专利名称：一种真空中带电污染物的检测装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种真空中带电污染物的检测装置及方法，属于真空技术应用领域。
背景技术：
在中高轨道，等离子体非常稀�。教炱鞅砻娴绯〉淖饔镁嗬氪邮籽由熘潦倜�。这样会改变航天器周围带电污染物的传输路径，使污染物在航天器表面再分布，并沉积在航天器上的任何位置，使航天器整体污染程度加重，并对位于低污染区的敏感系统造成更加严重的�：�(如卫星大功率射频系统中污染物从非关键部位转移到关键部位，大大降低系统的放电阀值，使系统更容易产生放电现象而烧毁器件；同时还导致光学镜片的防尘罩失效，影响光学系统的成像质量)。航天器表面带电形成的电场能够吸附周围空间原本不会沉积到表面的带电污染物，增大敏感表面污染物的沉积量，在短期内就可能达到污染水平的控制上限，缩短卫星有效载荷的使用寿命。在表面带电加剧污染程度这一现象的研究中，美国研制了阻滞能量分析仪-石英晶体微粒天平装置(RPA-QCM)研究航天器表面带电对污染的增强作用，并在P78-2 (SCATHA)卫星上进行了飞行验证试验，用于判断卫星上安装的八个肼发动机点火后是否会在传感器上沉积污染物。研究结果表明真空条件下，在温度高于_45°C的敏感表面上并没有观测到来自肼发动机点火残余物的沉积。目前国内外尚未有关于地面模拟真空下带电污染源技术的装置或方法的公开报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种真空中带电污染物的检测装置及方法，具体是在真空中利用热电子发射方法产生电子，并利用加速极使电子在环形电场中反复运动，与材料受热出气产物进行相互作用产生带电污染物，并通过QCM探头和QCM频率监测仪对污染物进行检测的装置和方法。为实现上述目的，本发明的技术方案如下。一种真空中带电污染物的检测装置，所述装置包括真空测试室、热电子发射阴极、热电子发射阴极陶瓷固定件、加速极支撑架、偏转栅网、测试法兰、加速极、底座、出气盖、加热台、支架；直流稳流电源、第一稳压电源、真空机组、第二稳压电源；QCM探头、QCM支架、QCM频率监测仪、温控仪；其中，真空测试室内部中心位置设有底座；热电子发射阴极通过热电子发射阴极陶瓷固定件固定安装在底座左侧；加速极通过加速极支撑架固定安装在底座中部；QCM支架固定安装在底座右侧；偏转栅网固定安装在QCM支架左侧，并与QCM支架绝缘；QCM探头固定安装在QCM支架右侧；加热台通过支架固定安装在真空测试室左侧，在加热台中心开有出气孔，在出气孔上设有出气盖，加热台出气孔与QCM探头正对；测试法兰安装在真空测试室顶部，在测试法兰上布置有三个真空接插件，其中两个为高压真空接插件；在真空测试室底部和侧壁分别安装有真空法兰；直流稳流电源、第一稳压电源、第二稳压电源、QCM频率监测仪、真空机组、温控仪位于真空测试室外部；直流稳流电源通过真空接插件与热电子发射阴极连接；第一稳压电源通过一个高压真空接插件与加速极连接；第二稳压电源通过另一个高压真空接插件与偏转栅网连接；QCM频率监测仪通过真空测试室侧壁的真空法兰与QCM探头连接；温控仪通过真空测试室底部的真空法兰与加热台连接；真空机组与真空测试室连接；优选热电子发射阴极为门式钨丝；优选加速极支撑架为两个平行的金属杆；加速极为多层圆环，均布安装在加速极支撑架上，相邻两个圆环之间的间距为Imm IOmm ;加速极材料为不锈钢或铜；加速极支撑架材料为金属；优选加热台与测试法兰底部的距离彡120mm,与真空测试室底部距离彡200mm ；优选热电子发射阴极所在平面与加热台出气孔之间的距离为5mnTl5mm ；优选热电子发射阴极所在平面与加速极之间的距离为lmnT3mm，所述距离为热电子发射阴极所在平面到加速极边缘的最短距离；一种真空中带电污染物的检测方法，具体步骤如下步骤一、将样品放入样品容器中，将样品容器装入加热台，并盖上出气盖，将加热台固定在支架上；其中，优选所述样品容器为金属敞口容器；步骤二、关闭真空测试室，开启真空机组抽真空，至真空测试室内的压强彡 