一種星載超輕合金材料的電子輻射試驗裝置及方法與流程

本發明涉及衛星用超輕合金金屬材料空間輻射試驗領域。

背景技術：

對于中高軌及深空衛星，輕量化設計是衛星總體設計的關鍵技術之一。傳統鋁合金材料已不能滿足目前航天發展的需求，在確保衛星總體任務的前提下，尋找重量輕、強度高的替代材料，并通過試驗驗證新材料的各項性能指標，成為當前急待解決的重要難題。鎂鋰(Mg-Li)合金作為當今最輕的金屬材料，具有比強度、比剛度高，綜合性能優異，是有效解決衛星型號輕量化需求的輕質金屬材料。若將其應用到衛星上將顯著提高衛星的性能。

對于集成度高、功能復雜的中高軌及深空衛星，發射重量限制嚴格的特點，為了減輕衛星重量，中高軌及深空衛星使用鎂鋰合金替代部分鋁合金材料。鎂鋰合金材料具有比重輕的特點，可以有效的減輕衛星重量，但同時其對空間輻射的屏蔽能力也會相應的減弱。衛星所處的地球同步軌道空間輻射較低軌惡劣，因此衛星的抗輻照防護設計是制約衛星可靠性的重要因素。

目前在衛星工程運用中一般都采用等效密度法來計算材料等效鋁材料的厚度，即根據材料與鋁的比重來換算成等效厚度的鋁。但該方法也存在較大的誤差。為了得到較為精確的鋰鎂合金材料的屏蔽效果的數據需通過試驗的方法獲取。

技術實現要素：

本發明主要針對衛星所用的鎂鋰合金電子輻照試驗制定方案，提供一種超輕金屬合金材料的電子輻射試驗裝置及方法，試驗結果可為衛星空間帶電粒子的屏蔽效果以及抗輻射加固提供參考數據。

本發明是按以下技術方案實現的：

一種星載超輕金屬合金材料的電子輻射試驗裝置，包括電子加速器、法拉第筒、真空計以及束流積分儀，試驗試件在常溫常壓下置于法拉第筒入射窗口位置，電子加速器加電子束流，法拉第筒接收并測量電子束流，法拉第筒需抽真空，其真空度≤0.5Pa，用真空計測量，束流積分儀用于讀取數據。

電子加速器能量設置為1.1MeV和1.5MeV兩種。

一種星載超輕金屬合金材料的電子輻射試驗方法，采用上述的裝置來完成，包括如下：

步驟1：獲得衛星參試超輕合金金屬材料；

步驟2：將法拉第筒放置在加速器輻照射野中心，距電子加速器入射窗口一定距離處，抽真空至≤0.5Pa；

步驟3：記錄試驗溫度、濕度；

步驟4：在電子加速器開機不加束流情況下，測量法拉第筒本底漏電流I_b；

步驟5：利用不同能量或注量率的電子進行電子輻照試驗；

步驟6：按照試驗工況要求的順序和試件厚度順序依次更換試件，測量透射率。

步驟5包括：

1)：在電子加速器開機加束流情況下，在法拉第筒入射窗上放置一試件，測量法拉第筒接收束流情況，考察輻射情況下法拉第筒漏電流I_b’，I_b’應與I_b近似；

2)：電子加速器能量分別設置為1.1MeV和1.5MeV，標稱束流設為0.01mA，觀察開機后束流積分儀讀數穩定所需時間，連續測量三次，取平均值，此值為電子束穿過試件前的初始電子束注量率I₀；

3)：改變標稱束流至0.05mA和0.1mA，重復第2)步試驗過程，分別測量初始電子束注量率；

4)：加速器關閉束流后，將試件放置在法拉第筒入射窗上，按同上的束流能量和標稱束流設置電子加速器，在出束一分鐘后，測量束流積分儀讀數，每個標稱束流下連續測量三次，取平均值，此值為電子束穿過試件后的透射電子束注量率I_T；

5)：求取三種標稱束流下的比值T＝I_T/I₀，畫透射系數對標稱束流的曲線，觀察透射系數是否隨初始束流強度呈線性關系，在線性區內選擇一個合適的標稱束流，作為其他厚度試件輻照的基準束流。

5、根據權利要求3所述的超輕金屬合金材料的電子輻射試驗方法，其特征在于，步驟6)，每測量n個厚度試件后，測量一次初始束流強度，即不放試件的電子束束流強度，檢查加速器束流的穩定性。

若改變試件厚度后，束流積分儀讀數已接近本底漏電流Ib’，則該種材料試件的試驗結束，換下一種材料或電子能量繼續試驗。

本發明針對國內中高軌及深空衛星所采用的超輕金屬合金材料電子輻射試驗，形成一種新型的超輕金屬合金材料電子輻射試驗技術，得出新型超輕金屬合金材料應用于中高軌及深空衛星抗空間輻射環境適應性結論，從而為衛星的單機設計提供一定的設計依據，對高軌及深空探測領域的衛星的抗輻射加固設計提供一定的參考依據。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯：

