空間小型磁偏轉質(zhì)譜計的研制

　　隨著(zhù)我國空間探測的不斷發(fā)展和精細化研究，質(zhì)譜計在航天活動(dòng)中起著(zhù)越來(lái)越重要的作用，但空間用質(zhì)譜計很難從國外進(jìn)口，為了解決我國空間探測的急需，我們研制了完全自主知識產(chǎn)權的空間小型磁偏轉質(zhì)譜計，2012 年11 月在我國新技術(shù)試驗衛星上實(shí)現了成功搭載，已經(jīng)過(guò)近兩年時(shí)間的空間測試，探測出了地球衛星軌道上的氣體成分以及衛星放出的氣體成分，空間小型磁偏轉質(zhì)譜計的研制成功將為后續質(zhì)譜計在空間的廣泛應用打下堅實(shí)的基礎�？臻g小型磁偏轉質(zhì)譜計由物理部分、電控單元、高壓電源三部分組成，體積170 mm × 165 mm × 165 mm，質(zhì)量4. 5 kg，功耗18 W，質(zhì)量數范圍：1 ～90u，最小可檢離子流10^-13A。

　　空間質(zhì)譜計在航天活動(dòng)中起著(zhù)重要的作用，可用于月球、火星、金星等星球表面氣體成分的探測，以及星球土壤可揮發(fā)性氣體成分分析，以便更好地探測和利用空間資源；可用于載人飛船座艙、空間站、宇航服內氣體環(huán)境中氣體濃度以及對微量有害氣體進(jìn)行監測，保障航天員的生命安全；質(zhì)譜計也可用于航天器自身對空間環(huán)境帶來(lái)污染物成分、濃度和分布探測，準確探測污染源。國際上根據空間探測任務(wù)和環(huán)境的不同使用質(zhì)譜計的類(lèi)型也不同，在空間探測中使用過(guò)的質(zhì)譜計有磁偏轉質(zhì)譜計、四極質(zhì)譜計、離子阱質(zhì)譜計、射頻質(zhì)譜計、飛行時(shí)間質(zhì)譜計等。磁偏轉質(zhì)譜計雖然是一種傳統質(zhì)譜計，但其相對于其它質(zhì)譜計而言有不可替代的優(yōu)勢，其優(yōu)勢主要有以下幾點(diǎn)：①設計簡(jiǎn)單；②穩定性好；③質(zhì)量分辨率好、④豐度靈敏度高、⑤對系統和其它儀器設備的電磁干擾性最小，所以是一種適合定量分析的質(zhì)譜計。

　　人類(lèi)在上世紀70 年代第一次探測月球高潮時(shí)期，美國先后在“阿波羅”15、16 號宇宙飛船上搭載磁偏轉型質(zhì)譜計，探測了月球軌道空間環(huán)境的氣體成分，“阿波羅”17 號宇宙飛船上搭載的磁偏轉質(zhì)譜計探測了月球軌道空間及月表的氣體成分，從探測結果得出月球表面包含氦氣、氬氣等稀薄氣體。近幾年國際上又掀起了探月第二次浪潮，這次探月的主要目的是開(kāi)發(fā)和利用月球資源，印度發(fā)射的“月船1 號”撞擊器上搭載了一臺四極質(zhì)譜計測量了撞擊過(guò)程中月球大氣成分的變化情況。美國重返月球計劃中，準備發(fā)射探月機器人并搭載一臺磁偏轉質(zhì)譜計實(shí)地探測月球南極土壤是否有水冰存在，以及冰的分布情況。2013 年9 月6 日，美國NASA 發(fā)射了月球大氣與塵埃環(huán)境探索航天器，搭載了一臺質(zhì)譜計探測月球表面稀薄的大氣層及月球塵埃。2003年英國發(fā)射了小獵犬-2火星著(zhù)陸器，其上搭載了一臺小型磁偏轉質(zhì)譜計用于在線(xiàn)分析火星巖石、土壤和大氣樣品，以探尋火星生命的起源。2007 年，美國成功發(fā)射“鳳凰”號火星探測器，其上搭載了一臺小型磁偏轉質(zhì)譜計成功在線(xiàn)探測了火星土壤和大氣樣品，2008 年7 月30 日探測出火星上水冰的存在。