7X10 —3Pa ;步骤三、开启温控仪电源，设定加热台温度，使样品产生出气产物；步骤四、开启直流稳流电源和第一稳压电源，使热电子发射阴极发射电子，并通过加速极对电子进行加速；这一过程中电子与出气产物碰撞，使出气产物电离并带上正电；步骤五、开启QCM频率监测仪，记录QCM的初始频率；步骤六、开启第二稳压电源，使出气产物通过偏转栅网在QCM探头上得到收集；步骤七、每隔设定时间记录一次QCM的频率,并计算每次记录的QCM频率与初始频率之差，获得带电污染物的沉积量；优选步骤三中，样品加热温度为室温 125°C ；优选直流稳流电源的输出电流范围为O. 5A 2A，第一稳压电源的输出电压范围为+50V +200V，第二稳压电源的输出电压范围为-3000V 0V。当电子与出气气体产物相互作用10mirT30min后，结束实验；依次关闭直流稳流电源，关闭第一稳压电源和第二稳压电源，关闭温控仪，关闭QCM电源，对测试法兰上两个高压真空接插件用接线棒接触，进行放电处理；然后打开真空测试室，取出样品。有益效果I.本发明提供了一种真空中带电污染物的检测装置及方法，所述方法在真空中利用热电子发射阴极产生电子，并利用加速极使电子在环形电场中反复运动，运动的电子与材料受热出气产物相互作用，产生带电污染物。利用本方法可得到真空条件下，不同材料出气污染物产生的带电污染物。2.所述方法采用热电子发射阴极，能产生稳定的电子流；采用环形的加速极，能使电子在加速极电场中往复运动，增大电子与出气污染物的碰撞几率；采用栅网，形成近平行电�。苣Ｄ饪占浜教炱鞔绫砻妫皇褂肣CM检测，对污染物的探测极限可达到10_9g。
图I是本发明所述的真空中带电污染物的检测装置的结构示意图。图中1_真空测试室；2_热电子发射阴极；3-热电子发射阴极陶瓷固定件；4-加速极支撑架；5_偏转栅网；6-测试法兰；7-QCM探头；8-QCM支架；9_加速极；10_底座；11-出气盖；12_加热台；13_支架；
具体实施例方式下面通过实施例对本发明作进一步说明。实施例I如图I所示的真空中带电污染物的检测装置，所述装置包括真空测试室I、热电子发射阴极2、热电子发射阴极陶瓷固定件3、加速极支撑架4、偏转栅网5、测试法兰6、加速极9、底座10、出气盖11、加热台12、支架13 ;直流稳流电源、第一稳压电源、真空机组、第二稳压电源；QCM探头7、QCM支架8、QCM频率监测仪、温控仪；其中，真空测试室I内部中心位置设有底座10 ;热电子发射阴极2通过热电子发射阴极陶瓷固定件3固定安装在底座10左侧；加速极9通过加速极支撑架4固定安装在底座10中部；QCM支架8为铝制，固定安装在底座10右侧；偏转栅网5固定安装在QCM支架8左侧，并与QCM支架8之间通过聚四氟乙烯薄片绝缘；将QCM探头7用沉头螺钉固定安装在QCM支架8右侧；加热台12通过支架13固定安装在真空测试室I左侧，在加热台12中心开有出气孔，在出气孔上设有出气盖11，加热台12出气孔与QCM探头7正对；测试法兰6安装在真空测试室I顶部，在测试法兰6上布置有三个真空接插件，其中两个为高压真空接插件；在真空测试室I底部和侧壁分别安装有真空法兰；直流稳流电源、第一稳压电源、第二稳压电源、QCM频率监测仪、真空机组、温控仪位于真空测试室I外部；直流稳流电源通过真空接插件与热电子发射阴极2连接；第一稳压电源通过一个高压真空接插件与加速极9连接；第二稳压电源通过另一个高压真空接插件与偏转栅网5连接；QCM频率监测仪通过真空测试室I侧壁的真空法兰与QCM探头7连接；温控仪通过真空测试室I底部的真空法兰与加热台12连接；真空机组与真空测试室I连接；热电子发射阴极2为门式钨丝；加速极支撑架4为两个平行的金属杆；加速极9为多层圆环，均布安装在加速极支撑架4上，相邻两个圆环之间的间距为Imm IOmm ;加速极9材料为不锈钢或铜；加速极支撑架4材料为金属；加热台12与测试法兰6底部的距离为130mm，与真空测试室I底部距离彡200mm ；热电子发射阴极2所在平面与加热台12出气孔之间的距离为5mnTl5mm ；热电子发射阴极2所在平面与加速极9之间的距离为lmnT3mm，所述距离为热电子发射阴极2所在平面到加速极9边缘的最短距离；