圖1是超輕鎂鋰合金空間電子輻射試驗原理圖；

圖2是空間電子輻射在衛星單機中的傳輸過程。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。

本發明所提供的超輕金屬合金材料的電子輻射試驗裝置，如圖1所示，包括電子加速器1、法拉第筒2、真空計以及束流積分儀3，試驗試件4在常溫常壓下置于法拉第筒2的入射窗口位置，電子加速器1加電子束流，法拉第筒2接收并測量電子束流，法拉第筒需抽真空，其真空度≤0.5Pa，用真空計測量，束流積分儀3用于讀取數據。束流積分儀與法拉第筒之間通過屏蔽線纜連接。

試驗過程中可以考慮整星的輻射屏蔽實際狀況進行地面模擬試驗。

圖2所示，一般情況下，衛星蒙皮5的等效鋁厚度為0.7mm，一般單機6的機殼7均采用鋁合金以及鎂合金材料厚度約為2.5～3mm，因而絕大多數的低能電子(小于1MeV)很難穿透普通單機外殼。針對于高軌衛星，電子能量高于1MeV范圍的約占高于0.1MeV電子數量的3.55％，而能量高于2MeV的電子只占能量高于0.1MeV的電子的約0.2％。試驗所選用的入射電子能量值為比較有代表性的1MeV和1.5MeV兩種能量。電子加速器能量設置為1.1MeV、1.5MeV(由于空氣對電子能量的衰減作用，1.1MeV、1.5MeV電子在到達法拉第筒入射窗時能量分別衰減為1.0MeV、1.5MeV)。而1.5MeV電子基本穿過20cm厚度的空氣后基本能量不會損失。輻射試驗過程中要保持法拉第筒壓強不變，在試驗過程中對法拉第筒進行抽真空并進行實時監測。

本發明所提供的試驗方法，適合于衛星用新型超輕合金材料的抗輻射能力開展驗證及評估工作，形成了一種新型的超輕金屬合金材料電子輻射試驗方法。包括步驟如下：

步驟1：獲得衛星參試超輕合金金屬材料；

步驟2：將法拉第筒放置在加速器輻照射野中心，距電子加速器入射窗口一定距離處，抽真空至≤0.5Pa；

步驟3：記錄試驗溫度、濕度；

步驟4：在電子加速器開機不加束流情況下，測量法拉第筒本底漏電流I_b；

步驟5：利用不同能量或注量率的電子進行電子輻照試驗；

步驟6：按照試驗工況要求的順序和試件厚度順序依次更換試件，測量透射率。

具體的，在電子加速器開機加束流情況下，在法拉第筒入射窗上放置一厚度大于4mm的鋁塊，測量法拉第筒接收束流情況，考察輻射情況下法拉第筒漏電流I_b’。正常情況下，I_b’應與I_b近似；

電子加速器能量設置為1.1MeV、1.5MeV(由于空氣對電子能量的衰減作用，1.1MeV、1.5MeV電子在到達法拉第筒入射窗時能量分別衰減為1.0MeV、1.5MeV。注：1.5MeV電子基本穿過20cm厚度的空氣后基本能量不會損失)，標稱束流設為0.01mA,觀察開機后束流積分儀讀數穩定所需時間(一般在1分鐘左右)，連續測量三次，取平均值。此值為電子束穿過試件前的初始電子束注量率I0；

改變標稱束流至0.05mA和0.1mA，重復第4步試驗過程，分別測量初始電子束注量率；

加速器關閉束流后，將試件放置在法拉第入射窗上，按同上的束流能量和標稱束流設置加速器。在出束一分鐘后，測量束流積分儀讀數，每個標稱束流下連續測量三次，取平均值。此值為電子束穿過試件后的透射電子束注量率I_T；

求取三種標稱束流下的比值T＝I_T/I₀，畫透射系數對標稱束流的曲線，觀察透射系數是否隨初始束流強度呈線性關系。在線性區內選擇一個合適的標稱束流，作為其他厚度試件輻照的基準束流；

按照試驗工況要求的順序和試件厚度順序依次更換試件，測量透射率。每測量5個厚度試件后，測量一次初始束流強度(即不放試件的電子束束流強度)，檢查加速器束流的穩定性；

若改變試件厚度后，束流積分儀讀數已接近本底漏電流Ib’，則該種材料試件的試驗結束，換下一種材料或電子能量繼續試驗；

輻照實驗過程中注意檢查真空計讀數，保持真空度一致；

獲得所有試件在兩種電子能量下的透射比值后試驗結束；

記錄數據：電子束能量，基準束流，材料種類、厚度，透射后束流。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變化或修改，這并不影響本發明的實質內容。在不沖突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特征可以任意相互組合。