卫星深层充放电模拟实验装置

 

1.设备全景图

设备全景图.png

2.设备概况

品牌/型号:自主研制

用途:卫星深层充放电模拟实验装置主要用来模拟开展航天器用材料与小型部件的充放电效应研究与实验测试。

3.设备功能简介

卫星深层充放电模拟实验装置是国家空间科学中心空间环境特殊效应实验室自主研制。经过多年的理论和试验研究具有以下功能:材料表面与深层充电效应实验、空间静电放电对器件与电路影响实验、航天器充放电效应故障归零实验、太阳电池充放电效应实验、航天用绝缘材料电导率测量、充放电效应探测器标定等。

4.设备的技术特点

4.1 辐照场设计

该装置仍采用90Sr-90Y放射源模拟空间高能电子辐射环境。90Sr-90Y是b源,并且具有出射电子能量高(Emax=2.28 MeV)、半衰期长(T1/2=28.8 a)的特点,适于作为内部充电的模拟辐照源。与另外一种常在内部充电试验中采用的辐照源——电子加速器相比:90Sr-90Y源的b衰变具有连续能谱,且与外辐射带电子能谱较好匹配;电子通量容易控制在与空间相仿的pA量级;辐照场稳定,可进行长时间持续辐照试验;试验过程中的电磁干扰少,有利于充放电参数的准确测量;此外,运行成本低。本次装置研制,考虑到要提供较大辐照场,以满足较大体积试验件的试验要求,定制了多枚90Sr-90Y密封源,组成面阵,如图4.1所示。

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图4.1 90Sr-90Y放射源面阵排列照片

利用蒙特卡罗模拟工具Geant4,编程计算了环状排列半径为R时,与放射源面阵垂直距离为d的面域内,电子辐照场的分布情况image.png。根据计算结果,最终确定R的优化取值为3cm。此时,在距离放射源面阵2cm处,可提供有效范围约Φ4cm的MEO轨道高能电子环境模拟辐照场,在距离放射源面阵10cm处,可提供有效范围大于Φ10cm的GEO轨道高能电子环境模拟辐照场。Geant4的部分计算结果如下表所示(由于对称性,只计算image.png即可)。除放射源之外,装置还配备了一台EK-100-FL型电子枪,可提供10-100KeV能量连续可调,最大中束流强度100微安的电子束。

4.2 真空及温控

装置真空室的主体结构为水平放置圆筒,内径1.0m,长1.4m。真空室的一端为大活门,为便于试验操作,在筒壁水平方向也设置了一个相同规格的大活门。选用可靠性高的机械泵和分子泵机组,保证其长时间持续稳定运行,以满足内部充电试验要求。真空系统的工作压强≤5.0´10-4Pa。在真空室内设置了一个60cm ´80cm铝制试验平台,可承载较大尺寸的试验件进行辐照试验。铝制试验台的中心,是一个f20cm铜制温控圆盘,温控系统采用压缩机制冷,介质油导热,温控范围-60℃至+100℃,温控精度±1℃。此外,装置配有多种类型的过真空电气转接口,及多个备用盲板法兰。

4.3 辐射防护

为保障试验过程中人员的安全,根据GB 18871-2002和GBZ 125-2002标准,对放射源进行了辐射防护设计。防护分为非辐照状态下的贮存防护和辐照状态下的试验防护。防护材料采用铝-铅复合的形式,内层采用低Z的铝以抑制电子的轫致辐射,外层采用高Z的铅以吸收轫致辐射X射线。最终确定贮存防护铅的厚度为8cm,试验防护铅的厚度为2cm,可保证辐射防护安全。

4.4 充放电参数测量

试验过程中,对样品充放电参数进行测量的设置如图4.2所示,可获取表面电位、接地电流、放电电流/电场脉冲等数据。其中,电位测量仪器为Trek341B高速高压静电电位计,电位探针需经过真空电容转接,设计了一套三维传动机构,可实现对试验样品表面电位的扫描测量,定位精度好于1mm;定制了一台测量/传输带宽~1GHz的脉冲电场仪,测量放电电磁脉冲,并采用矢量网络分析仪进行放电电磁脉冲的频谱分析;采用Keithley皮安表,进行接地电流测量;采用Pearson罗氏线圈,进行放电电流脉冲测量;采用HiSpec高速摄像机,监测记录可能发生放电的部位和情景。

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图4.2  充放电参数测量示意图

(1-试验样品; 2-表面电位非接触测量; 3-接地电流测量;

4-放电电流脉冲测量; 5-放电电磁脉冲测量; 6-高速摄像)

4.5 参数测量不确定度分析

充放电参数测量过程中使用的Trek341B静电电位计、Keithley皮安表等仪器本身的测量精度都高于试验精度要求,其带来的误差基本可以忽略。测量的主要误差来源于电位测量的过真空电容转接,尤其是还要实现三维扫描测量,会将Trek341B静电电位计1伏的分辨率,降低至十几伏甚至几十伏。此外,试验中采用的非接触式电位测量方法,测得的结果是样品表面测量点附近的电位平均值,对于面积较大的平板样品,若样品充电均匀,测得的电位平均值即是期望的真实值。但若样品的结构较复杂,电位分布在较小范围内有较高起伏,这样测得的平均电位将与期望的真实值存在较大的差距。上述参数测量的不确定度,要视每次试验的样品和探针的具体情况分析确定,若某次试验经过分析认为测量误差比较大(例如,超过10%),可以在试验设计上加以改进,以减小误差。

5.设备的技术参数

(1)深层充电放射源电子能量最高2.28MeV,束流强度1-10pA/cm2 

(2)表面充电电子枪能量10-100KeV可调,最大束流强度100μA。

(3)系统工作真空度优于6×10-4Pa。

6.设备的技术优势

空间中心研制的卫星深层充放电模拟实验装置内部充电地面模拟试验,提升了高能电子辐照环境的模拟水平,可模拟MEO和GEO轨道高能电子充电环境;增大了辐照场面积和真空室内的有效试验空间,并实现了表面电位的扫描测量,可满足部件级模拟试验要求;此外,加强了对放电的观测手段。相关工作也表明利用90Sr-90Y源进行较小尺寸卫星部件或设备的内部充放电模拟试验是可行的。

   7.设备的应用行业

航天器充放电效应的基础理论与应用技术研究,航天工程任务中充放电效应影响试验测试、评估和防护设计。