空間紫外輻射高加速地面模擬技術(shù)

沈自才，李竑松，張鵬嵩，周亦人，丁義剛，向艷紅，蔣山平，

賀洪波3，王胭脂3

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2.南昌理工學(xué)院，南昌 330044； 3.中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，上海 201800）

空間紫外輻射環(huán)境可以引起航天器外露材料或器件的性能退化和結(jié)構(gòu)損傷，引起其光譜反射率、透射率、太陽(yáng)吸收率、熱發(fā)射率、表面電阻率以及結(jié)構(gòu)性能等發(fā)生退化，從而給航天器的在軌安全和航天任務(wù)的執(zhí)行帶來(lái)嚴(yán)重威脅。因此，需要針對(duì)航天器紫外敏感材料或器件開(kāi)展地面模擬加速試驗(yàn)研究[1-2]。

國(guó)內(nèi)外在航天器紫外輻射效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方面開(kāi)展了大量的工作，也搭建了一系列地面模擬試驗(yàn)裝置[1]，如NASA的格林研究中心[3]、馬歇爾空間飛行中心[4-5]等，利用單一紫外模擬試驗(yàn)裝置或與電子和質(zhì)子的綜合輻照裝置[6-8]來(lái)實(shí)現(xiàn)。近紫外模擬加速倍率最高達(dá)到10 SC，而且是利用汞氙燈來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)的，只用氙燈模擬通常均小于5 SC。隨著深空探測(cè)任務(wù)的開(kāi)展和設(shè)備研制能力的提升，現(xiàn)有的近紫外加速倍率難以滿足科研和型號(hào)任務(wù)的需求[9]，亟需開(kāi)展高加速倍率紫外試驗(yàn)技術(shù)的提升和試驗(yàn)?zāi)M裝置的研制。

文中首先對(duì)紫外輻射環(huán)境與效應(yīng)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，接著給出了空間高加速紫外模擬的需求和技術(shù)要求，進(jìn)而給出了高加速紫外輻照的實(shí)現(xiàn)方法和實(shí)現(xiàn)結(jié)果。

1 空間紫外輻射環(huán)境與效應(yīng)

1.1 空間太陽(yáng)電磁輻射

空間電磁輻射的來(lái)源主要為太陽(yáng)輻射，其次為其他恒星的輻射及其經(jīng)過(guò)地球大氣的散射和反射回來(lái)的電磁波，第三個(gè)來(lái)源則為地球大氣的發(fā)光。根據(jù)光子能量或波長(zhǎng)，可將空間電磁輻射波段劃分為以下幾個(gè)波段：軟X射線、遠(yuǎn)紫外、近紫外、光發(fā)射（可見(jiàn)光和紅外）。對(duì)波長(zhǎng)為10~400 nm的紫外波段，在不同的文獻(xiàn)中的劃分和稱謂略有不同[1]。

依據(jù)美國(guó)的ASTM 490標(biāo)準(zhǔn)[10]，太陽(yáng)總電磁輻射能量（又稱為太陽(yáng)常數(shù)）通常是指位于地球大氣層外，在地球軌道上距離太陽(yáng)為一個(gè)天文單位處，垂直于太陽(yáng)光線的單位面積單位時(shí)間內(nèi)接收到的能量。水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星等行星的太陽(yáng)電磁輻射的總電磁輻射能量或總輻照度見(jiàn)表1[11-12]。其中，近紫外波段為200~400 nm，能量為118 W/m2，約為太陽(yáng)常數(shù)的8.7%。遠(yuǎn)紫外波段為10~200 nm，能量為0.1 W/m2，約為太陽(yáng)常數(shù)的0.007%。

表1 不同星體的太陽(yáng)電磁輻射總輻照度 Tab.1 Total solar electromagnetic radiation irradiance in different stars

1.2 紫外輻射效應(yīng)

紫外波段雖然能量在太陽(yáng)常數(shù)中所占的比例很低，其中，近紫外波段這部分能量約為太陽(yáng)常數(shù)的8.7%，而遠(yuǎn)紫外的能量則僅約為全部太陽(yáng)輻射能量的0.007%，但卻對(duì)空間環(huán)境及其效應(yīng)有著很大的影響，是航天器表面充電、空間原子氧形成、空間材料尤其是高分子材料等性能退化的重要原因。其中，波長(zhǎng)在300 nm以下的紫外輻射可以被地球外層大氣中的臭氧和氧氣完全吸收，進(jìn)而分解成原子氧；也能使地球高層大氣電離，并形成電離層，使航天器表面發(fā)生光電效應(yīng)而使航天器表面帶電，進(jìn)而影響航天器內(nèi)的磁性器件和/或電子系統(tǒng)的正常工作[8]。

