空間真空測量技術(shù)研究

2010-02-05 王曉霞蘭州物理研究所

1、引言

　　空間真空測量技術(shù)是與人類探索和開發(fā)宇宙空間的進(jìn)程緊密相連的。人類從地面出發(fā)，向深度宇空進(jìn)軍，要經(jīng)歷寬廣的氣體壓力變化，空間科學(xué)研究的對象正是處在這樣的環(huán)境之中。因此，對宇空真空環(huán)境的度量和探測，也就成為空間科學(xué)中的研究內(nèi)容。

　　在宇宙空間，從航天器飛出的分子無碰撞地沉沒在無限空間之中再不返回，所以宇宙空間是具有無限抽速的“ 分子沉”環(huán)境。在分子沉效應(yīng)的空間真空環(huán)境中，分子運動有非常強(qiáng)的方向性，呈各向異性分布，分子密度也是非均勻分布，建立在氣體分子運動論基礎(chǔ)上的一些平衡態(tài)下的定律和公式已不適用，要運用非平衡態(tài)分子流理論進(jìn)行研究。

　　非平衡態(tài)分子流的研究，具有一定的普遍性，又有很強(qiáng)的目的性。國外在這方面開展了一些理論探討和實驗研究工作。因為被研究對象的特殊性，所以至今尚未建立普遍適用的理論體系和實驗方法，大多數(shù)是結(jié)合具體研究對象開展理論與實驗方面的研究。

　　美國NASA研究了用球形校準(zhǔn)容器作為大型空間模擬容器的原位置校準(zhǔn)的有關(guān)理論問題；英國愛德華公司實測了球形校準(zhǔn)容器中分子流場分布；德國PTB 實測了校準(zhǔn)容器中內(nèi)切球赤道上的分子流場分布；德國宇航院（ DFVLD）研究了大型空間模擬器中的分子流場分布，并實測了航天飛機(jī)上空間實驗室附近的分子流場分布；原蘇聯(lián)結(jié)合實際的受控核聚變反應(yīng)裝置研究了“ 復(fù)雜系統(tǒng)中的分子流場”；我國蘭州物理研究所對球形校準(zhǔn)容器中分子流場分布和一些真空部件（孔和管道）出口分子流花樣分布進(jìn)行了實測，都獲得了一些針對性強(qiáng)、有實用價值的研究結(jié)果。

　　方向性真空規(guī)是研究非平衡態(tài)分子流的有力工具。隨著對非平衡態(tài)分子流研究的深入和發(fā)展，尤其是空間科學(xué)的進(jìn)展，大大地開闊了非平衡態(tài)分子流的研究領(lǐng)域，相繼出現(xiàn)了很多類型的方向性真空規(guī)。空間比較常用的2 種方向性真空規(guī)是轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)和束檢測器方向性真空規(guī)。

　　美國、俄羅斯（原蘇聯(lián)）、歐共體等在空間真空測量方面已作了大量的研究工作，先后研制出一系列方向性真空規(guī)用于探測大氣層密度和壓力分布。

　　美國、俄羅斯等國家已研制出專用的方向性真空規(guī)，正在進(jìn)行金星、火星的大氣環(huán)境的探測；用于水星、木星大氣環(huán)境探測的方向性真空規(guī)正在研制之中。

　　在國內(nèi)，中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心與蘭州物理研究所在從事空間真空測量方面的研究工作。我國在這一領(lǐng)域雖然起步較晚，但成績顯著。

　　中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心已將研制出的空間真空規(guī)用于“ 神舟”號飛船上，對飛船運行軌道高度上空間真空度的變化進(jìn)行了探測。

　　蘭州物理研究所已研制出了2種空間真空規(guī)樣機(jī)，即轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)和雙圓錐束檢測器方向性真空規(guī)。這2 種空間真空規(guī)通過對其性能進(jìn)行不斷完善，可用于低地球軌道空間環(huán)境的真空度（大氣密度）的探測。作者將簡要介紹所研制的這2種空間真空規(guī)。

2、球錐型轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)

　　轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)把非平衡態(tài)分子流變成平衡態(tài)分子流，經(jīng)理論運算反推回到非平衡態(tài)，從而得到非平衡態(tài)分子流信息。

　　基于空間非平衡態(tài)分子流的理論研究，作者研制了球錐型轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)。球錐型平衡室在平衡室和測量室之間設(shè)計一個錐形障板，使得入射的氣體分子在平衡室經(jīng)過多次碰撞后，從錐底與球面之間的環(huán)形區(qū)域內(nèi)進(jìn)入到測量室，從而獲得良好的平衡效果，如圖1所示。

　　球錐型平衡室的材料全部采用1Cr₁₈Ni₉Ti。擋板和平衡室主體用3個螺栓連接，使得擋板的相對位置可以調(diào)節(jié)。

　　傳感器是測量室中將進(jìn)入的氣體電離的機(jī)構(gòu)，通常使用裸B-A規(guī)或者冷陰極規(guī)，兩者各有優(yōu)缺點。

　　B-A規(guī)結(jié)構(gòu)簡單，無磁場等特殊要求，質(zhì)量輕，測量方便，其規(guī)管性能研究比較成熟。對于地面實驗時，一般的裸B-A 就能夠滿足實驗要求，但在空間測量時，由于空間原子氧容易和熱陰極復(fù)合，使得B-A規(guī)對原子氧有很大的抽速，導(dǎo)致規(guī)中氣體密度和成分發(fā)生變化，影響測量結(jié)果。

　　冷陰極電離規(guī)受化學(xué)活性氣體影響小，在空間使用時，減少了原子氧的影響，但由于其有磁鐵，增大了規(guī)的體積和功率。

　　作者選用復(fù)合B-A規(guī)作為轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)的傳感器。

　　當(dāng)轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)用于空間測量時，其與地面測量有很大的不同，主要是空間原子氧的復(fù)合和空間正離子對測量的影響。

　　由于錐形擋板的存在，通過模擬計算可知，空間氣體粒子（包括中性分子、原子氧和正離子等）進(jìn)入平衡室后，至少和平衡室碰撞一次后飛入測量室，并且大部分粒子都是經(jīng)過多次碰撞后才被電離機(jī)構(gòu)電離，這就使得其中的原子氧在碰撞過程中在內(nèi)壁上復(fù)合，減少了原子氧對燈絲的毒化。

　　同樣，錐形擋板的存在免于空間正離子直接飛入測量室。為了更好的減小正離子的影響，可以采用圖2所示的設(shè)計方法。