專利名稱：玻璃鋼真空容器等離子體試驗系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及地面等離子體環(huán)境模擬試驗，具體涉及一種玻璃鋼真空容 器的大體積等離子體環(huán)境模擬試驗系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，高分辨率偵察、遙感衛(wèi)星對高精度天線的需求 較為迫切。要求衛(wèi)星天線和太陽陣等大型外露部件在熱設計、功率耐受能力、 抗空間粒子效應方面有更高的可靠性。在研制過程中必須經(jīng)過充分環(huán)境模擬試 驗來驗證這些關(guān)鍵性能。
在十五期間我們就開展了原子氧環(huán)境、空間輻照等對航天器的影響研究工 作，隨著長壽命高可靠衛(wèi)星的研制要求越來越高，對空間環(huán)境的研究也不斷深 入，這些年大家十分關(guān)注空間等離子體環(huán)境對衛(wèi)星關(guān)鍵部件的影響。因為等離 子體環(huán)境可以引起航天器天線、高壓太陽陣等其他外露部件的等離子鞘效應、
法拉第效應、附加電流效應、表面放電效應。這包括以下多方面內(nèi)容
a. 航天器天線上間隔、縫隙區(qū)的等離子體電子倍增微放電效應，會導致
天線表面微放電現(xiàn)象，影響天線傳輸功率嚴重下降，乃至損壞天線或微波器件。
b. 航天器天線與等離子體環(huán)境相互作用，會在天線表面形成一層等離子體 鞘，破壞天線的阻抗匹配特性，使天線傳輸效率及賦型特性變壞。
c. 航天器天線信號在等離子體中傳播時，產(chǎn)生法拉第效應，造成電磁波
極化面偏轉(zhuǎn)，使信號質(zhì)量變壞。
d. 航天器高壓太陽帆板通過等離子體環(huán)境時，產(chǎn)生附加電流效應，造成太 陽陣功率下降。
e. 航天器表面與等離子體碰撞，會產(chǎn)生離子濺射效應，導致表面材料出氣 增加，性能退降，污染加重。
為了滿足這些方面的試驗研究，十分有必要研制一個大型的，玻璃鋼真空 容器的等離子體試驗設備作為這項研究的基礎(chǔ)設備，以解決高分辨率偵察、遙感衛(wèi)星以及其它航天器數(shù)傳天線熱控及熱設計指標、功率耐受能力、二次電子 倍增放電擊穿效應的性能檢測試驗需求。同時，兼顧中低軌道上航天器數(shù)傳天 線類似試驗測試的需要。以及，滿足航天器天線、高壓太陽陣等其他外露部件 的等離子環(huán)境效應試驗研究的需要。
為了較真實地進行天線等微波傳輸產(chǎn)品的功率測量，需要在設備外部通過 遙測的方式進行測量，因此需要有透波功能的真空容器。對于研制金屬的真空 容器已經(jīng)有成成熟的經(jīng)驗，但是在非金屬真空容器方面，還沒有成熟經(jīng)驗可以
借鑒，經(jīng)過調(diào)研分析，采用玻璃鋼材料制作承受latm外壓的真空容器，并作 為等離子體設備的主要試驗容器。通過立項和申請，以及方案論證，國家通過 專項技術(shù)改造得以批復實施，最終完成了該項大型玻璃鋼真空容器的等離子體 環(huán)境試驗系統(tǒng)的研制工作。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種獲得空間等離子體環(huán)境的實驗模擬系 統(tǒng)，該系統(tǒng)能通過控制等離子源的進氣量，實現(xiàn)不同能量的等離子體環(huán)境，同 時，可以利用玻璃鋼真空容器實現(xiàn)被測產(chǎn)品的功率直接發(fā)射功率的測量，較真 實的模擬這些功率發(fā)射產(chǎn)品的在空間等離子體環(huán)境下的影響。
本實用新型的目的可由以下技術(shù)方案完成的