由于紫外光子能量高，可打斷大多數(shù)高分子材料的化學(xué)鍵，引發(fā)材料的表面化學(xué)老化，誘發(fā)材料的低溫表面脆化，并產(chǎn)生微裂紋，進(jìn)而可導(dǎo)致絕緣材料表面發(fā)生裂紋擴(kuò)展、真空微放電和電擊穿，增加其表面粗糙度和誘發(fā)其表面性能退化。因此，在地球軌道上，研究空間電磁輻照對(duì)材料性能的退化主要是針對(duì)紫外波段的。

2 空間紫外高加速模擬的要求

2.1 加速倍率的要求

由于紫外輻照周期長(zhǎng)，通常可以通過(guò)加速試驗(yàn)來(lái)縮短試驗(yàn)周期和降低試驗(yàn)成本。國(guó)內(nèi)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)近紫外和遠(yuǎn)紫外模擬的加速倍率進(jìn)行了規(guī)定[12]。以地球軌道為參考，基于樣品溫度控制的要求，國(guó)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范如ISO 15856(2010)[13]、ECSS-Q-ST-70- 06C[14]通常規(guī)定近紫外加速因子不大于7，國(guó)內(nèi)通常規(guī)定一般不大于5[15]。遠(yuǎn)紫外由于通常不存在溫度效應(yīng)，一般加速倍率的規(guī)定相較于近紫外要高的多。

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)中的紫外輻射試驗(yàn)加速倍率 Tab.2 Accelerate rate of ultraviolet simulation testing in different standards

由表1可知，水星太陽(yáng)總輻照度軌道平均值約為地球軌道的6.67倍，在近日點(diǎn)則是地球軌道近日點(diǎn)的10.2倍。因此，面向未來(lái)的深空探測(cè)任務(wù)，低加速倍率已經(jīng)難以滿足太陽(yáng)紫外輻射效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)的要求[15]。這就要求近紫外地面模擬加速倍率應(yīng)該能夠達(dá)到至少10倍的要求。

2.2 溫度控制的需求

航天器及其外露材料可能存在紫外與溫度的協(xié)同效應(yīng)，因此，需要對(duì)樣品進(jìn)行溫度控制。低溫通?？梢酝ㄟ^(guò)在樣品基座底部通入液氮、液氦的方式，或者將樣品基座搭接在熱沉上的方式來(lái)獲得。高溫可以通過(guò)電阻絲或加熱膜加熱的方式來(lái)獲得。在試驗(yàn)過(guò)程中，隨著近紫外加速倍率的提高，樣品的溫度將升高，而過(guò)高的溫度將會(huì)給樣品帶來(lái)額外的溫度協(xié)同效應(yīng)。

不同國(guó)家的紫外輻照試驗(yàn)設(shè)備中樣品溫度控制的范圍不同。例如，MSFC的紫外輻照試驗(yàn)設(shè)備中樣品最高控制溫度為180 ℃，ONERA的設(shè)備樣品溫度控制范圍為–50~+80 ℃。根據(jù)我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，航天材料或器件的溫控范圍可選用–100~+100 ℃[16]。

2.3 原位測(cè)試的需求

航天器材料、元件或部組件從真空狀態(tài)回復(fù)到大氣狀態(tài)下，其性能變化會(huì)發(fā)生一定程度的回復(fù)，尤其是光學(xué)性能、熱物性能、電學(xué)性能。因此，為了真實(shí)反映試驗(yàn)樣品在軌的性能變化，需要利用性能原位測(cè)試裝置對(duì)其在真空狀態(tài)下的性能進(jìn)行原位測(cè)試分析。