采用上述装置，进行真空中带电污染物的检测方法，首先进行过程一过程一、未产生带电污染物情况下污染物沉积量的检测过程步骤一、将样品⑶414硅橡胶用中性清洗剂和去离子水清洁并干燥后，放入样品容器中，将样品容器装入加热台12，并盖上出气盖，通过定位螺丝将加热台12固定在支架13上；所述样品容器为金属敞口容器；步骤二、关闭真空测试室1，打开QCM频率监测仪，记录初始频率；开启真空机组抽真空，至真空测试室I内的压强为7 X 10 — 3Pa ;步骤三、开启温控仪电源，设定加热台12温度为100°C ;所述加热台12温度即为样品受热温度，使样品产生出气产物；步骤四、当加热台12温度达到设定温度后，每隔Imin记录一次QCM频率,并计算每次记录的QCM频率与初始频率之差，获得未产生带电污染物情况下污染物的沉积量；然后进行过程二过程二、产生带电污染物，未开启偏转栅网5情况下污染物沉积量的检测过程步骤一、开启直流稳流电源和第一稳压电源，直流稳流电源的输出电流为I. 1A，使热电子发射阴极2发射电子，并通过第一稳压电源输出+150V电压，使加速极9对电子进行加速；这一过程中电子与出气产物碰撞，使出气产物电离并带上正电；在步骤一过程中每隔5min记录一次QCM频率,并计算每次记录的QCM频率与初始频率之差，获得产生带电污染物，未开启偏转栅网5情况下污染物的沉积量；最后进行过程三过程三、产生带电污染物，开启偏转栅网5情况下污染物沉积量的检测过程步骤一、开启第二稳压电源，使出气产物通过偏转栅网5在QCM探头7上得到收集;在步骤一过程中每隔5min记录一次QCM频率,并计算每次记录的QCM频率与初始频率之差，获得产生带电污染物，开启偏转栅网7情况下污染物的沉积量；当电子与出气气体产物相互作用10mirT30min后，结束实验；依次关闭直流稳流电源，关闭第一稳压电源和第二稳压电源，关闭温控仪，关闭QCM电源，对测试法兰6上两个高压真空接插件用接线棒接触，进行放电处理；然后打开真空测试室1，取出样品，结束试验。测试结果如表I所示。表IQCM频率记录表
权利要求
1.一种真空中带电污染物的检测装置，其特征在于所述装置包括真空测试室(I)、热电子发射阴极(2)、热电子发射阴极陶瓷固定件(3)、加速极支撑架(4)、偏转栅网(5)、测试法兰(6)、加速极(9)、底座(10)、出气盖(11)、加热台(12)、支架(13);直流稳流电源、第一稳压电源、真空机组、第二稳压电源；QCM探头(7)、QCM支架(8)、QCM频率监测仪、温控仪；其中，真空测试室(I)内部中心位置设有底座(10);热电子发射阴极(2)通过热电子发射阴极陶瓷固定件(3)固定安装在底座(10)左侧；加速极(9)通过加速极支撑架(4)固定安装在底座(10)中部；QCM支架(8)固定安装在底座(10)右侧；偏转栅网(5)固定安装在QCM支架(8)左侧，并与QCM支架(8)之间绝缘；QCM探头(7)固定安装在QCM支架(8)右侧；加热台(12)通过支架(13)固定安装在真空测试室(I)左侧，在加热台(12)中心开有出气孔，在出气孔上设有出气盖(11)，加热台(12)出气孔与QCM探头(7)正对；测试法兰(6 )安装在真空测试室(I)顶部，在测试法兰(6 )上布置有三个真空接插件，其中两个为高压真空接插件；在真空测试室(I)底部和侧壁分别安装有真空法兰；直流稳流电源、第一稳压电源、第二稳压电源、QCM频率监测仪、真空机组、温控仪位于真空测试室(I)外部；直流稳流电源通过真空接插件与热电子发射阴极(2)连接；第一稳压电源通过一个高压真空接插件与加速极(9)连接；第二稳压电源通过另一个高压真空接插件与偏转栅网(5)连接；QCM频率监测仪通过真空测试室(I)侧壁的真空法兰与QCM探头(7)连接；温控仪通过真空测试室(I)底部的真空法兰与加热台(12)连接；真空机组与真空测试室(I)连接。
