真空质子辐照试验的高均匀性大束斑面离子源装置 |
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| 申请号 | CN202211480562.1 | 申请日 | 2022-11-24 | 公开(公告)号 | CN115831693A | 公开(公告)日 | 2023-03-21 |
| 申请人 | 北京卫星环境工程研究所; | 发明人 | 李昊; 郑慧奇; 黄首清; 刘宇明; 任琼英; 杨勇; 唐振宇; 于强; 刘宠; 李宇; 张永泰; 彭毓川; 杨艳斌; 刘庆海; 葛丽丽; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了 真空 质子辐照试验的高均匀性大束斑面离子源装置，包括气源，所述气源的输出端连接有电离室，所述电离室连接有引出面，所述引出面连接有 加速 电极 ，所述加速电极连接有靶台，所述靶台连接有计算机，所述计算机连接有高压电源，所述高压电源连接有 电子 源，所述高压电源还与电离室、引出面、加速电极连接。本发明中，使用多圈多圆弧形热 阴极 ，各个圆弧的 温度 可分别控制，具有与热阴极交错布置的多层同心圆筒形电极，将 引出电极 延伸至电离室内部，因而离子束流的均匀性更好；热阴极的圈数、圆筒形电极的层数以及引出电极的面积等可增减，可实现大束斑面积的离子束流，具有离子通量 自动调节 功能，因而靶台 位置 的束流通量 稳定性 更好。 | ||||||
| 权利要求 | 1.真空质子辐照试验的高均匀性大束斑面离子源装置，其特征在于，包括气源（1），所述气源（1）的输出端连接有电离室（2），所述电离室（2）连接有引出面（3），所述引出面（3）连接有加速电极（4），所述加速电极（4）连接有靶台（5），所述靶台（5）连接有计算机（6），所述计算机（6）连接有高压电源（7），所述高压电源（7）连接有电子源（8），所述高压电源（7）还与电离室（2）、引出面（3）、加速电极（4）连接，所述电子源（8）与电离室（2）连接。 |
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| 说明书全文 | 真空质子辐照试验的高均匀性大束斑面离子源装置技术领域背景技术[0002] 航天器热控涂层真空‑质子辐照环境试验的目的是测试航天器热控涂层对空间真空‑质子辐照环境的适应性。试验将航天器热控涂层置于地面质子辐照试验设备中，根据等效模拟原理，用模拟的质子辐射对热控涂层辐照，并进行太阳吸收比的原位测试。其中，模拟的质子辐射由离子源装置产生。与普遍使用的离子源相比，用于真空‑质子辐照试验的离子源装置在束斑面积、束流均匀性和通量稳定性等三个方面有独特要求。在试验中，同一批次样品同时在束斑面积之内被质子束流照射。束斑面积越大，同批次试验测试的样品数量就越多，进而可以提高试验测试的效率，降低样品的平均试验成本。质子束斑的均匀性和通量的稳定性，分别决定了一批样品在试验过程中受到质子辐照注量的空间和时间一致性。提高束流均匀性和通量稳定性指标，可以减少同批试验样品所受辐照注量与试验要求之间的偏差，从而提高试验质量。 [0003] 目前，产生大面积、均匀束斑的离子源装置主要分为两种类型。第一种类型，使用气体放电产生较大面积或体积的等离子体，并使用大面积的栅网电极或电极阵列引出，使均匀性达到一定的要求，由于这类装置产生大面积等离子体的原理是增大电离室的截面积和增加离子束源的数量，因此产生的等离子体/离子束通量往往较大，与真空‑质子辐照环境试验对通量的要求并不符合，第二种类型，采用聚焦或者线形等离子体源，通过离子束电扫描或者靶台机械扫描的方式，使束流入射位置在辐照区域内快速移动，被辐照的区域内的束流在时间平均意义上可以达到均匀。