　　我國正在進(jìn)行的探月工程，其中一個(gè)重要的科學(xué)目標就是定量分析月球土壤中可揮發(fā)性氣體成分( 特別是同位素³He/⁴He 的分析) ，以及月球表面大氣氣體成分。我國即將開(kāi)展的火星探測工程也需要探測火星大氣成分以及火星土壤可揮發(fā)性氣體成分，以探尋火星資源。我國正在逐步建立中國的空間站，質(zhì)譜計在空間站上是一個(gè)不可或缺的有效載荷。我們國內還沒(méi)有成熟的小型磁偏轉質(zhì)譜計產(chǎn)品，所以我們針對我國航天發(fā)展的需求研制了完全自主產(chǎn)權的定量分析性好、穩定性高的空間小型磁偏轉質(zhì)譜計，希望在我國的重大航天工程中得到應用，空間小型磁偏轉質(zhì)譜計已在繞地球衛星上成功搭載飛行，探測出了地球衛星軌道上的氣體成分以及空間帶電離子成分。這將為我國深空探測、載人航天事業(yè)中質(zhì)譜分析奠定了基礎。

1、空間小型磁偏轉質(zhì)譜計工作原理及組成

　　空間小型磁偏轉質(zhì)譜計由物理部分、電控單元和高壓電源組成。其中物理部分主要由離子源、磁分析器、離子接收器等組成；電控單元由離子流檢測、處理和存儲單元，掃描電壓控制、燈絲電流控制、以及倍增器高壓控制單元，通過(guò)總線(xiàn)與星務(wù)計算機的通信單元組成；高壓電源由離子源和倍增器高壓供電，燈絲供電電源組成；小型磁偏轉質(zhì)譜計組成框圖及各部分關(guān)系圖如圖1 所示，實(shí)物圖如圖2 所示。

圖1 小型磁偏轉質(zhì)譜計的組成框圖及各部分關(guān)系圖

圖2 小型磁偏轉質(zhì)譜計實(shí)物圖

　　小型磁偏轉質(zhì)譜計是一種可實(shí)現氣體成分定量分析的質(zhì)譜分析儀器，對衛星飛行軌道上的氣體進(jìn)行采集，氣體進(jìn)入離子源之后，離子源燈絲發(fā)射的電子使氣體分子電離，產(chǎn)生帶正電的離子，帶電離子經(jīng)加速聚焦后引入磁分析器，不同質(zhì)荷比的帶電離子在磁場(chǎng)的作用下偏轉半徑不同，在某一加速電壓下只有一種離子到達檢測器，離子檢測器檢測出不同加速電壓下離子流的強度，從而得出待測氣體的成分。我們研制的空間小型磁偏轉質(zhì)譜計為雙通道模式，一個(gè)通道測量范圍為1 ～12 u，另一個(gè)通道測量范圍為6 ～90 u，其工作原理如圖3 所示。

圖3 雙聚焦磁偏轉質(zhì)譜計工作原理圖

5、小結

　　小型磁偏轉質(zhì)譜計經(jīng)歷3 年多實(shí)現了從原理樣機、驗證件產(chǎn)品以及正樣產(chǎn)品的研制工作，并于2012 年年底在實(shí)驗衛星上實(shí)現了搭載飛行，迄今為止已實(shí)現在空飛行測試近兩年。研制的小型磁偏轉質(zhì)譜計體積170 mm × 165 mm × 165 mm，質(zhì)量4. 5kg，功耗18 W，質(zhì)量數范圍：1 ～ 90 u，最小可檢離子流10^-13 A�，F已測試出了空間環(huán)境的氣體成分以及衛星材料放出的氣體成分，后續還將測試出衛星軌道不同高度、不同緯度的氣體成分，測試結果將在后續的文章中描述。小型磁偏轉質(zhì)譜計研制搭載成功之后，在我國將廣泛應用到空間站載人飛船、以及月球、火星等深空探測之中。