專利名稱：一種航天器光學(xué)表面的非金屬材料出氣污染的原位監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種航天器光學(xué)表面的非金屬材料出氣污染的原位監(jiān)測裝置，屬于航空航天技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，航天器分子污染對衛(wèi)星光學(xué)載荷系統(tǒng)的影響受到多方關(guān)注。由于衛(wèi)星的 長壽命、有效載荷的高性能，例如采用工作溫度越來越低的傳感器，采用大功率的電子器件 等，對分子污染控制程度隨之提高。材料在真空環(huán)境下放氣產(chǎn)生的分子污染是污染的主要 來源之一，衛(wèi)星敏感光學(xué)表面性能退化是放氣分子污染造成的主要效應(yīng)，所以必須對光學(xué) 表面分子污染進行原位監(jiān)測和控制。分子污染沉積造成的光學(xué)性能退化有多方面的后果，主要影響熱控表面、光學(xué)表 面以及太陽電池的工作性能。分子污染物沉積于熱控表面，會影響其表面的發(fā)射率和吸收 率，進而影響衛(wèi)星溫控系統(tǒng)的工作，嚴重時會造成衛(wèi)星某些部件失效。一些光學(xué)有效載荷對 溫度均勻性要求很高，因此對污染控制要求隨之提高。對于光學(xué)表面，分子污染會使反射鏡反射率或者透鏡的透過率降低，信號強度減 小，信噪比下降，并會對工作在紅外波段的光學(xué)器件產(chǎn)生影響，因為某些污染分子為多原子 分子，其振動能波長在紅外波段，會成為噪聲來源。而且，紅外波段光學(xué)儀器通常工作于低 溫，因此，污染物會長時間沉積于其表面。對于工作在紫外波段200 360nm的儀器，酯、苯 基硅樹脂、碳氫化合物等會產(chǎn)生明顯的退化效應(yīng)，而工作在小于200nm紫外波段的儀器，任 何有機污染物退化效應(yīng)都很明顯，屬于污染高度敏感載荷。國外研究發(fā)現(xiàn)了 “紫外增強污染效應(yīng)”。在200nm紫外輻照下，污染物更頑強地吸 附于敏感表面上，假使目標表面溫度高于污染源，污染分子仍可能沉積。污染分子吸附到敏 感表面后，在光能的作用下被激發(fā)，產(chǎn)生交聯(lián)。一旦交聯(lián)，會對將污染物從表面移走的能量 要求極高。能量較高的紫外線產(chǎn)生的光化學(xué)作用更為顯著，紫外輻照還會使得污染沉積物 質(zhì)變暗，導(dǎo)致吸收率顯著增加。怎樣用定量的方法原位測量光學(xué)器件表面污染，就是一個不容忽視的問題。本發(fā) 明利用石英晶體微量天平(Quartz Crystal Microbalances. QCM)對衛(wèi)星光學(xué)敏感表面污 染沉積量及污染后果進行監(jiān)測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決航天器熱真空試驗和在軌運行期間，我國現(xiàn)有航天器使 用非金屬材料出氣物光學(xué)敏感表面沉積量無法原位定量的問題，提供了一種航天器光學(xué)表 面的非金屬材料出氣污染的原位監(jiān)測裝置。本發(fā)明的一種航天器光學(xué)表面的非金屬材料出氣污染的原位監(jiān)測裝置包括試驗 機組柜、真空抽氣系統(tǒng)、真空倉、光學(xué)樣品、石英晶體微量天平探測器、分光光度計、分光光度計窗口、熱控樣品臺、分光光度計監(jiān)測窗口、石英晶體微量天平監(jiān)測計算機和機柜；其連 接關(guān)系為真空倉裝置安裝于試驗機組柜上，通過密封管路與真空抽氣系統(tǒng)連接；真空抽 氣系統(tǒng)安裝于試驗機組柜內(nèi)部，真空倉分光光度計窗口安裝分光光度計；真空倉內(nèi)放置石 英晶體微量天平探測器和熱控樣品臺，其視角為180° ；測控系統(tǒng)通過電纜與石英晶體微量 天平探測器、熱控樣品臺和分光光度計連接，以控制熱控樣品臺溫度，測量真空出氣污染； 測控系統(tǒng)工作通過石英晶體微量天平探測器軟件、熱控樣品臺溫度控制軟件、分光光度計 監(jiān)測軟件來完成。