这种情况下，对于被试样品上的一个固定位置而言，其所受的质子辐照强度是随着时间变化的，即束流通量在时间维度上存在波动，由于剂量率效应，质子辐照效应与辐照强度一般不是比例关系，用这种在时间平均意义上的空间均匀束流获得的试验结果，与真实的时空均匀束流的结果并不相同，进而可导致真空‑质子辐照环境试验结论出现偏差，影响试验质量。现有用于航天器热控涂层真空‑质子辐照环境试验的离子源装置还存在诸多局限，因此，需要设计一种新的产生高均匀性、大束斑面积、通量稳定的离子束流的离子源装置。 发明内容[0004] 本发明的目的在于：为了解决上述问题，而提出的真空质子辐照试验的高均匀性大束斑面离子源装置。 [0005] 为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案： [0006] 真空质子辐照试验的高均匀性大束斑面离子源装置，包括气源，所述气源的输出端连接有电离室，所述电离室连接有引出面，所述引出面连接有加速电极，所述加速电极连接有靶台，所述靶台连接有计算机，所述计算机连接有高压电源，所述高压电源连接有电子源，所述高压电源还与电离室、引出面、加速电极连接，所述电子源与电离室连接。 [0007] 优选地，所述气源以恒定的流量向电离室中通入氢气，通入的氢气在电离室中保持0.01Pa的气压。 [0008] 优选地，所述电子源包括热阴极一、热阴极二、热阴极三，所述热阴极一、热阴极二、热阴极三呈多圈分布，每圈为多个圆弧结构，热阴极的每段圆弧由高压电源独立供电，可以分别控制温度，所述电子源产生电子束流，电子束流被电极引入电离室中。 [0009] 优选地，所述电离室内还设置有筒形电极一、筒形电极二、筒形电极三、筒形电极四，所述筒形电极一、筒形电极二、筒形电极三、筒形电极四在轴向上位于热阴极一、热阴极二、热阴极三的后方，在径向上与热阴极交错布置。 [0010] 优选地，所述引出面包括引出电极和栅极，所述引出电极与电离室相连，所述引出电极具有一个圆筒形的边沿，该边沿延伸进入电离室，代替电离室靠近引出面的一部分内壁，所述栅极在引出电极后方，所述引出电极的电压低于电离室的电压。 [0011] 用于真空质子辐照试验的高均匀性大束斑面离子源装置的离子通量自动调节方法，在靶台上安装的法拉第杯实时测量质子辐射通量，由计算机控制高压电源，调整引出面中的栅极的电压，计算机自动调节流程，包括以下步骤： [0012] S01.计算机读取由靶台上安装的法拉第杯测量的离子束流通量i； [0013] S02.将测得的离子束流通量i与由人工在计算机上设置的离子束流通量上限iup比较，如果i [0014] S03.将测得的离子束流通量i与由人工在计算机上设置的离子束流通量下限idown比较。如果i>idown，则执行步骤S04，否则执行步骤S08； [0015] S04.等待时间T，使离子源装置产生的离子束流通量稳定； [0016] S05.判断计算机是否接收到人工发出的关机指令，如果收到关机指令，则执行步骤S06，否则执行步骤S01； [0018] S07.将栅极电压Vgd升高△V，然后执行步骤S04,离子束流通量降低； [0019] S08.将栅极电压Vgd降低△V，然后执行步骤S04,离子束流通量升高。 [0020] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是： [0021] 1、本申请中，使用独立控温的多圈多圆弧形热阴极，具有与热阴极交错布置的多层同心圆筒形电极，将引出电极延伸至电离室内部，因而离子束流的均匀性更好。 [0022] 2、本申请中，热阴极的圈数、圆筒形电极的层数以及引出电极的面积等可增减，可实现大束斑面积的离子束流。 [0023] 3、本申请中，用法拉第杯测量靶台上的通量，计算机控制栅极电压，自动调节离子通量，因而离子束流的通量稳定性更高，在航天器热控涂层真空‑质子辐照环境试验技术等航天器可靠性工程领域具有明确的应用前景和开发潜力。附图说明 [0025] 图2示出了根据本发明实施例提供的真空质子辐照试验的高均匀性大束斑面离子源装置的多圈多圆弧形热阴极结构示意图； [0026] 图3示出了根据本发明实施例提供的真空质子辐照试验的高均匀性大束斑面离子源装置的筒形电极结构示意图； [0027] 图4示出了根据本发明实施例提供的真空质子辐照试验的高均匀性大束斑面离子源装置的多圈多圆弧形热阴极与筒形电极位置关系示意图； [0028] 图5示出了根据本发明实施例提供的真空质子辐照试验的高均匀性大束斑面离子源装置的电离室与引出面位置关系示意图； [0029] 图6示出了根据本发明实施例提供的真空质子辐照试验的高均匀性大束斑面离子源装置的电离室内形成的两种等势面对比示意图； [0030] 图7示出了根据本发明实施例提供的真空质子辐照试验的高均匀性大束斑面离子源装置的靶台上离子通量与栅极电压之间关系的典型曲线图； [0031] 图8示出了根据本发明实施例提供的真空质子辐照试验的高均匀性大束斑面离子源装置的实现靶台上的离子通量自动调节的流程图。 [0032] 图例说明： [0033] 1、气源；2、电离室；3、引出面；4、加速电极；5、靶台；6、计算机；7、高压电源；8、电子源；9、热阴极一；10、热阴极二；11、热阴极三；12、筒形电极一；13、筒形电极二；14、筒形电极三；15、筒形电极四；16、引出电极；17、栅极。 具体实施方式[0034] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。 [0035] 请参阅图1‑8，本发明提供一种技术方案： [0036] 真空质子辐照试验的高均匀性大束斑面离子源装置，包括气源1，气源1的输出端连接有电离室2，电离室2连接有引出面3，在电离室2中，电子源8发射的电子束流碰撞电离室2内的氢气分子，使之电离，产生离子，离子被电离室2中的电场加速，从引出面3引出，引出面3连接有加速电极4，加速电极4产生静电场，将从引出面3出射的离子加速到真空‑质子辐照环境试验所需要的能量，加速电极4连接有靶台5，靶台5用于放置和固定真空‑质子辐照环境试验的被试样品，样品使用聚酰亚胺胶带或者双面胶粘贴在靶台5的辐照区域，经过加速电极4加速的离子束流照射在靶台上，对样品进行辐照，在靶台5上，靠近样品位置，安装一只法拉第杯，通过法拉第杯测量靶台5上的离子通量，用于实现离子通量自动调节，靶台5连接有计算机6，计算机6控制离子源装置运行，并提供操作界面，具体功能包括：1)采集靶台5上的法拉第杯测量的离子通量；2)设置高压电源7的各通道的输出电压；3)显示离子源装置的运行状态，接收人工输入的操作指令，计算机6连接有高压电源7，高压电源7通过串口与计算机6连接，在计算机6的控制下，为离子源装置中的各个电极和灯丝供电，高压电源7的供电输出端口包括：为多圈多圆弧形热阴极9、10、11供电的灯丝供电端口，为多层同心圆筒形电极一12、筒形电极二13、筒形电极三14、筒形电极四15供电的电离室2供电端口，为引出电极16供电的引出电极供电端口，为栅极17供电的栅极供电端口和为圆筒形加速电极4供电的加速电极供电端口等；其中，为了提高离子束流的均匀性，灯丝供电端口有多个，为热阴极一9、热阴极二10、热阴极三11中的每个圆弧段分别供电，高压电源7连接有电子源8，高压电源7还与电离室2、引出面3、加速电极4连接，电子源8与电离室2连接。 [0037] 具体的，如图1所示，气源1以恒定的流量向电离室2中通入氢气，在真空‑质子辐照环境试验真空系统抽气的效果下，通入的氢气在电离室2中保持0.01Pa的气压。 [0038] 具体的，如图4所示，电子源8包括热阴极一9、热阴极二10、热阴极三11，热阴极一9、热阴极二10、热阴极三11呈多圈分布，每圈为多个圆弧结构，热阴极一9、热阴极二10、热阴极三11由高压电源7独立供电，可以分别控制温度，加热到足够高的温度，从表面发射热电子，形成电子束流，电子源8产生的电子束流被电极引入电离室2中； [0039] 图2按照3圈的形式，对热阴极一9、热阴极二10、热阴极三11作出说明：图中，由内而外分别是第1、2、3圈热阴极，其中，第1圈热阴极一9分为2个圆弧，第2圈热阴极二10分为3个圆弧，第3圈热阴极三11分为6个圆弧，每段圆弧中的加热灯丝由高压电源7的灯丝供电端口分别供电，将圆弧加热到足够高的温度，从表面发射热电子，形成电子束流，如果停止加热某段圆弧，使其温度逐渐降低，那么该段圆弧表面的热电子发射将减少，因此，可以通过控制高压电源7给各段圆弧的加热供能，控制热阴极一9、热阴极二10、热阴极三11发射电子的分布，使发射的电子在垂直于轴线的截面上分布均匀。 [0040] 具体的，如图4所示，电离室2内还设置有筒形电极一12、筒形电极二13、筒形电极三14、筒形电极四15，所述筒形电极一12、筒形电极二13、筒形电极三14、筒形电极四15在轴向上位于热阴极一9、热阴极二10、热阴极三11的后方，在径向上与热阴极交错布置，筒形电极一12、筒形电极二13、筒形电极三14的作用是调整电场，从而提高引出离子束流的均匀性； [0041] 图3按照4层的形式，对同心圆筒形电极一12、筒形电极二13、筒形电极三14、筒形电极四15作出说明：图中，由内而外分别是第1、2、3、4层圆筒形电极，圆筒形电极12、13、14、15的电压相等，该电压由高压电源7的电离室供电端口提供； [0042] 图4对热阴极一9、热阴极二10、热阴极三11和筒形电极一12、筒形电极二13、筒形电极三14、筒形电极四15的位置关系进行说明：电子和离子沿着装置的轴向输运，电离室2在电子源8的下一级，因此在轴向上，筒形电极一12、筒形电极二13、筒形电极三14位于热阴极一9、热阴极二10、热阴极三11的后方，如图4右图，在径向上，筒形电极一12、筒形电极二13、筒形电极三14、筒形电极四15与热阴极一9、热阴极二10、热阴极三11交错布置，每圈圆弧形热阴极一9、热阴极二10、热阴极三11都临近一对筒形电极一12、筒形电极二13、筒形电极三14、筒形电极四15，如图4左图，筒形电极一12、筒形电极二13、筒形电极三14、筒形电极四15的电压高于热阴极一9、热阴极二10、热阴极三11，在这种交错布置下，电子源8与电离室2之间的电场近似沿着轴向，热阴极一9、热阴极二10、热阴极三11表面发射的电子将被筒形电极一12、筒形电极二13、筒形电极三14、筒形电极四15沿着轴向引出，进入电离室2，电子沿着径向扩散的速度很小，这使得在电离室2中，垂直于轴线的截面上电子分布与热阴极一9、热阴极二10、热阴极三11发射电子的分布一致，因此，电离室2中的电子分布可以通过发射电子的分布控制和调节，使电离室2中的电子分布均匀；多圈多圆弧形热阴极一9、热阴极二10、热阴极三11的圈数和多层同心圆筒形电极一12、筒形电极二13、筒形电极三14、筒形电极四15的层数都可以根据束斑面积增减，并且离子引出电极和栅极采用栅网形式，电极的通过面积可以调整。 [0043] 具体的，如图5所示，引出面3包括引出电极16和栅极17，所述引出电极16与电离室2相连，所述引出电极16具有一个圆筒形的边沿，该边沿延伸进入电离室2，代替电离室2靠近引出面3的一部分内壁，栅极17在引出电极16后方，引出电极16的电压低于电离室2的电压，电离室2中的离子在电场的作用下穿过引出电极16被引出，为了使引出的离子束流更加均匀，引出电极16具有一个延伸进入电离室2的边沿，栅极17的电压可调，设置栅极17的电压，可以控制引出离子束流的通量； [0044] 引出电极16与电离室内壁之间有电压差，因而在电离室2中产生电场梯度，引出电极16的圆筒形的边沿延伸至电离室2内部，引出电极16的圆筒形边沿相当于一个与电离室2内壁直径相同的圆筒形电极，两者在电离室2中形成的电场等势面一如图6左图，电场梯度较为均匀，如果按照现有方法，使用平面形状的引出电极16，由于引出电极16与电离室2内壁的形状差异较大，两者形成的电场等势面二如图6右图，电场梯度的均匀性较差，特别是远离对称轴的电场梯度较大，相对于等势面一所示的电场，使用等势面一所示的电场引出电离室2中的离子，可以更好地保持离子分布的均匀性，从而提高离子束流的均匀性。 [0045] 用于真空质子辐照试验的高均匀性大束斑面离子源装置的离子通量自动调节方法，在靶台5上安装的法拉第杯实时测量质子辐射通量，由计算机6控制高压电源7，调整引出面3中的栅极17的电压，计算机自动调节流程，包括以下步骤： [0046] S01.计算机6读取由靶台5上安装的法拉第杯测量的离子束流通量i； [0047] S02.将测得的离子束流通量i与由人工在计算机6上设置的离子束流通量上限iup比较，如果i [0048] S03.将测得的离子束流通量i与由人工在计算机6上设置的离子束流通量下限idown比较。如果i>idown，则执行步骤S04，否则执行步骤S08； [0049] S04.等待时间T，使离子源装置产生的离子束流通量稳定； [0050] S05.判断计算机6是否接收到人工发出的关机指令，如果收到关机指令，则执行步骤S06，否则执行步骤S01； [0051] S06.执行关机指令，将高压电源7的灯丝供电端口、电离室2供电端口、引出电极16供电端口、栅极17供电端口等的输出电压降至0V，然后，将高压电源7的加速电极4供电端口的输出电压缓慢降至0V； [0052] S07.将栅极17电压Vgd升高△V，然后执行步骤S04,离子束流通量降低； [0053] S08.将栅极17电压Vgd降低△V，然后执行步骤S04,离子束流通量升高； [0054] 离子束流通量自动调节是基于靶台5上的离子通量与栅极17电压之间关系实现的，该关系的一个典型曲线如图7所示，对于图7所示曲线，当栅极17电压Vgd<‑20V时，靶台5上的离子通量几乎不随栅极17电压Vgd变化，保持在一个较高值，当栅极17电压‑20V [0055] 综上所述，本实施例所提供的真空质子辐照试验的高均匀性大束斑面离子源装置，使用多圈多圆弧形热阴极一9、热阴极二10、热阴极三11发射电子，在电离室2内有与热阴极一9、热阴极二10、热阴极三11交错布置的多层同心圆筒形电极一12、筒形电极二13、筒形电极三14，将离子引出电极延伸至电离室2内部，从而提高离子源产生离子束流的均匀性；并且，该装置热阴极的圈数、圆筒形电极的层数以及引出电极的面积等均可增减，可以产生大束斑面积的离子束流；此外，该装置用法拉第杯测量靶台5上的通量，计算机控制栅极电压，从而具有离子通量自动调节功能，提高了离子束流的通量稳定性。 [0056] 实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。 |
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