本玻璃鋼真空容器等離子體環(huán)境試驗系統(tǒng)，主要包括真空容器，等離子源， 抽氣子系統(tǒng)；真空容器包括有真空封蓋大門，容器體，真空封蓋大門通過鉸鏈 聯(lián)接到容器體上；容器體的另一端端部中心部位通過閥門與等離子體源連接， 端部的上方有供液氮流出熱沉的出口裝置，正下部有供液氮進入熱沉的進口裝 置；容器體上方有用于各種測量使用的法蘭接口，容器體的中間水平位置上有 用于觀察內(nèi)部環(huán)境的玻璃窗；真空容器的下部有用于支撐的支座，容器采用臥 式方式固定在支座上。
上述系統(tǒng)中，所述的真空容器為能滿足工作壓力小于或等于1. 3X10"Pa
的容器裝置。其中，容器體的形狀可以是圓柱形，方形，球體形狀；端部采用
的形式可以是平板型封頭，碟型封頭，橢圓型封頭，球冠型封頭等。真空封蓋
大門的形狀也可以是平板型封頭，碟型封頭，橢圓型封頭，球冠型封頭等。容 器體和真空封蓋大門的材料可以是金屬也可以是非金屬等材料。其中，所述的抽氣子系統(tǒng)為能夠?qū)崿F(xiàn)對真空容器進行抽氣，實現(xiàn)真空獲得 的裝置，采用無油抽氣方式來實現(xiàn)干凈，清潔真空環(huán)境的獲得。這些抽氣方式 包括分子泵和干泵組合方式；低溫泵和干泵組合方式；還有低溫泵、分子泵共 同與無油機械泵組合方式；以及低溫泵、分子泵等做為主抽氣泵與機械增壓泵 和干泵的組合方式等多種。
其中，等離子源子系統(tǒng)的形式有多種，主要用于產(chǎn)生滿足要求 的等離子體條件。產(chǎn)生等離子體的方法有直流(DC)、射頻容性耦 合(CCP)、射頻感應耦合(ICP)、微波、微波ECR等。前四種可以 用磁場，也可以不用磁場；但微波ECR必須用磁場。
本實用新型的優(yōu)點在于利用該試驗系統(tǒng)不僅可以獲得滿足要求的等離子 體環(huán)境，模擬衛(wèi)星產(chǎn)品的等離子環(huán)境效應，更重要的是利用玻璃鋼真空封蓋大 門能實現(xiàn)透波的特點，對于需要在設備外部測量衛(wèi)星產(chǎn)品的微波和信號傳輸?shù)?試驗項目，以及測試空間環(huán)境下產(chǎn)品的變形量等項目時，可以在該系統(tǒng)的外部 直接進行測試，設備能較真實模擬衛(wèi)星產(chǎn)品的真實狀態(tài)(例如測量衛(wèi)星天線的 加載測試，以及天線的空間環(huán)境下的變形量測試等)，而不用其他間接測量的 方式完成微波參數(shù)的測試。另外采用玻璃鋼高真空容器研制技術(shù)和應用在等離 子環(huán)境試驗設備中在國內(nèi)還是首次。另外，利用該裝置的大范圍，高溫度和高 密度等離子體環(huán)境模擬效應，以及移動裝置和熱沉等實現(xiàn)衛(wèi)星產(chǎn)品在等離子體 環(huán)境中不同溫度，不同等離子體密度下的等離子體效應的測試。這樣大的等離 子體環(huán)境模擬設備在過內(nèi)也是目前最大的設備。


圖1為本實用新型的系統(tǒng)示意圖。
其中，1、真空封蓋大門；2、測量使用的法蘭接口； 3、液氮從熱沉排出 的出口； 4、等離子源；5、液氮進出熱沉的進口； 6、支座；7、抽氣子系統(tǒng)； 8、觀察窗；9、容器體；IO鉸鏈。
圖2為本實用新型的玻璃鋼與金屬容器連接的鉸鏈的示意圖。
具體實施方式
圖1為本實用新型的玻璃鋼真空容器等離子體環(huán)境試驗系統(tǒng)的示意圖。本實用新型的玻璃鋼真空容器等離子體環(huán)境試驗系統(tǒng)主要包括真空容器，等離子
源4，抽氣子系統(tǒng)7;真空容器包括有真空封蓋大門1，容器體9，真空封蓋大
門1通過鉸鏈10聯(lián)接到容器體9上；容器體9的另一端端部中心部位通過閥
門與等離子體源4連接，端部的上方有供液氮流出熱沉的出口 3，正下部有供 液氮進入熱沉的進口5;容器體9上方有用于各種測量使用的法蘭接口 2，容 器體9的中間水平位置上有用于觀察內(nèi)部環(huán)境的玻璃窗8;真空容器9的下部 有用于支撐的支座6，容器采用臥式方式固定在支座6上。
