空间小型磁偏转质谱计的研制

随着我国空间探测的不断发展和精细化研究,质谱计在航天活动中起着越来越重要的作用,但空间用质谱计很难从国外进口,为了解决我国空间探测的急需,我们研制了完全自主知识产权的空间小型磁偏转质谱计,2012年11月在我国新技术试验卫星上实现了成功搭载,已经过近两年时间的空间测试,探测出了地球卫星轨道上的气体成分以及卫星放出的气体成分,空间小型磁偏转质谱计的研制成功将为后续质谱计在空间的广泛应用打下坚实的基础。空间小型磁偏转质谱计由物理部分、电控单元、高压电源三部分组成,体积170 mm×165 mm×165 mm,质量4.5 kg,功耗18 W,质量数范围:1~90 u,最小可检离子流10-13A。     

小型磁偏转质谱计离子源性能参数的模拟研究

离子源是磁偏转质谱计的核心,离子源的聚焦和离子引出效率对其工作性能有着重要影响。采用SIMI-ON-3D 8.0软件建立了应用于小型磁偏转质谱计的电子轰击型离子源模型,计算了离子的运动轨迹,采用相空间分析方法,得到静电透镜聚焦处离子的位置聚焦半径和速度聚焦半径,分析了离子源各参数对聚焦和离子引出效率的影响。研究结果表明当S和α狭缝分别加负偏压时,离子束在运动过程中能够两次聚焦,从而得到很好的聚焦性能和引出效率,为离子源优化设计提供重要的理论依据和实验指导。     

质谱计离子源静电透镜的模拟计算

本文针对某质谱计离子源的设计,建立了离子源静电场数学模型,采用有限差分法对其场域进行离散,半迭代切比雪夫松弛法求解各节点的电位,拉格朗日插值法计算空间任意点的电位和电场,四阶龙格-库塔法计算离子运动轨迹.使用Visual C++ 6.0为平台编程计算程序,结合离子源的具体结构求解了离子源静电透镜整个场域的电位和电场;绘制了等位线和离子运动轨迹.在此基础上,讨论了各电极电压对离子运动轨迹(即对聚焦性能)的影响.     

小型磁偏转质谱计研究现状及进展

小型磁偏转质谱计因稳定性好、定量性好、丰度灵敏度高、结构简单、体积小、功耗低等特性,广泛应用于诸多领域实现原位实时气体成分分析。首先介绍了单聚焦磁偏转质谱计、串联式双聚焦磁偏转质谱计和正交式双聚焦磁偏转质谱计三种磁偏转质谱计的工作原理和特点,并对其最新研究现状进行了综述,最后介绍了微机电系统（MEMS）技术在质谱计小型化中的应用并对小型质谱计的发展方向进行了分析。     

曲面栅极朝向对离子推力器影响的试验研究

离子推力器主要有两种构型的曲面栅极:凸面和凹面。为了研究曲面栅极朝向对离子推力器工作特性的影响,采用兰州空间技术物理研究所自研的LIPS-100离子推力器,开展了20 mN推力工况下两种构型栅极的放电损耗、束流密度分布和低温启动等工作特性对比试验。结果表明:与凸面栅极相比,凹面栅极的放电特征尺寸小、热态栅间距大;采用凹面栅极的推力器可在-90℃极限温度环境下10 s内满功率启动,但放电损耗增加了5.3%;同时,凹面栅极引出的离子更为聚焦,束流发散角减小了18.6%,引出束流平直度下降了19.6%。研究结果可为国内离子推力器研制中栅极构型的选择和优化提供依据。     

小型磁偏转质谱计磁场的分析计算

磁偏转质谱计是根据离子在磁分析器中运动时,不同质荷比的离子有不同的偏转半径原理来实现质量分离的。磁场大小和分布对质谱计的性能影响较大,因而设计时需要对质谱计磁场分布进行精确计算。应用有限元法建立了计算质谱计磁分析器磁场的物理模型,并利用这一模型计算了磁分析器磁感应强度在空间的分布情况。结果表明,在半径分别为20 mm和50 mm的1/4圆弧轨道上,其磁场分布规律类似。由于边缘磁场效应,在磁铁边界区域约3 mm范围内,磁感应强度基本呈直线下降,这一结果为磁分析器的结构优化和边缘场补偿提供了理论依据。     

射频磁控溅射法制备氧化铝涂层绝缘性能及吸氢特性

氧化铝具有优良的绝缘和阻氚性能,是ITER候选功能材料之一。本工作采用射频磁控溅射法在中国低活化马氏体（CLAM）钢基底上制备了氧化铝涂层。分别采用掠入射X射线衍射、Raman激光光谱和原子力显微镜对氧化铝涂层的结构和表面形貌进行了表征;测量了氧化铝涂层体电阻率;研究了氧化铝涂层样品的吸氢特性。结果表明：氧氩比为0.1和0.5下制备的氧化铝涂层为非晶结构,氧氩比为0.4下制备的涂层中出现了结晶程度较差的氧化铝δ相结构;氧氩比为0.1和0.4下制备的涂层粗糙度和粒径均小于氧氩比为0.5下制备的涂层;不同氧氩比下制备的氧化铝涂层体电阻率均超过2.7×10¹⁴Ω•cm,氧氩比为0.4下制备的涂层电阻率最高,达到2.1×10¹⁵Ω•cm;氧氩比为0.5下制备的涂层样品具有最低的吸氢量。氧氩比对涂层的电绝缘特性和吸氢特性有显著影响。     

小型磁偏转质谱计上位机软件的设计与实现

在小型磁偏转质谱计的调试过程中,需要由质谱计上位机软件向下位机发送间接指令并实现扫描控制和对离子流的采集、处理、存储和分析。基于此,本文采用面向对象的程序设计方法,在VC++6.0环境下对质谱计的上机位机软件进行设计与实现。质谱计上位机软件通过CAN(Controller Area Network)总线与质谱计下位机进行通信,实现对下位机的控制和数据处理。利用质谱计上位机软件可以替代大量冗杂的人工处理数据的工作,而且可以数据实时采集存储,可以进行随时再现、分析、从中获得有用的数据,避免数据的丢失。调试结果表明,质谱计上位机软件设计正确,具有很强的工程实用性。     

小型磁偏转质谱计离子源设计与验证

离子源是质谱计的"心脏",其很大程度上直接决定了质谱计的灵敏度、分辨率等主要性能指标,因此需要对其结构和供配电关系等精心设计。针对空间环境探测应用目标,开展了小型磁偏转质谱计离子源的设计、仿真分析和试验测试。阐述了离子源的设计结构、供配电关系以及仿真分析和试验验证情况。通过分析得到了电压参数对离子束引出能力和束发散角的影响结果,通过试验验证了离子源的主要性能指标和抗力学环境能力满足设计要求。     

氧氩比对低活化马氏体钢表面氧化铪涂层性能的影响

本文采用射频磁控溅射法在不同氧氩比下制备氧化铪涂层.研究了涂层的沉积速率、表面形貌、微观结构和电绝缘特性随氧氩比的变化.结果表明用此方法在低活化马氏体钢上制备的氧化铪涂层表面致密、无明显孔洞;低活化马氏体钢为衬底时涂层较易结晶为以单斜相为主的晶体结构;且涂层的绝缘特性受氧氩比影响较大,氧氩比为0.7和1.2下制备的涂层击穿场强小于1 MV/cm,电绝缘特性较差,在较低氧氩比下制备的涂层有较理想的绝缘性能.