2.4 輻照腔與測(cè)試腔的分離需求

由于紫外輻照試驗(yàn)過(guò)程中，從污染控制的需求角度，一般是在真空腔添加熱沉裝置，利用低溫來(lái)實(shí)現(xiàn)污染的控制和吸附。在試驗(yàn)完成后，需要將低溫恢復(fù)到室溫才能打開(kāi)真空腔，一般需要接近1 d。為提高試驗(yàn)效率和方便樣品的更換，通?？梢圆捎幂椪涨缓蜏y(cè)試腔分離的方法。在輻照完成后，將樣品推到測(cè)試腔，中間用插板閥控制真空度的隔離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)樣品的快速換取和試驗(yàn)效率的提升。

3 高加速紫外輻照模擬的實(shí)現(xiàn)

除真空系統(tǒng)外，高加速紫外輻照模擬主要包括紫外（包括近紫外和遠(yuǎn)紫外）的模擬、溫度的控制、原位測(cè)試以及輻照腔與測(cè)試腔的分離。

3.1 紫外輻射的模擬

目前，近紫外源常用的有汞燈、汞氙燈、氙燈等，遠(yuǎn)紫外源國(guó)際上一般均采用氘燈。由于汞燈雖然能夠提供較大的功率，但其為線譜，而氙燈光譜則與太陽(yáng)光譜比較接近[4]。因此，在高加速紫外模擬中，近紫外模擬采用氙燈，遠(yuǎn)紫外模擬采用氘燈。

在紫外模擬，尤其是近紫外模擬的過(guò)程中，關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)是要在實(shí)現(xiàn)高功率模擬的同時(shí)，兼顧輻照面積的大小和輻照面的均勻性。在本裝置中，通過(guò)采用積分器將一個(gè)點(diǎn)光源模擬為由許多點(diǎn)光源組成的面光源以及通過(guò)準(zhǔn)直鏡/長(zhǎng)焦距透鏡來(lái)兼顧輻照面積和均勻性的需求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大面積、高均勻性、高功率輻照的近紫外模擬。

近紫外源如圖1所示，采用氙燈為光源，光學(xué)系統(tǒng)主要由聚光鏡、濾光片、積分器、反射鏡、準(zhǔn)直鏡、透鏡、電源、結(jié)構(gòu)、窗口等組成，其中濾光片、積分器、窗口材料均采用遠(yuǎn)紫外石英玻璃。氙燈光線經(jīng)過(guò)聚光鏡、積分器、準(zhǔn)直鏡、窗口，從頂部射入真空容器（真空室）。如果將準(zhǔn)直鏡更換為小型、長(zhǎng)焦距透鏡，則可以實(shí)現(xiàn)更大面積的發(fā)散均勻輻照。

圖1 近紫外模擬光路 Fig.1 Near ultraviolet system simulation path

采用10 000 W氙燈作為近紫外源，當(dāng)氙燈的功率設(shè)置為9861 W時(shí)，φ300 mm面積上的輻照度為15 SC，均勻性優(yōu)于95%。利用準(zhǔn)直鏡系統(tǒng)，當(dāng)氙燈的功率設(shè)置為9524 W時(shí)，φ180 mm面積上輻照度為24 SC，均勻性優(yōu)于95%。采用2只150 W的氘燈作為遠(yuǎn)紫外源，φ150 mm面積上的輻照度為10.5 SC，均勻性優(yōu)于95%。

3.2 溫度控制系統(tǒng)

輻照腔內(nèi)側(cè)有熱沉控制系統(tǒng)，管壁為銅管，可以實(shí)現(xiàn)快速降溫，3 min內(nèi)制冷到–120 ℃，最低可到–150 ℃。具有2 min熱氣除霜，迅速回溫，5 min可再降溫的能力。樣品臺(tái)采用浴油控溫系統(tǒng)，控溫系統(tǒng)能夠在–70~+110 ℃的溫度范圍迅速地加熱和制冷。制冷系統(tǒng)采用水冷型的雙級(jí)復(fù)疊制冷技術(shù)，通過(guò)高效板式換熱器（油冷卻器），提供系統(tǒng)所需的制冷功率，電加熱裝置提供系統(tǒng)所需熱源。通過(guò)智能多級(jí)溫度控制達(dá)到高精度的溫度控制效果，制冷量和加熱量均精確控制，不會(huì)出現(xiàn)冷熱抵消的情況。通過(guò)將樣品臺(tái)與熱沉系統(tǒng)搭接，可以實(shí)現(xiàn)樣品臺(tái)更低的溫度，可以控制在–100 ℃以下。