2.根据权利要求I所述的真空中带电污染物的检测装置，其特征在于热电子发射阴极(2)为门式鹤丝。
3.根据权利要求I所述的真空中带电污染物的检测装置，其特征在于加速极支撑架(4)为两个平行的金属杆；加速极(9)为多层圆环，均布安装在加速极支撑架(4)上，相邻两个圆环之间的间距为Imm IOmm ;加速极(9)材料为不锈钢或铜；加速极支撑架(4)材料为金属。
4.根据权利要求I所述的真空中带电污染物的检测装置，其特征在于加热台(12)与测试法兰(6)底部的距离为130mm，与真空测试室(I)底部距离彡200mm。
5.根据权利要求I所述的真空中带电污染物的检测装置，其特征在于热电子发射阴极(2)所在平面与加热台(12)出气孔之间的距离为5mnTl5mm。
6.根据权利要求I所述的真空中带电污染物的检测装置，其特征在于热电子发射阴极(2)所在平面与加速极(9)之间的距离为lmnT3mm，所述距离为热电子发射阴极(2)所在平面到加速极(9)边缘的最短距离。
7.一种真空中带电污染物的检测方法，使用如权利要求I所述的真空中带电污染物的检测装置，其特征在于所述方法具体步骤如下步骤一、将样品放入样品容器中，将样品容器装入加热台(12)，并盖上出气盖(11)，将加热台(12固)定在支架(13)上；步骤二、关闭真空测试室(1)，开启真空机组抽真空，至真空测试室(I)内的压强(7 X KT3Pa ；步骤三、开启温控仪电源，设定加热台(12)温度，使样品产生出气产物；步骤四、开启直流稳流电源和第一稳压电源，使热电子发射阴极(2)发射电子，并通过加速极(9)对电子进行加速；步骤五、开启QCM频率监测仪，记录QCM的初始频率；步骤六、开启第二稳压电源，使出气产物通过偏转栅网(5)在QCM探头(7)上得到收集;步骤七、每隔设定时间记录一次QCM的频率，并计算每次记录的QCM频率与初始频率之差，获得带电污染物的沉积量。
8.根据权利要求7所述的一种真空中带电污染物的检测方法，其特征在于所述样品容器为金属敞口容器。
9.根据权利要求7所述的一种真空中带电污染物的检测方法，其特征在于步骤三中，样品加热温度为室温 125°C。
10.根据权利要求7所述的一种真空中带电污染物的检测方法，其特征在于直流稳流电源的输出电流范围为O. 5A 2A，第一稳压电源的输出电压范围为+50疒+200V，第二稳压电源的输出电压范围为-3000V、V。
全文摘要
本发明涉及一种真空中带电污染物的检测装置及方法，属于真空技术应用领域。所述装置包括真空测试室、热电子发射阴极、热电子发射阴极陶瓷固定件、加速极支撑架、偏转栅网、测试法兰、加速极、底座、出气盖、加热台、支架；直流稳流电源、第一稳压电源、真空机组、第二稳压电源；QCM探头、QCM支架、QCM频率监测仪、温控仪。所述方法在真空中利用热电子发射阴极产生电子，并利用加速极使电子在环形电场中反复运动，运动的电子与材料受热出气产物相互作用，产生带电污染物。
文档编号G01N5/02GK102944493SQ20121047235
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月20日 优先权日2012年11月20日
发明者郭兴, 王鹢, 杨生胜, 庄建宏, 杨青, 孔风连, 薛玉雄, 颜则东 申请人:中国航天科技集团公司第五研究院第五一〇研究所
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