具體實施方式
是，開啟真空容器的真空封蓋大門1，將衛(wèi)星產(chǎn)品安裝在試 驗設備的移動小車及平臺上，布置好測量信號傳感器，并通過測量使用的法蘭 接口2，與監(jiān)測設備連接。容器體在本實用新型中優(yōu)先采用金屬材料的圓柱型 結(jié)構(gòu)，尺寸為①1500mmX2000mm，因為這種結(jié)構(gòu)有一個較好的受力分布狀態(tài)， 不易失穩(wěn)；在獲得有效容積和使用安全等方面的綜合性能較理想，同時也實現(xiàn) 了國內(nèi)目前最大的等離子體環(huán)境模擬設備。容器體的前面有一個用于觀察產(chǎn)品 狀態(tài)的觀察窗8。
真空封蓋大門優(yōu)先采用的是玻璃鋼半球形狀，根據(jù)技術(shù)要求玻璃鋼對S、 X波段(2-3， 8-9GHz)范圍的電磁波反射功率不大于入射功率的30%，同時還 要承受個大氣壓的外壓條件下保持容器內(nèi)壓力小于等于1.3X10—3Pa。具體實 施上通過透波性能分析和仿真計算，確定玻璃鋼容器的基本結(jié)構(gòu)形式和基本壁 厚，然后通過有限元分析和玻殼理論分析強度和剛度，同時對玻璃鋼材料在低 溫條件下的溫度梯度進行分析計算，最后經(jīng)過工藝試驗對樣品的真空放氣和滲 透性能測試。在具體設計的過程中綜合考慮研制的工藝要求，結(jié)合工藝試驗確 保了高真空密封性能和小的透氣性能。最終研制一個半徑為SR750mm的半球型 結(jié)構(gòu)與一個4) 1500mmX250mra直筒段的實芯壁結(jié)構(gòu)玻璃鋼結(jié)構(gòu)。大門法蘭的密 封面通過預埋件的形式與金屬法蘭固定，解決了大門的支撐和鏈接等技術(shù)問 題。
關(guān)閉大門，真空封蓋大門通過鉸鏈10，以及夾緊器與容器體對接密閉， 使衛(wèi)星產(chǎn)品處于真空容器內(nèi)密閉空間。參見附圖2，為本實用新型的玻璃鋼真 空封蓋大門和金屬容器之間的鉸鏈。該系統(tǒng)采用的是雙鉸鏈連接機構(gòu)。該結(jié)構(gòu) 不僅解決了安裝空間方面的限制，也能輕便、靈活的開關(guān)大門。解決了單鉸鏈 機構(gòu)經(jīng)常出現(xiàn)的弊端，單鉸鏈屬于三桿連接機構(gòu)，有一個轉(zhuǎn)動軸，在同軸度方面需要很高的安裝工藝，不然大門與筒體法蘭之間出現(xiàn)干涉，無法調(diào)節(jié)；抽氣 過程中大門會向容器側(cè)有一個微小位移的運動過程，單鉸鏈機構(gòu)因鉸鏈壁的杠 桿作用使大門在運動過程中出現(xiàn)徑向側(cè)移，容易產(chǎn)生密封圈錯位或劃傷。雙鉸 鏈結(jié)構(gòu)，屬于四桿機構(gòu)，有兩個轉(zhuǎn)動軸，可以避免出現(xiàn)上述情況，也利于保證 鉸鏈安裝過程中的同軸度，便于實現(xiàn)將來拆卸和更換大門的操作。
真空封蓋大門關(guān)閉后，啟動抽氣子系統(tǒng)7，對容器內(nèi)部進行抽真空，使壓 力達到技術(shù)條件要求的壓力范圍。該抽氣子系統(tǒng)采用了低溫泵作系統(tǒng)的主泵， 分子泵為維持泵，前級泵為爪式干泵的組合方式。工作時干泵兼做為系統(tǒng)的粗 抽泵，對容器的抽氣；當?shù)竭_分子泵啟動的壓力范圍后，啟動分子泵，這時干 泵轉(zhuǎn)換為分子泵的前級泵；當壓力進一步降低，達到低溫泵啟動的條件后，啟 動低溫泵進行抽氣，根據(jù)測試需要，可對分子泵和干泵進行關(guān)閉。由于抽氣系 統(tǒng)采用的全部是無油抽氣泵，獲得了無油污染的干凈真空環(huán)境。由于采用先進 的抽氣組合方式，該實用新型不僅能獲得清潔真空環(huán)境，而且滿足了在10SCCM 流量下獲得壓力《1. 3Xl(TPa的工作真空度要求。在小氣量注入的條件下還 能達到更高的真空度，可以到到10—6Pa量級。
