專利名稱：玻璃鋼真空容器等離子體試驗系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及地面等離子體環境模擬試驗，具體涉及一種玻璃鋼真空容 器的大體積等離子體環境模擬試驗系統。
背景技術：
隨著航天技術的不斷發展，高分辨率偵察、遙感衛星對高精度天線的需求 較為迫切。要求衛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過充分環境模擬試 驗來驗證這些關鍵性能。
在十五期間我們就開展了原子氧環境、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星的研制要求越來越高，對空間環境的研究也不斷深 入，這些年大家十分關注空間等離子體環境對衛星關鍵部件的影響。因為等離 子體環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容
a. 航天器天線上間隔、縫隙區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，產生法拉第效應，造成電磁波
極化面偏轉，使信號質量變壞。
d. 航天器高壓太陽帆板通過等離子體環境時，產生附加電流效應，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設備，以解決高分辨率偵察、遙感衛星以及其它航天器數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 容器已經有成成熟的經驗，但是在非金屬真空容器方面，還沒有成熟經驗可以
借鑒，經過調研分析，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 環境試驗系統的研制工作。
發明內容
本實用新型的目的在于提供一種獲得空間等離子體環境的實驗模擬系 統，該系統能通過控制等離子源的進氣量，實現不同能量的等離子體環境，同 時，可以利用玻璃鋼真空容器實現被測產品的功率直接發射功率的測量，較真 實的模擬這些功率發射產品的在空間等離子體環境下的影響。
本實用新型的目的可由以下技術方案完成的
本玻璃鋼真空容器等離子體環境試驗系統，主要包括真空容器，等離子源， 抽氣子系統；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 用于觀察內部環境的玻璃窗；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，所述的抽氣子系統為能夠實現對真空容器進行抽氣，實現真空獲得 的裝置，采用無油抽氣方式來實現干凈，清潔真空環境的獲得。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，等離子源子系統的形式有多種，主要用于產生滿足要求 的等離子體條件。產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。
本實用新型的優點在于利用該試驗系統不僅可以獲得滿足要求的等離子 體環境，模擬衛星產品的等離子環境效應，更重要的是利用玻璃鋼真空封蓋大 門能實現透波的特點，對于需要在設備外部測量衛星產品的微波和信號傳輸的 試驗項目，以及測試空間環境下產品的變形量等項目時，可以在該系統的外部 直接進行測試，設備能較真實模擬衛星產品的真實狀態(例如測量衛星天線的 加載測試，以及天線的空間環境下的變形量測試等)，而不用其他間接測量的 方式完成微波參數的測試。另外采用玻璃鋼高真空容器研制技術和應用在等離 子環境試驗設備中在國內還是首次。另外，利用該裝置的大范圍，高溫度和高 密度等離子體環境模擬效應，以及移動裝置和熱沉等實現衛星產品在等離子體 環境中不同溫度，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 子體環境模擬設備在過內也是目前最大的設備。


圖1為本實用新型的系統示意圖。
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； 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境試驗系統的示意圖。本實用新型的玻璃鋼真空容器等離子體環境試驗系統主要包括真空容器，等離子
源4，抽氣子系統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部環境的玻璃窗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，將衛星產品安裝在試 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，與監測設備連接。容器體在本實用新型中優先采用金屬材料的圓柱型 結構，尺寸為①1500mmX2000mm，因為這種結構有一個較好的受力分布狀態， 不易失穩；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 了國內目前最大的等離子體環境模擬設備。容器體的前面有一個用于觀察產品 狀態的觀察窗8。
真空封蓋大門優先采用的是玻璃鋼半球形狀，根據技術要求玻璃鋼對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構形式和基本壁 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 結構與一個4) 1500mmX250mra直筒段的實芯壁結構玻璃鋼結構。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問 題。
關閉大門，真空封蓋大門通過鉸鏈10，以及夾緊器與容器體對接密閉， 使衛星產品處于真空容器內密閉空間。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。該系統采用的是雙鉸鏈連接機構。該結構 不僅解決了安裝空間方面的限制，也能輕便、靈活的開關大門。解決了單鉸鏈 機構經常出現的弊端，單鉸鏈屬于三桿連接機構，有一個轉動軸，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干涉，無法調節；抽氣 過程中大門會向容器側有一個微小位移的運動過程，單鉸鏈機構因鉸鏈壁的杠 桿作用使大門在運動過程中出現徑向側移，容易產生密封圈錯位或劃傷。雙鉸 鏈結構，屬于四桿機構，有兩個轉動軸，可以避免出現上述情況，也利于保證 鉸鏈安裝過程中的同軸度，便于實現將來拆卸和更換大門的操作。
真空封蓋大門關閉后，啟動抽氣子系統7，對容器內部進行抽真空，使壓 力達到技術條件要求的壓力范圍。該抽氣子系統采用了低溫泵作系統的主泵， 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的粗 抽泵，對容器的抽氣；當到達分子泵啟動的壓力范圍后，啟動分子泵，這時干 泵轉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，根據測試需要，可對分子泵和干泵進行關閉。由于抽氣系 統采用的全部是無油抽氣泵，獲得了無油污染的干凈真空環境。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 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、幾何和電位調節柵、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。等離子體源單獨調試時，關閉插板閥，分 子泵、擴散杯和等離子體源構成獨立的、小空間的真空環境，便于等離子體源 參數的調節與維修。
等離子體源的工作原理是由微波管產生的微波(2450MHz)經波導和石 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 調節幾何和電位調節柵、氣體流量、微波功率及節流孔徑來調整電子的溫度和 密度，使其滿足試驗參數要求。本實用新型，通過容器體內的探針陣測量到的 等離子體參數為獲得O650mmX500mm空間內的等離子體區域，等離子體電 子密度107cnTl07cm3，可調；等離子體電子能量1 10eV，可調；在O650腿 X500mm范圍內等離子體不均勻度，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，本系統可以實現一10(TC的低溫環境。
以上以半球型玻璃鋼真空容器的等離子體試驗系統為例對本實用新型進 行了說明，但是對本領域的技術人員顯而易見的，其它形狀的玻璃鋼高真空容 器的研制，例如圓管形、方形、或不規則形狀，都可以實現本實用新型的目的。
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，我們可以依據本實用新型的構想對上述實施方式進行各種等效改變 和修改，其所產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。
權利要求1、一種玻璃鋼真空容器等離子體環境試驗系統，其特征在于，主要包括真空容器，等離子源，抽氣子系統；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部環境的玻璃窗；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、 如權利要求1所述的環境試驗系統，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、 如權利要求1所述的環境試驗系統，其特征在于，所述容器體的形狀 為圓柱形，方形，球體形狀。
4、 如權利要求1所述的環境試驗系統，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、 如權利要求1所述的環境試驗系統，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、 如權利要求1-5任一項所述的環境試驗系統，其特征在于，所述的抽氣子系統為能夠實現對真空容器進行抽氣，實現真空獲得的裝置。
7、 如權利要求6所述的環境試驗系統，其特征在于，所述抽氣子系統的無油抽氣子系統。
8、 如權利要求7所述的環境試驗系統，其特征在于，所述無油抽氣子系 統包括分子泵和干泵組合系統、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、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。
9、 如權利要求1-5任一項所述的環境試驗系統，其特征在于，所述等離 子源子系統包括直流(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境試驗系統，主要包括真空容器，等離子源，抽氣子系統；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部環境的玻璃窗；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 優先權日2008年11月17日
發明者敏 劉, 劉恩均, 孫立臣, 力 汪, 童靖宇, 賈瑞金, 齊燕文 申請人:北京衛星環境工程研究所