空间小型磁偏转质谱计的研制

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州物理研究所国防真空低温技术与物理实验室 作者:郭美如

  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 ~90u,最小可检离子流10-13A。

  空间质谱计在航天活动中起着重要的作用,可用于月球、火星、金星等星球表面气体成分的探测,以及星球土壤可挥发性气体成分分析,以便更好地探测和利用空间资源;可用于载人飞船座舱、空间站、宇航服内气体环境中气体浓度以及对微量有害气体进行监测,保障航天员的生命安全;质谱计也可用于航天器自身对空间环境带来污染物成分、浓度和分布探测,准确探测污染源。国际上根据空间探测任务和环境的不同使用质谱计的类型也不同,在空间探测中使用过的质谱计有磁偏转质谱计、四极质谱计、离子阱质谱计、射频质谱计、飞行时间质谱计等。磁偏转质谱计虽然是一种传统质谱计,但其相对于其它质谱计而言有不可替代的优势,其优势主要有以下几点:①设计简单;②稳定性好;③质量分辨率好、④丰度灵敏度高、⑤对系统和其它仪器设备的电磁干扰性最小,所以是一种适合定量分析的质谱计。

  人类在上世纪70 年代第一次探测月球高潮时期,美国先后在“阿波罗”15、16 号宇宙飞船上搭载磁偏转型质谱计,探测了月球轨道空间环境的气体成分,“阿波罗”17 号宇宙飞船上搭载的磁偏转质谱计探测了月球轨道空间及月表的气体成分,从探测结果得出月球表面包含氦气、氩气等稀薄气体。近几年国际上又掀起了探月第二次浪潮,这次探月的主要目的是开发和利用月球资源,印度发射的“月船1 号”撞击器上搭载了一台四极质谱计测量了撞击过程中月球大气成分的变化情况。美国重返月球计划中,准备发射探月机器人并搭载一台磁偏转质谱计实地探测月球南极土壤是否有水冰存在,以及冰的分布情况。2013 年9 月6 日,美国NASA 发射了月球大气与尘埃环境探索航天器,搭载了一台质谱计探测月球表面稀薄的大气层及月球尘埃。2003年英国发射了小猎犬-2火星着陆器,其上搭载了一台小型磁偏转质谱计用于在线分析火星岩石、土壤和大气样品,以探寻火星生命的起源。2007 年,美国成功发射“凤凰”号火星探测器,其上搭载了一台小型磁偏转质谱计成功在线探测了火星土壤和大气样品,2008 年7 月30 日探测出火星上水冰的存在。

  我国正在进行的探月工程,其中一个重要的科学目标就是定量分析月球土壤中可挥发性气体成分( 特别是同位素3He/4He 的分析) ,以及月球表面大气气体成分。我国即将开展的火星探测工程也需要探测火星大气成分以及火星土壤可挥发性气体成分,以探寻火星资源。我国正在逐步建立中国的空间站,质谱计在空间站上是一个不可或缺的有效载荷。我们国内还没有成熟的小型磁偏转质谱计产品,所以我们针对我国航天发展的需求研制了完全自主产权的定量分析性好、稳定性高的空间小型磁偏转质谱计,希望在我国的重大航天工程中得到应用,空间小型磁偏转质谱计已在绕地球卫星上成功搭载飞行,探测出了地球卫星轨道上的气体成分以及空间带电离子成分。这将为我国深空探测、载人航天事业中质谱分析奠定了基础。

1、空间小型磁偏转质谱计工作原理及组成

  空间小型磁偏转质谱计由物理部分、电控单元和高压电源组成。其中物理部分主要由离子源、磁分析器、离子接收器等组成;电控单元由离子流检测、处理和存储单元,扫描电压控制、灯丝电流控制、以及倍增器高压控制单元,通过总线与星务计算机的通信单元组成;高压电源由离子源和倍增器高压供电,灯丝供电电源组成;小型磁偏转质谱计组成框图及各部分关系图如图1 所示,实物图如图2 所示。

小型磁偏转质谱计的组成框图及各部分关系图

图1 小型磁偏转质谱计的组成框图及各部分关系图

小型磁偏转质谱计的组成框图及各部分关系图

图2 小型磁偏转质谱计实物图

  小型磁偏转质谱计是一种可实现气体成分定量分析的质谱分析仪器,对卫星飞行轨道上的气体进行采集,气体进入离子源之后,离子源灯丝发射的电子使气体分子电离,产生带正电的离子,带电离子经加速聚焦后引入磁分析器,不同质荷比的带电离子在磁场的作用下偏转半径不同,在某一加速电压下只有一种离子到达检测器,离子检测器检测出不同加速电压下离子流的强度,从而得出待测气体的成分。我们研制的空间小型磁偏转质谱计为双通道模式,一个通道测量范围为1 ~12 u,另一个通道测量范围为6 ~90 u,其工作原理如图3 所示。

双聚焦磁偏转质谱计工作原理图

图3 双聚焦磁偏转质谱计工作原理图

5、小结

  小型磁偏转质谱计经历3 年多实现了从原理样机、验证件产品以及正样产品的研制工作,并于2012 年年底在实验卫星上实现了搭载飞行,迄今为止已实现在空飞行测试近两年。研制的小型磁偏转质谱计体积170 mm × 165 mm × 165 mm,质量4. 5kg,功耗18 W,质量数范围:1 ~ 90 u,最小可检离子流10-13 A。现已测试出了空间环境的气体成分以及卫星材料放出的气体成分,后续还将测试出卫星轨道不同高度、不同纬度的气体成分,测试结果将在后续的文章中描述。小型磁偏转质谱计研制搭载成功之后,在我国将广泛应用到空间站载人飞船、以及月球、火星等深空探测之中。

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