當真空容器的壓力達到要求后，啟動等離子源4，獲得所需要的等離子體環(huán) 境。本實用新型采用的等離子源為軸向注入的磁鏡場微波ECR等離子體源，由 微波源、氣體流量控制器、流量顯示儀、磁鏡場線圈、ECR等離子體共振腔， 擴散杯，分子泵、幾何和電位調(diào)節(jié)柵、柵前及柵后檢測探針等組成。共振腔的 尺寸約為》120腿X300腿，擴散杯的尺寸為(J)250mmX300mm。具體實施是將等 離子源安裝在容器體一端封頭的中心軸線上，通過閥門與容器體相接，閥開啟 后，等離子體可注入真空容器室中。等離子體源單獨調(diào)試時，關(guān)閉插板閥，分 子泵、擴散杯和等離子體源構(gòu)成獨立的、小空間的真空環(huán)境，便于等離子體源 參數(shù)的調(diào)節(jié)與維修。
等離子體源的工作原理是由微波管產(chǎn)生的微波(2450MHz)經(jīng)波導和石 英窗平行于磁場注入微波ECR共振腔(微波輸入l)，微波在ECR共振層加熱 電子，產(chǎn)生高密度等離子體。等離子體沿著磁力線擴散到真空容器中，按照雙 極擴散的規(guī)律充滿真空容器。為提高電子溫度，啟動垂直注入微波(微波輸入 2)，采用諧頻共振加熱可以使電子溫度提高到10 eV以上。
等離子體源工作時，氣體通過流量控制器進入ECR等離子體共振腔，流量顯示儀記錄氣體流入的情況；微波經(jīng)波導引入等離子體ECR共振腔，在ECR 共振層加熱電子，與氣體碰撞、電離而產(chǎn)生等離子體。通過柵前及柵后檢測探 針對等離子體密度和溫度的測試，判定擴散杯中等離子體的溫度和密度；通過 調(diào)節(jié)幾何和電位調(diào)節(jié)柵、氣體流量、微波功率及節(jié)流孔徑來調(diào)整電子的溫度和 密度，使其滿足試驗參數(shù)要求。本實用新型，通過容器體內(nèi)的探針陣測量到的 等離子體參數(shù)為獲得O650mmX500mm空間內(nèi)的等離子體區(qū)域，等離子體電 子密度107cnTl07cm3，可調(diào)；等離子體電子能量1 10eV，可調(diào)；在O650腿 X500mm范圍內(nèi)等離子體不均勻度，軸向不大于50%，徑向不大于35%;等離 子體的穩(wěn)定性大于80%/5h。
如果試驗中需要有低溫條件，將液氮通過液氮進出熱沉的進口 5，壓入熱 沉中，利用液氮的汽化吸熱原理，對環(huán)境進行降溫，然后汽化的氮氣通過液氮 從熱沉排出的出口 3排走，本系統(tǒng)可以實現(xiàn)一10(TC的低溫環(huán)境。
以上以半球型玻璃鋼真空容器的等離子體試驗系統(tǒng)為例對本實用新型進 行了說明，但是對本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的，其它形狀的玻璃鋼高真空容 器的研制，例如圓管形、方形、或不規(guī)則形狀，都可以實現(xiàn)本實用新型的目的。
盡管上文對本實用新型的具體實施方式
給予了詳細描述和說明，但是應該 指明的是，我們可以依據(jù)本實用新型的構(gòu)想對上述實施方式進行各種等效改變 和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應在 本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種玻璃鋼真空容器等離子體環(huán)境試驗系統(tǒng)，其特征在于，主要包括真空容器，等離子源，抽氣子系統(tǒng)；所述真空容器包括有真空封蓋大門，容器體，真空封蓋大門通過鉸鏈聯(lián)接到容器體上；容器體的另一端端部中心部位通過閥門與等離子體源連接，端部的上方有供液氮流出熱沉的出口裝置，正下部有供液氮進入熱沉的進口裝置；容器體上方有用于各種測量使用的法蘭接口，容器體的中間水平位置上有用于觀察內(nèi)部環(huán)境的玻璃窗；真空容器的下部有用于支撐的支座，容器采用臥式方式固定在支座上。