本發(fā)明的一種航天器光學(xué)表面的非金屬材料出氣污染的原位監(jiān)測裝置的使用方 法如下1)安裝石英晶體微量天平系統(tǒng)和熱控樣品臺系統(tǒng)，其視角為180° ；將石英晶體微 量天平中的石英晶片置于真空室內(nèi)，在石英晶體微量天平的可視范圍內(nèi)，放置非金屬材料， 使其在真空條件下出氣；2)調(diào)整分光光度計，使分光光度計中光束通過石英晶體微量天平中的石英晶片， 原位測量石英晶片的反射率；3)啟動真空系統(tǒng)，使真空倉在分子流狀態(tài)下工作；4)通過石英晶體微量天平控制系統(tǒng)調(diào)整石英晶體微量天平零點；5)加熱非金屬材料，使污染物逸出；6)啟動分光光度計，分光光度計原位測量石英晶片的反射率，保存各種參數(shù)及數(shù) 據(jù)記錄；7)在線原位監(jiān)測石英晶體微量天平的各種參數(shù)，主要包括頻率和溫度，保存各種 參數(shù)及數(shù)據(jù)記錄；8)關(guān)閉石英晶體微量天平測試系統(tǒng)，關(guān)閉熱控樣品臺系統(tǒng)，關(guān)閉分光光度計，關(guān)閉 真空系統(tǒng)，回復(fù)試驗設(shè)備至初始狀態(tài)。所述步驟1)中石英晶體微量天平的本征頻率為10MHz、15MHz、20MHz或更高頻率； 真空室真空度小于ixio_3pa;所述步驟2)中分光光度計調(diào)整為光學(xué)樣品的入射角為45° ；所述步驟3)中真空系統(tǒng)為無油真空系統(tǒng)，真空泵按順序啟動冷阱、機械泵和分子 泵；啟動分子泵前真空度小于1 X lO^Pa,真空系統(tǒng)的真空度小于1 X 10_3Pa，30分鐘后，再開 啟調(diào)整石英晶體微量天平零點；所述步驟5)中加熱非金屬材料的溫度為125°C，時間為24 48h ；所述步驟6)中分光光度計原位測量光學(xué)樣片的反射率為200 2000nm的光譜 段；所述步驟7)中石英晶體微量天平頻率和溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)速率大于1次/min ；所述步驟8)中按順序關(guān)閉石英晶體微量天平測試系統(tǒng)、熱控樣品臺系統(tǒng)、真空系 統(tǒng)，最終使整個測試系統(tǒng)恢復(fù)至常溫、常壓狀態(tài)。有益效果1)本發(fā)明在模擬航天器軌道環(huán)境條件下，提高了我國非金屬材料出氣可凝揮發(fā)物 在航天器光學(xué)敏感表面污染原位監(jiān)測靈敏度，達到1. 10X 10_9 4. 42X 10_9 ；2)本發(fā)明提供了稀薄的氣體氛圍和清潔的環(huán)境條件，增加了試驗測試過程中測量數(shù)據(jù)的準確性，降低了航天器光學(xué)有效載荷在軌使用風險；3)本發(fā)明使用分光光度計測量了光學(xué)試樣表面污染前后的光譜圖像，試驗過程穩(wěn)
定可靠。4)本發(fā)明使用石英晶體微量天平測量了光學(xué)試樣表面污染后的質(zhì)量變化，試驗過 程穩(wěn)定可靠，復(fù)現(xiàn)性好；5)本發(fā)明適用于大規(guī)模試驗。


圖1是本發(fā)明的一種航天器光學(xué)表面的非金屬材料出氣污染的原位監(jiān)測裝置的 示意圖；其中，1-試驗機組柜、2-真空抽氣系統(tǒng)、3-真空倉、4-光學(xué)樣品、5-石英晶體微量 天平探測器、6-分光光度計、7-分光光度計窗口、8-熱控樣品臺、9-分光光度計監(jiān)測窗口、 10-石英晶體微量天平監(jiān)測計算機、11-機柜。
