CN102042820B - 一种空间微小碎片的探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间微小碎片的探测方法，属于空间环境探测技术领域。探测薄膜由上到下包括俘获碎片层、过渡层和基底材料；俘获碎片层材料为1～4μm厚的Au；基底材料材料为1～3mm厚的石英玻璃，过渡层材料为50～100nm厚的Ir；将探测薄膜搭载在航天器的迎风面和背风面上，经过空间暴露后，携带回地面；地面分析采用二次离子质谱或离子枪剖析下X射线光电子能谱的分析方法，获得探测薄膜分析后数据与空间碎片的相关数据的对应关系；从而获得所俘获碎片的化学组成。本发明利用低重量无功耗的探测薄膜，实现空间微小碎片的探测，俘获碎片层所能俘获并分析到的空间碎片为mg量级。

Description

一种空间微小碎片的探测方法

技术领域

本发明涉及一种空间微小碎片的探测方法，属于空间环境探测技术领域。

背景技术

随着我国航天器在轨运行时间的明显加长，监测空间碎片在轨道上的分布规律和速度，以及评估碎片对航天器材料的影响就显的尤其重要。同时由于近期卫星在轨道上被摧毁等事件，导致空间碎片的分布规律变化速度加大。也对研制空间碎片在轨探测薄膜提出了要求。

这些碎片中较小部分难以通过地面观测获得，美国长期暴露装置(LDEF)中的宇宙碎片探测就是通过在轨探测薄膜进行监测。我国的空间站计划的进行，为在轨探测薄膜的空间暴露运行和返回提供了应用背景。

本发明是提出在轨探测薄膜。该薄膜计划搭载在空间实验室或空间站等可提供返回样品能力的航天器上，所以，该薄膜的设计和制备都依据我国空间实验室或空间站所面临的环境和轨道之上。

发明内容

本发明的目的是为了解决空间微小碎片的在轨探测，提出一种空间微小碎片的探测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种空间微小碎片的探测方法，利用探测薄膜暴露在空间进行微小碎片俘获，然后将探测薄膜运回地面，采用物理分析方法分析微小碎片的注入深度和碎片化学组成，根据撞击深度公式的计算，注入深度可以反映出入射碎片的尺寸；其具体步骤为：

1)设计并制备探测薄膜：

探测薄膜由上到下包括俘获碎片层、过渡层和基底材料；制备两个或两个以上探测薄膜；

俘获碎片层所用的材料为Au，其厚度为1～4μm；俘获碎片层为探测薄膜的主要组成部分，主要作用是直接收到空间碎片的撞击并形成注入现象，然后由地面的分析仪器对薄膜进行分析，分析该层中空间碎片造成的物理损害和空间碎片在薄膜中的注入元素组成；

Au原子序数较大，在宇宙中微流星体中含量较少，由于航天器中采用Au也较少，因此在人造空间碎片中很少见到Au；同时，Au具有良好的惰性，其它空间环境效应对Au的影响较少；

根据高速撞击原理，俘获碎片层所能俘获并分析到的空间碎片为mg量级；

基底材料采用的材料为1～3mm厚的石英玻璃，它是碎片俘获层所附着的结构，该材料要求是对空间环境效应均不敏感，同时重量要轻，并易于安装和便于分析仪器夹持；另外，如果较大颗粒可能会击穿碎片俘获层，所以基底材料需要较高纯度，尽量减少对地面分析的干扰；

过渡层采用的材料为Ir，其厚度为50～100nm；过渡层的选择除了考虑与碎片俘获层相同的因素外，还要考虑与Au和基底材料的扩散性和浸润性；

2)空间搭载

将两个或两个以上探测薄膜搭载在低地球轨道上的航天器上，分别安装在航天器的迎风面和背风面上，经过空间暴露后，然后携带回地面；在空间暴露的时间为1～24个月；

3)地面分析

地面分析采用二次离子质谱或离子枪剖析下X射线光电子能谱的分析方法，获得探测薄膜分析后数据与空间碎片的相关数据的对应关系；从而获得所俘获碎片的化学组成；同时，通过离子枪剖析时间和离子枪剖析速度获得碎片注入深度；

