度和航天器敏感材料或元件的样品温度；所述试验参数包括污染源的质量与密封腔的体积比和密封腔内的气体压力。

在本申请的一些实施例中，污染源温度保持在50±2℃、72±1h及以上，或70±2℃、24h及以上；所述航天器敏感材料或元件的样品温度与太空服役环境温度相同；所述污染源的质量与密封腔的体积比与太空激光系统相同；所述密封腔内的气体压力比当地大气压力低15kPa及以上。

在本申请的一些实施例中，确定常压密封环境下航天器敏感材料或元件抗激光损伤能力包括：

关闭密封腔，使用真空系统抽真空至0.1Pa以下，使用保护气体供应装置向密封腔供应纯净空气或氮气至1个当地大气压力，重复3次，最后保持密封腔内压力小于当地大气压力15kPa及以上；

启动污染成分实时监测系统和污染沉积监测装置，使用温控装置保持航天器敏感材料或元件的样品和污染沉积量监测装置的温度为太空服役环境温度，调整激光源发射的激光的波长和入射能量，并通过分束镜分束，使用能量分析器对激光能量进行监测；

使用拍照系统进行激光损伤航天器敏感材料或元件的样品的实时监测，通过调整激光源发射的脉冲激光的能量或者连续激光的作用时间，得到航天器敏感材料或元件的样品的抗激光损伤能力；其中，以损伤阈值或激光能量与作用时间来表示航天器敏感材料或元件的样品的抗激光损伤能力。

在本申请的一些实施例中，确定常压密封下污染环境对航天器敏感材料或元件的抗激光损伤能力的影响包括：

关闭密封腔，使用真空系统抽真空至0.1Pa以下，使用保护气体供应装置向密封腔供应纯净空气或氮气至1个当地大气压力，重复3次，最后保持密封腔内压力小于当地大气压力15kPa及以上；

启动污染成分实时监测系统和污染沉积监测装置，使用温控装置保持航天器敏感材料或元件的样品和污染沉积量监测装置的温度为太空服役环境温度；

将污染源放置在污染源支架上，使用污染源温控装置调节污染源的温度至50±2℃或70±2℃以使污染源出气，待出气时间达到50±2℃下72±1h及以上或在70±2℃下24h及以上；

控制激光源发射激光，并通过分束镜将激光分束，使用能量分析器对激光能量进行监测，使用拍照系统进行激光损伤航天器敏感材料或元件的样品的实时监测，通过调整激光源发射的激光的能量或者连续激光的作用时间，得到常压密封污染环境下航天器敏感材料或元件的样品的抗激光损伤能力；其中，以损伤阈值或激光能量与作用时间来表示常压密封污染环境下航天器敏感材料或元件的样品的抗激光损伤能力。

在本申请的一些实施例中，得到常压密封下污染环境对航天器材料或元件的抗激光损伤能力的影响包括：

分析常压密封环境下航天器敏感材料或元件抗激光损伤能力和常压密封污染环境下航天器敏感材料或元件抗激光损伤能力，得到常压密封下污染环境对航天器材料或元件的抗激光损伤的影响。

在本申请的一些实施例中，所述方法还包括：将常压密封环境下的航天器敏感材料或元件的样品和常压密封污染环境下的航天器敏感材料或元件的样品进行成分、形貌的微观分析和比对，分析得出常压密封污染环境影响航天器敏感材料或元件的抗激光损伤能力的微观机制。

以上通过多个实施例描述了本申请实施例的常压密封下污染环境影响航天器材料或元件抗激光损伤能力的试验方法的实现方式以及带来的优势。以下选取空间密封激光系统中的滤光片元件作为样品、以1064nm脉冲激光作为激光源、选取当前航天器广泛应用的丁腈橡胶密封圈作为污染源，详细描述本申请实施例的具体处理过程。

确定污染源温度、样品温度、污染源的质量与密封腔的体积比和密封腔内的气体压力。为加速试验节约试验时间，污染源温度可保持在50±2℃下至少72±1h，或在70±2℃下保持至少24h；可选取的污染源丁腈橡胶密封圈的质量与密封腔体积比与实际太空激光密封系统一致，若不知，可取值（5.0±0.25）g/L；密封腔内气体压力可比周围环境压力至少低15kPa；

关闭常压密封腔，利用真空系统抽真空至0.1Pa以下，利用保护气体供应装置供应纯净空气，或保护气体如氮气至1个当地大气压力，重复3次，最后保持密封腔内压力小于当地大气压力至少15kPa，启动污染成分实时监测系统和污染沉积监测装置，利用温控装置保持样品和污染沉积量监测装置的温度控制为太空服役环境温度，若不知，可取值（25±2）℃。调整激光器的波长和入射能量，并通过2分光镜分束，利用能量分析器对激光能量进行监测，利用拍照进行激光损伤材料的实时监测，通过调整激光源中脉冲激光的能量或者连续激光的作用时间，得到样品的抗激光损伤能力，以损伤阈值或激光能量与作用时间来表示常压密封环境下样品的抗激光损伤能力；

关闭常压密封腔，利用真空系统抽真空至0.1Pa以下，利用保护气体供应装置供应纯净空气，或保护气体如氮气至1个当地大气压力，重复3次，最后保持密封腔内压力小于当地大气压力至少15kPa，启动污染成分实时监测系统和污染沉积监测装置，利用温控装置保持样品和污染沉积量监测装置的温度控制，取值为实际太空服役环境温度，若不知，可取值25±）℃，将密封橡胶圈等污染源放置于污染源支架上，利用污染源温控装置调节污染源的加热温度至50±2℃或70±2℃以使污染源出气，待出气时间达到50±2℃下至少72±1h或在70±2℃下保持至少24h后，调整激光源的波长和入射能量，并通过分光镜分束，利用能量分析器对激光能量进行监测，利用拍照系统进行激光损伤材料的实时监测，通过调整激光源中脉冲激光的能量或者连续激光的作用时间，得到样品的抗激光损伤能力，以损伤阈值或激光能量与作用时间来表示常压密封污染环境下样品的抗激光损伤能力；

对常压密封环境下样品抗激光损伤能力和常压密封污染环境下样品抗激光损伤能力比对分析，即可得到常压密封下污染环境对航天器材料或元件的抗激光损伤的影响。进一步，利用扫描电子显微镜、X射线光电子能谱和原子力显微镜等微观分析手段，对常压密封环境下的样品和常压密封污染环境下的样品进行成分、形貌的微观分析和比对，分析得出常压密封污染环境影响航天器敏感材料或元件的抗激光损伤能力的微观机制。

本申请提出的研究污染物影响材料或元件抗激光损伤能力的装置为探究常压密封污染对航天器敏感材料或元件的抗激光损伤能力的影响搭建了合理的试验设备，有利于研究者开展研究。并基于这套设备，提出了研究污染物影响材料或元件抗激光损伤能力的方法，为开展常压密封污染影响航天器材料或元件的抗激光损伤能力提供了合理的试验方法，为研究者开扩了研究思路，有利于研究者的持续研究；并且本申请提出的试验方法能够准确评价常压密封环境下污染沉积物对航天器敏感材料或元件的抗激光损伤能力的影响及其微观机制。

上述实施例仅供说明本申请之用，而并非是对本申请的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本申请范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本申请公开的范畴。