圖2 樣品臺(tái)溫度控制系統(tǒng) Fig.2 Temperature control system of sample table

3.3 光學(xué)性能原位測(cè)試

光學(xué)性能原位測(cè)試主要是指光譜反射率原位測(cè)試?？梢詫⒐庾V反射率原位測(cè)試裝置放置在測(cè)試室外面，測(cè)試裝置光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)樣品光纖和參比光纖進(jìn)入測(cè)試腔內(nèi)的積分球，利用“四區(qū)分段的扇形信號(hào)收集的斬波器”控制兩路光纖的光，在積分球出口用探測(cè)器進(jìn)行紫外輻照樣品反射率測(cè)量。其中，參比光纖的光經(jīng)過(guò)積分球反射后由探測(cè)器接收，作為校零基準(zhǔn)，如圖3所示。利用Lambda950光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)200~2500 nm的光譜反射率測(cè)試。

圖3 光譜反射率原位測(cè)試探測(cè)器 Fig.3 In-situ spacetral reflectance detector

光譜反射率原位測(cè)試探測(cè)器固定在三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)豎直方向上，三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以三維移動(dòng)，可測(cè)量?jī)蓚€(gè)樣品的反射率?？刂茰y(cè)試的裝置如圖4所示[17-18]。

圖4 測(cè)試腔內(nèi)設(shè)備布局 Fig.4 Internal equipment layout in test chamber

3.4 輻照腔與測(cè)試腔的分離

真空容器由輻照腔、測(cè)量腔、插板閥和支架組成（圖5）。輻照腔與測(cè)量腔之間選用矩形通徑的插板閥連接，可根據(jù)需要打開(kāi)或隔斷。輻照腔和測(cè)量腔置于支架上，用螺栓緊固。試驗(yàn)樣品移動(dòng)機(jī)構(gòu)由送樣桿、樣品臺(tái)、條形工裝、樣品分離機(jī)構(gòu)組成。試驗(yàn)完成后，當(dāng)送樣桿將樣品臺(tái)推送到達(dá)測(cè)量腔指定位置后，樣品分離機(jī)構(gòu)將要留在測(cè)量腔的條形工裝抬起，與樣品臺(tái)分離，再由送樣桿將剩余的條形工裝拉回輻照腔；之后樣品分離機(jī)構(gòu)將留下的條形工裝下移，放置在測(cè)量腔導(dǎo)軌上；此時(shí)可以關(guān)閉輻照腔與測(cè)量腔之間的插板閥，從測(cè)試腔取出留下的樣品。

圖5 輻照腔與測(cè)試腔的分離方案 Fig.5 Seperation scheme of irradiation chamber and test chamber

3.5 高加速紫外輻照模擬裝置

高加速紫外輻照模擬裝置由真空系統(tǒng)、輻照腔、測(cè)試腔、近紫外源（氙燈）、遠(yuǎn)紫外源（氘燈）、溫度控制系統(tǒng)（熱沉和樣品臺(tái)控制系統(tǒng)）、光學(xué)性能原位測(cè)試裝置等組成，實(shí)物圖見(jiàn)圖6。

圖6 高加速紫外輻照試驗(yàn)裝置 Fig.6 Highly accelerated ultraviolet irradiation test facility

1）通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用10 000 W氙燈作為近紫外源，可以在φ300 mm面積上實(shí)現(xiàn)1~15的加速倍率和φ180 mm面積上實(shí)現(xiàn)5~24的加速倍率，均勻性均大于95%。

2）采用2只150 W的氘燈作為遠(yuǎn)紫外源，可以實(shí)現(xiàn)φ150 mm面積上的輻照度為10.5 SC，均勻性大于95%。

3）通過(guò)采用熱沉制冷系統(tǒng)和浴油溫控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)樣品臺(tái)–70~+110 ℃的快速溫度控制，低溫可以達(dá)到–100 ℃以下。

4）通過(guò)插板閥和樣品推送裝置，可以實(shí)現(xiàn)輻照腔和測(cè)量腔的分離和分別控制。

5）通過(guò)將樣品光纖和參比光纖接入測(cè)試腔內(nèi)的積分球的方式，利用三維機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了光譜反射率的原位測(cè)試，波長(zhǎng)范圍為200~2500 nm。