碎片撞击深度公式为式(1)所示：

$p\≈0.06m_p^{0.352}{\mathrm{\ρ}}_t^{1/6}{v}_{\⊥}^{2/3}---\left(1\right)$

式(1)中，p为碎片注入深度(m)、m_p为碎片质量(g)、ρ为碎片密度g/cm³、v为碎片撞击速度m/s；

根据碎片撞击深度公式的计算，碎片的注入深度可以反映出入射碎片的尺寸Φ(nm)近似等于1.5t(s)，t为分析仪器离子溅射剖析发现碎片所需时间。

有益效果

本发明利用低重量无功耗的探测薄膜，实现空间微小碎片的探测，俘获碎片层所能俘获并分析到的空间碎片为mg量级。

附图说明

图1为探测薄膜的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

一种空间微小碎片的探测方法，利用探测薄膜暴露在空间进行微小碎片俘获，然后将探测薄膜运回地面，采用物理分析方法分析微小碎片的注入深度和碎片化学组成，根据撞击深度公式的计算，注入深度可以反映出入射碎片的尺寸；其具体步骤为：

1)设计并制备探测薄膜：

探测薄膜由上到下包括俘获碎片层、过渡层和基底材料，如图1所示；制备两个探测薄膜；

俘获碎片层所用的材料为Au，其厚度为4μm；俘获碎片层为探测薄膜的主要组成部分，主要作用是直接收到空间碎片的撞击并形成注入现象，然后由地面的分析仪器对薄膜进行分析，分析该层中空间碎片造成的物理损害和空间碎片在薄膜中的注入元素组成；根据高速撞击原理，俘获碎片层所能俘获并分析到的空间碎片为mg量级；

基底材料采用的材料为1mm厚的石英玻璃，它是碎片俘获层所附着的结构；

过渡层采用的材料为Ir，其厚度为50nm；

2)空间搭载

将两个探测薄膜搭载在低地球轨道上的航天器上，分别安装在航天器的迎风面和背风面上，经过空间暴露后，然后携带回地面；在空间暴露的时间为3个月；

3)地面分析

地面分析采用二次离子质谱或离子枪剖析下X射线光电子能谱的分析方式，获得探测薄膜分析后数据与空间碎片的相关数据的对应关系；从而获得所俘获碎片的化学组成和碎片尺寸；通过离子枪剖析时间和离子枪剖析速度获得碎片注入深度；

碎片撞击深度公式为式(1)所示：

$p\≈0.06m_p^{0.352}{\mathrm{\ρ}}_t^{1/6}{v}_{\⊥}^{2/3}---\left(1\right)$

式(1)中，p为碎片注入深度(m)、m_p为碎片质量(g)、ρ为碎片密度g/cm³、v为碎片撞击速度m/s；

v为空间碎片撞击速度一般为近似固定值，根据离子枪剖析时间和离子枪剖析速度获得碎片注入深度p，且通过质谱分析获得碎片化学组成和密度ρ，从而根据式(1)获得碎片质量m_p；由此反映出入射碎片的尺寸Φ(nm)近似等于1.5t(s)，t为分析仪器离子溅射剖析发现碎片所需时间。

Claims (1)

1.一种空间微小碎片的探测方法，其特征在于：利用探测薄膜暴露在空间进行微小碎片俘获，然后将探测薄膜运回地面，采用物理分析方法分析微小碎片的注入深度和碎片化学组成，根据撞击深度公式的计算，注入深度可以反映出入射碎片的尺寸；其具体步骤为：

1)设计并制备探测薄膜：

探测薄膜由上到下包括俘获碎片层、过渡层和基底材料；制备两个或两个以上探测薄膜；

俘获碎片层所用的材料为Au，其厚度为1～4μm；

基底材料采用的材料为1～3mm厚的石英玻璃；

过渡层采用的材料为Ir，其厚度为50～100nm；

2)空间搭载

将两个或两个以上探测薄膜搭载在低地球轨道上的航天器上，分别安装在航天器的迎风面和背风面上，经过空间暴露后，然后携带回地面；在空间暴露的时间为1～24个月；

3)地面分析

地面分析采用二次离子质谱或离子枪剖析下X射线光电子能谱的分析方法，获得探测薄膜分析后数据与空间碎片的相关数据的对应关系；从而获得所俘获碎片的化学组成；同时，通过离子枪剖析时间和离子枪剖析速度获得碎片注入深度；

碎片撞击深度公式为式(1)所示：

$p\≈0.06m_p^{0.352}{\mathrm{\ρ}}_t^{1/6}{v}_{\⊥}^{2/3}---\left(1\right)$

式(1)中，p为碎片注入深度、m_p为碎片质量、ρ_t为碎片密度、v为碎片撞击速度，其中，p的单位为m，m_p的单位为g，ρ_t的单位为g/cm³，v的单位为m/s；

根据碎片撞击深度公式的计算，碎片的注入深度可以反映出入射碎片的尺寸Φ近似等于1.5t，其中尺寸Φ的单位为nm，t的单位为s；t为分析仪器离子溅射剖析发现碎片所需时间。

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