一种测量真空罐体内沉积污染的方法技术

一种测量离子推力器内部沉积溅射的方法，步骤为：1、将离子推力器安装在真空系统内，将用覆盖物遮蔽半边的盖片安装在离子推力器内部的指定位置；2、离子推力器累积引束流工作至少100h；3、离子推力器停止点火开启真空舱，将盖片取下，剥离覆盖的保护装置；4、利用台阶仪或三维轮廓仪，量取盖片两边的厚度差；根据推力器点火时间计算出单位时间的真空罐体的溅射速率和溅射物质的分布区域，利用X射线光电子能谱分析或能谱分析仪进行成分检测,以确定溅射物质的来源。本发明专利技术判定出离子推力器内部不同位置沉积物的溅射来源，半定量分析出核心部件的溅射产额及磨损速率，用于验证离子推力器放电室的溅射模型，也可进行离子推力器连续工作情况下的寿命估计。

【技术实现步骤摘要】
一种测量真空罐体内沉积污染的方法
本专利技术涉及离子推力器使用评价
，具体涉及一种推力器束流的高能等离子体对地面模拟真空罐体内不同位置和时间上的溅射腐蚀磨损来量的速率、分布和成分的测量、评价方法。
技术介绍
离子推力器是电推进技术的一种，其比冲高、寿命长等突出优势可以有效提高卫星的有效载荷比，延长卫星的在轨寿命。但离子推力器在轨持续工作过程中，中性气体分子碰撞电子电离后受到电场加速会喷出等高能等离子体束流形成反向推力，在宇宙空间中喷出的等离子体会流向卫星表面以及宇宙空间中，长时间工作会在卫星表面形成一定量的污染沉积，对卫星上的太阳帆板、光学敏感器件、电子器件造成影响，甚至会造成星上的有效载荷或者部件失效导致整星功能损失或者失效，带来的损失非常巨大，需要在地面试验过程中对整个在轨过程中的污染沉积量的速率，分布和成分进行评估，以便于卫星设计上采取相应保护措施防止卫星故障。为有效评估离子推力器的寿命，需要开展地面与在轨应用需求等比的验证，一般在真空罐体内模拟进行。需对高能等离子体对真空罐壁造成的腐蚀特性进行评估，获取真空模拟环境背景中的污染沉积速度及数量，从而改善真空系统的性能，提供良好的真空环境，同时可评估栅极以外的污染情况，提高栅极的腐蚀状态的真实性，可进一步的有效评估栅极乃至推力器的寿命。通过调研，国内外测量类似沉积污染一般采用的是石英晶体微量天平（QuartzCrystalMicrobalance，简称QCM）的方法测量该类污染，测试精度可以达到纳克（ng）级别，其基本原理是基于石英晶体的压电效应对其电极表面的质量的变化进行测量，需要加电测量，通过测量晶体的频率的变化来实现测试目的。但是针对电推进长时间工作状态下的污染沉积的特殊测试需求，该方法存在以下问题：1、该方法受到石英晶体的质量的限制，测试量程有限，属于一次性测量，不能进行长周期数千甚至上万小时的测试；2、相对成本较高，一套装置需要几千元；3、测试需要带电，易受到推力器的高能等离子的轰击造成短路的故障或者被损坏；4、体积较大，在真空舱内的安装的便捷性和适应性不强。
技术实现思路
本专利技术提出一种测量真空罐体内沉积污染的方法，可在真空罐壁内不同的位置上贴装盖片用于长时间的污染沉积量的损率、分布和成分测试，结果可等效用于卫星的沉积污染情况的评估，可在应用离子推力器的卫星上开展优化设计和保护措施。本专利技术采用的技术解决方案是：一种测量真空罐体内沉积污染的方法，包括下列步骤：（1）将离子推力器安装在真空系统内，连接好电路和气路管路，将用覆盖物遮蔽半边的盖片安装在真空罐体内的选定位置；（2）离子推力器在固定稳态工作点状态下连续点火若干小时，使盖片上留有累计的沉积物；（3）离子推力器停止点火开启真空舱，将盖片取下，剥离覆盖物，此时盖片上一半为物质沉积，一半为盖片裸露表面；（4）利用高精度厚度测试仪器，量取盖片两半的厚度差，根据推力器点火时间计算出单位时间的真空罐体的溅射速率和溅射物质的分布区域，利用材料成分分析设备进行成分检测,以确定溅射物质的来源。本专利技术针对推力器在卫星在轨工作过程中喷出的高能等离子体离子会造成卫星表面沉积污染造成卫星故障的问题，在地面真空舱内模拟真实工作过程中，提出一种测量真空罐体内沉积污染的方法，与现有技术相比具有如下有益效果：（1）利用本专利技术可快速、可靠、长期、有效的在地面模拟离子推力器在轨真实点火的过程中的溅射污染沉积物的沉积速率、污染分布和成分构成，对于使用离子推力器的卫星的优化设计和污染防护具有很好的借鉴作用。（2）采用本专利技术可以通过在真空罐体内不同的位置贴装玻璃盖片的污染沉积量的评估，掌握真空罐体的溅射腐蚀量的分部情况，评估推力器在长期工作状态中对于真空系统内泵组、热沉等部位的溅射腐蚀，从而可进行防护或者改进，延长真空系统的使用寿命；（3）本专利技术相比较已有的QCM的测量方法，可进行连续上万小时的累计测量，本体体积小，易安装，不带电工作，不受高能等离子体的影响，且盖片本身造价很低，可有效较低测试成本。（4）本专利技术通用性较强，同样可以应用于类似原理的电推进产品污染沉积测试过程中，比如霍尔类型的推力器的污染沉积评估。