火星探測小型電容薄膜真空計的性能研究

孫雯君，馮 焱，馬 奔，成永軍，趙 瀾

(蘭州空間技術(shù)物理研究所國防科技工業(yè)真空一級計量站，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

開展深空探測活動，是航天技術(shù)發(fā)展的必然選擇，也是人類進(jìn)一步了解宇宙、認(rèn)識太陽系、探索地球與生命的起源和演化、獲取更多科學(xué)認(rèn)識的必須手段［1］。對我國來說，月球探測是深空探測的第一步，而火星探測是行星際探測的開端，有著承上啟下的重要作用。

為確?；鹦窃谲壧綔y器的安全運行，必須對火星空間大氣阻力進(jìn)行充分的研究，從而更準(zhǔn)確地做出軌道衰減率和探測器壽命預(yù)測，其關(guān)鍵就在于對火星空間環(huán)境真空度的準(zhǔn)確測量，一般采用探測器攜帶真空計的方式進(jìn)行直接測量。在火星探測活動中，探測器攜帶了大量的載荷儀器，要完成多項科研探測任務(wù)，必須考慮探測器及其搭載的載荷儀器的小型化［2］。但是，目前使用的真空計存在體積大、重量重等問題，無法滿足火星探測活動中的真空測量需求。

電容薄膜真空計的小型化會使儀器本身的線性、重復(fù)性和穩(wěn)定性等受到影響，保證測量準(zhǔn)確度與深空探測要求的載荷小型化之間存在矛盾。為了解決這個問題，在理論計算、模擬仿真等研究的基礎(chǔ)上，研制出了小型電容薄膜真空計。它具有外形尺寸小、重量輕、工作溫度范圍寬等特點，可以覆蓋火星低軌道大氣壓力的測量范圍，能夠滿足火星探測對載荷的基本要求。

為了保證小型電容薄膜真空計測量結(jié)果的可靠性，對小型電容薄膜真空計的線性、穩(wěn)定性、重復(fù)性等計量性能進(jìn)行了實驗研究，給出了實驗結(jié)果。

1 小型電容薄膜真空計

小型電容薄膜真空計規(guī)管由進(jìn)氣管及其入口擋片、檢測膜片基底、檢測膜片、固定極板、參考?xì)馐覚C(jī)架、引出電極、抽氣口等部分組成［3］，如圖1所示。

圖1 小型電容薄膜真空計結(jié)構(gòu)示意圖

小型電容薄膜真空計的工作原理是:氣體通過進(jìn)氣管引入到測量室中，由于氣體壓力作用使檢測膜片發(fā)生形變，改變了檢測膜片與固定極板上感應(yīng)電極之間的距離，引起二者之間電容量的改變。利用電學(xué)方法測出電容量，通過校準(zhǔn)得到電容量與氣體壓力之間的關(guān)系，獲得氣體壓力大小。

經(jīng)過初步測試，小型電容薄膜真空規(guī)外形尺寸為Φ60 mm×100 mm，重量為150 g，工作溫度范圍為－20～ +50 ℃，測量范圍為 1.0×10－2～1.3×102Pa，可以滿足火星低軌道大氣壓力的探測要求。

2 實驗裝置

采用金屬膨脹式真空標(biāo)準(zhǔn)裝置［4］作為實驗裝置，裝置由壓力產(chǎn)生系統(tǒng)、氣體壓力衰減系統(tǒng)和抽氣系統(tǒng)三部分組成，如圖2所示。該裝置可通過石英規(guī)直接比對法、一級靜態(tài)膨脹法、二級靜態(tài)膨脹法和三級靜態(tài)膨脹法，產(chǎn)生10－4～105Pa的氣體壓力，裝置的不確定度為0.01% ～1%，能夠滿足實驗要求。

實驗前，將小型電容薄膜真空計規(guī)管通過轉(zhuǎn)接接頭連接到金屬膨脹式真空標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)室VR上。打開抽氣系統(tǒng)，對校準(zhǔn)室、一級膨脹室、二級膨脹室、石英規(guī)參考端以及管道等抽真空。觀察連接在校準(zhǔn)室VR上的電離真空計的示值讀數(shù)，當(dāng)電離真空計的示值小于1×10－4Pa時，關(guān)閉抽氣閥門。

圖2 金屬膨脹式真空標(biāo)準(zhǔn)裝置原理示意圖

實驗過程中，可以根據(jù)不同的實驗要求和目的，將104Pa量級的前級氣體壓力，通過不同的衰減路徑引入到校準(zhǔn)室內(nèi)，形成標(biāo)準(zhǔn)壓力，對小型電容薄膜真空計的性能進(jìn)行研究。

3 實驗方法與結(jié)果

3.1 小型電容薄膜真空計的線性

在1.0×10－2～1.3 ×102Pa的校準(zhǔn)壓力范圍內(nèi)，將104Pa量級的前級氣體通過如表1所示的膨脹路徑引入到校準(zhǔn)室內(nèi)，利用計算公式獲得不同路徑的標(biāo)準(zhǔn)壓力理論計算值，同時記錄小型電容薄膜真空計顯示的壓力讀數(shù)，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。通過比較標(biāo)準(zhǔn)壓力值和小型電容薄膜真空計壓力示值，獲得小型電容薄膜真空計的校準(zhǔn)曲線，利用校準(zhǔn)曲線來表示其線性，如圖3所示。

圖3 小型電容薄膜真空計校準(zhǔn)曲線

表1 小型電容薄膜真空計線性實驗數(shù)據(jù)

從圖3可以看出，小型電容薄膜真空計具有良好的線性，滿足火星探測的要求。

3.2 小型電容薄膜真空計的穩(wěn)定性

小型電容薄膜真空計的穩(wěn)定性用測量值的相對實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差來表征。對小型電容薄膜真空計每隔一段時間在1.0×10－2～1.3×102Pa壓力范圍內(nèi)校準(zhǔn)一次，取12個觀測值的算術(shù)平均值作為一次觀測結(jié)果，共觀測6次，計算該6個值的相對實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差，實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 小型電容薄膜真空計穩(wěn)定性實驗數(shù)據(jù)

3.3 小型電容薄膜真空計的重復(fù)性

小型電容薄膜真空計的重復(fù)性用測量值的相對實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差來表征。選取某一個壓力測量點，在較短的時間內(nèi)重復(fù)觀測6次，計算6次測量值算術(shù)平均值的相對實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差，實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 小型電容薄膜真空計重復(fù)性實驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

為了確保小型電容薄膜真空計測量結(jié)果的可靠性及其在火星探測中的應(yīng)用，對小型電容薄膜真空計的線性、穩(wěn)定性、重復(fù)性等各項性能進(jìn)行了反復(fù)的大量的實驗研究。實驗結(jié)果表明，研制的小型電容薄膜真空計具有較好的線性、重復(fù)性和穩(wěn)定性，能夠滿足火星探測的要求。

［1］葉培建，彭兢.深空探測與我國深空探測展望［J］.中國工程科學(xué)，2006，8(10):13－18.

［2］陳昌亞.火星探測技術(shù)的發(fā)展［J］.科學(xué)，2009，61(5):16－19.

［3］孫雯君，馮焱，馬奔，等.小型電容薄膜真空規(guī)的設(shè)計［J］.真空與低溫，2012，18(4):232－234.

［4］呂時良，李得天，張滌新，等.金屬膨脹式真空計量標(biāo)準(zhǔn)［J］.真空科學(xué)與技術(shù)，1998，18(4):266－271.