具體實施例方式實施例圖1是本發(fā)明的一種航天器光學(xué)表面的非金屬材料出氣污染的原位監(jiān)測裝置的 示意圖，其中，1-試驗機組柜、2-真空抽氣系統(tǒng)、3-真空倉、4-光學(xué)樣品、5-石英晶體微量 天平探測器、6-分光光度計、7-分光光度計窗口、8-熱控樣品臺、9-分光光度計監(jiān)測窗口、 10-石英晶體微量天平監(jiān)測計算機、11-機柜。1)將lOOglmmX ImmX 1mm顆粒狀的空間級硅橡膠裝入熱控樣品臺4，調(diào)整石英晶 體微量天平探測器5與熱控樣品臺4視角成180°，聯(lián)接水、電和氣設(shè)備，調(diào)整石英晶體微量 天平監(jiān)測計算機10通信，并關(guān)上真空倉3 ；2)調(diào)整分光光度計，使分光光度計中光束通過分光光度計監(jiān)測窗口 9入射到光學(xué) 樣品4，原位測量光學(xué)樣片的反射率，反射率包括光譜段200 200nm ；3)開啟真空抽氣系統(tǒng)2，按啟動冷阱，啟動機械泵，啟動分子泵的方式進行，直至 真空倉3真空度優(yōu)于1 X 10_3Pa ；4)通過石英晶體微量天平監(jiān)測計算機10調(diào)整石英晶體微量天平零點；5)由控制熱控樣品臺4，將空間級硅橡膠材料加熱至125°C持續(xù)24小時，并記錄石 英晶體微量天平頻率變化；6)啟動分光光度計6，分光光度計原位測量光學(xué)樣片的反射率，保存各種參數(shù)及 數(shù)據(jù)記錄；7)通過石英晶體微量天平測試系統(tǒng)7在線原位監(jiān)測石英晶體微量天平的各種參 數(shù)變化，主要包括頻率和溫度，保存各種參數(shù)及數(shù)據(jù)記錄；8)關(guān)閉石英晶體微量天平測試系統(tǒng)7，關(guān)閉熱控樣品臺4系統(tǒng)，關(guān)閉分光光度計6， 關(guān)閉真空抽氣系統(tǒng)2，回復(fù)試驗設(shè)備至初始狀態(tài)。9)測試結(jié)果表明，出氣可凝揮發(fā)物在400 700nm波段反射率下降30%。
權(quán)利要求
本發(fā)明的一種航天器光學(xué)表面的非金屬材料出氣污染的原位監(jiān)測裝置，其特征在于包括試驗機組柜(1)、真空抽氣系統(tǒng)(2)、真空倉(3)、光學(xué)樣品(4)、石英晶體微量天平探測器(5)、分光光度計(6)、分光光度計窗口(7)、熱控樣品臺(8)、分光光度計監(jiān)測窗口(9)、石英晶體微量天平監(jiān)測計算機(10)和機柜(11)；其連接關(guān)系為真空倉(3)裝置安裝于試驗機組柜(1)上，通過密封管路與真空抽氣系統(tǒng)(2)連接；真空抽氣系統(tǒng)(2)安裝于試驗機組柜(1)內(nèi)部，分光光度計窗口(7)安裝分光光度計(6)；真空倉(3)內(nèi)放置石英晶體微量天平探測器(5)和熱控樣品臺(8)，其視角為180°；測控系統(tǒng)通過電纜與石英晶體微量天平探測器(5)、熱控樣品臺(8)和分光光度計(6)連接，以控制熱控樣品臺(8)溫度，測量真空出氣污染；測控系統(tǒng)工作通過石英晶體微量天平探測器軟件、熱控樣品臺溫度控制軟件、分光光度計監(jiān)測軟件來完成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種航天器光學(xué)表面的非金屬材料出氣污染的原位監(jiān)測裝置，屬于航空航天技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的一種航天器光學(xué)表面的非金屬材料出氣污染的原位監(jiān)測裝置包括試驗機組柜、真空抽氣系統(tǒng)、真空倉、光學(xué)樣品、石英晶體微量天平探測器、分光光度計、分光光度計窗口、熱控樣品臺、分光光度計監(jiān)測窗口、石英晶體微量天平監(jiān)測計算機和機柜。本發(fā)明的方法的靈敏度高，達到1.10×10-9～4.42×10-9；試驗過程穩(wěn)定可靠、重復(fù)性好，并適用于大規(guī)模試驗。
文檔編號G01N5/00GK101876614SQ200910259350
公開日2010年11月3日 申請日期2009年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月17日
發(fā)明者馮杰, 姚日劍, 柏樹, 王先榮, 王鷁, 顏則東 申請人:中國航天科技集團公司第五研究院第五一○研究所