利用本专利技术中提出的测量方法，可以有效的在推力器长时间的工作过程中，方便可靠的测量出不同时间段上的不同位置上的污染的沉积量，对其在真空罐体内不同位置处的沉积物的沉积速率进行分析，对其沉积污染的成分进行分析，可以有效的掌握推力器长期工作过程中的污染沉积的速率、分布和成分，对于星上的布局，保护等设计改进或者防护措施有较好的借鉴作用。同时该方法可用于对于真空罐体的材料选择的评价及防护、也可对真空抽气泵组的抽气影响的进行评估。附图说明图1为本专利技术中盖片的安装位置示意图；图中：1、推力器本体2、中和器3、等离子体束流区域4等离子碰撞后的中性沉积物5、玻璃盖片6、带电离子7真空罐体。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进一步说明。一种测量真空罐体内沉积污染的方法，包括下列步骤：（1）将离子推力器安装在真空系统内，连接好电路和气路管路，将半边用铝箔或胶带覆盖的玻璃盖片或者硅片安装在真空罐体的选定位置。电路绝缘和耐压、气路管路漏率符合产品特性，电路气路连接稳妥牢靠，玻璃盖片的被测试面要外漏在试验环境中，玻璃盖片采用防溅射腐蚀的材料，玻璃盖片要固定牢靠；（2）推力器在固定工作点状态下连续点火保证不低于200小时，不大于20000小时，以确保玻璃盖片上沉积的污染物厚度可以被测量出来。（3）推力器停止点火开启真空舱，将玻璃盖片取下，剥离覆盖的保护装置，玻璃盖片上一半为物质沉积，一半为标准玻璃，污染沉积后的玻璃盖片取下的时候要注意不接触污染区域，保证样件状态不受到破坏。（4）利用台阶仪或者三位轮廓仪等高精度的厚度测试仪器，量取玻璃盖片两半的厚度差，根据推力器点火时间计算出单位时间的真空罐体的溅射速率和溅射物质的分布区域，利用X射线光电子能谱分析等材料成分分析设备进行成分检测,以确定溅射物质的来源。所述盖片的表面光洁度为微米量级，才能确保后续长时间沉积物的均匀性和可测试性。如图1所示，所述盖片的安装位置为：安装在推力器的后端、安装在束流区域后端的罐壁上和/或安装在真空抽气泵的泵组抽气表面或其附近区域。这样可以测量分析背对推力器的罐壁上、泵组抽气表面上产生的沉积物的厚度和成分，确定沉积物是否对背部罐壁和真空泵组造成影响。所述台阶仪或者三位轮廓仪等高精度厚度测试仪精度为纳米级精度。由于离子推力器工作时的溅射物沉积率的量级在10-9～10－11m/s之间，因此需要纳米级的测量仪器方能准确测量沉积物的厚度。本专利技术具体应用及效果如下：面向XX型号任务，将LIPS-200离子推力器安装在北京航天航空大学宇航学院的真空羽流试验设备系统内，连接好离子推力器的电路和气路管路，将半边覆盖的玻璃盖片安装在真空罐体内的几个位置处，包括：a、真空泵口处；b、真空舱头部、尾部、底部和顶部；c推力器外壳前端面；d、推力器安装支架上；e、推力器安装支架后端模拟星体处（可用于测试推力器反流区域的污染沉积量）其中a处可用于评价真空泵口在抽气过程中通过背景气体携带后沉积在泵口的物质的量和沉积物质组成；b处可用于评价推力器工作过程中直接溅射沉积或者通过壁面反射后沉积在舱内的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量真空罐体内沉积污染的方法，其特征在于包括下列步骤：（1）将离子推力器安装在真空系统内，连接好电路和气路管路，将用覆盖物遮蔽半边的盖片安装在真空罐体内的选定位置；（2）离子推力器在固定稳态工作点状态下连续点火若干小时，使盖片上留有累计的沉积物；（3）离子推力器停止点火开启真空舱，将盖片取下，剥离覆盖物，此时盖片上一半为物质沉积，一半为盖片裸露表面；（4）利用高精度厚度测试仪器，量取盖片两半的厚度差，根据推力器点火时间计算出单位时间的真空罐体的溅射速率和溅射物质的分布区域，利用材料成分分析设备进行成分检测,以确定溅射物质的来源。

【技术特征摘要】
1.一种测量真空罐体内沉积污染的方法，其特征在于包括下列步骤：（1）将离子推力器安装在真空系统内，连接好电路和气路管路，将用覆盖物遮蔽半边的盖片安装在真空罐体内的选定位置；（2）离子推力器在固定稳态工作点状态下连续点火若干小时，使盖片上留有累计的沉积物；（3）离子推力器停止点火开启真空舱，将盖片取下，剥离覆盖物，此时盖片上一半为物质沉积，一半为盖片裸露表面；（4）利用高精度厚度测试仪器，量取盖片两半的厚度差，根据推力器点火时间计算出单位时间的真空罐体的溅射速率和溅射物质的分布区域，利用材料成分分析设备进行成分检测,以确定溅射物质的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨俊泰，王蒙，李兴坤，成荣，张鹏，何非，
申请(专利权)人：兰州空间技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃,62