2、 如權(quán)利要求1所述的環(huán)境試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的真空容器為 能滿足工作壓力小于或等于1. 3X 10—3Pa的容器裝置。 '
3、 如權(quán)利要求1所述的環(huán)境試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述容器體的形狀 為圓柱形，方形，球體形狀。
4、 如權(quán)利要求1所述的環(huán)境試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述容器體的端部 釆用的形式為平板型封頭，碟型封頭，橢圓型封頭或球冠型封頭。
5、 如權(quán)利要求1所述的環(huán)境試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述真空封蓋大門 的形狀為平板型封頭，碟型封頭，橢圓型封頭或球冠型封頭。
6、 如權(quán)利要求1-5任一項所述的環(huán)境試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的抽氣子系統(tǒng)為能夠?qū)崿F(xiàn)對真空容器進行抽氣，實現(xiàn)真空獲得的裝置。
7、 如權(quán)利要求6所述的環(huán)境試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述抽氣子系統(tǒng)的無油抽氣子系統(tǒng)。
8、 如權(quán)利要求7所述的環(huán)境試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述無油抽氣子系 統(tǒng)包括分子泵和干泵組合系統(tǒng)、低溫泵和干泵組合系、低溫泵、分子泵共同與 無油機械泵組合系統(tǒng)、或者低溫泵、分子泵做為主抽氣泵與機械增壓泵和干泵 的組合系統(tǒng)。
9、 如權(quán)利要求1-5任一項所述的環(huán)境試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述等離 子源子系統(tǒng)包括直流(DC)、射頻容性耦合(CCP)、射頻感應耦合(ICP)、微 波、微波ECR等離子體源。
專利摘要本實用新型提供了一種本玻璃鋼真空容器等離子體環(huán)境試驗系統(tǒng)，主要包括真空容器，等離子源，抽氣子系統(tǒng)；真空容器包括有真空封蓋大門，容器體，真空封蓋大門通過鉸鏈聯(lián)接到容器體上；容器體的另一端端部中心部位通過閥門與等離子體源連接，端部的上方有供液氮流出熱沉的出口裝置，正下部有供液氮進入熱沉的進口裝置；容器體上方有用于各種測量使用的法蘭接口，容器體的中間水平位置上有用于觀察內(nèi)部環(huán)境的玻璃窗；真空容器的下部有用于支撐的支座，容器采用臥式方式固定在支座上。本實用新型不僅能獲得清潔真空環(huán)境，而且滿足了在10SCCM流量下獲得壓力≤1.3×10^-3Pa的工作真空度要求。在小氣量注入的條件下還能達到更高的真空度，可以到10^-6Pa量級。
文檔編號G01R29/10GK201348645SQ20082017801
公開日2009年11月18日 申請日期2008年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月17日
發(fā)明者敏 劉, 劉恩均, 孫立臣, 力 汪, 童靖宇, 賈瑞金, 齊燕文 申請人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所