专利名称：空间环境地基模拟多功能装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种空间环境模拟装置，特别是关于一种在地面上模拟空间辐射、微重力、弱磁、昼夜节律和空气颗粒物等多因素协同作用的多功能装置。
背景技术：
随着人类对外太空的探索不断深入以及对新能源与新材料的渴求不断升级，开发和利用空间资源已经成为当前各科技大国竞争的重要领域之一。我国的空间科学研究发展也十分迅速，自“神舟5号”飞船成功实现载人航天之后，登月工程、空间站计划、火星探测等深空探索计划正稳步推进，未来太空飞行会更加频繁，太空滞留时间会更长。然而复杂恶劣的空间环境对航天员生命健康的威胁，势必成为制约人类向太空探索的重要因素。人类探索太空，面临空间高能辐射、微重力、弱磁等多重威胁，因此目前载人航天计划需要开展空间环境对航天员生理医学功能影响机理的相关研究，确保航天员健康、安全、有效地工 作。影响航天员生命健康的空间环境因素主要有空间辐射、微重力、弱磁、昼夜节律、噪音，以及密闭空间的超细颗粒物和微量毒性气体等。为了确保载人航天任务向更长时间空间停留和向更深空间推进的顺利实施，突破天基实验平台机会少、代价高、重复性低的限制，尽可能真实地模拟空间环境的地基平台是不可或缺的。目前世界各国开展的空间环境地基模拟研究仍然停留在单因素效应机理研究方面，微重力与辐射的复合作用研究还只有零星的报道，多因素复合作用还未见报道。因此，研发模拟空间辐射、微重力、弱磁、昼夜节律、空气颗粒物复合作用装置，用于研究不同能量、不同种类辐射的生物学效应，以及辐射与微重力、磁效应等多种空间环境因素的协同效应，实现空间环境因素的仿真模拟，不仅为准确评估空间复杂多因素环境对航天员生命健康的威胁提供科学的依据，而且也能为防护措施的开发提供坚实的理论基础和技术支持，这对促进我国的空间辐射生物学基础研究和空间探索活动具有非常重要的科学意义。
发明内容
因此，为弥补现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种空间环境地基模拟多功能装置，该装置用以模拟空间辐射、微重力、弱磁、昼夜节律和空气颗粒物等多因素环境，研究不同能量、不同种类辐射的生物学效应，以及辐射与微重力、磁效应等多种空间环境因素的协同效应，实现空间环境因素的仿真模拟。为实现上述目的，本发明采取的技术方案为一种空间环境地基模拟多功能装置，其主要特点在于包括基座，磁控系统固定于基座上，样品台穿越在磁控系统中，台上放置有微重力模拟装置和/或样品瓶，恒温恒湿光照箱罩设在基座上部，将磁控系统、微重力模拟装置和/或样品瓶封闭在内，在恒温恒湿光照箱外部设置有辐照系统。所述磁控系统，是由三组相互垂直的亥姆霍兹线圈彼此套设组成，所述每一组线圈中包含有两个半径、匝数相同，平行且共轴，间距等于半径的线圈。所述线圈采用坡莫合金线圈，或镍铁高导磁合金线圈，或其他材料的线圈。
所述样品台为自动样品台，设置在样品台底座上，在样品台底部固定移动部件，所述移动部件连接在螺旋杆上，螺旋杆由伺服电机驱动。所述样品台上设置有凹槽，凹槽内放置微重力模拟装置和/或样品瓶。所述样品瓶内装有用于辐照的细胞样品，细胞贴壁于样品瓶上，用来研究重离子辐照细胞实验。所述微重力模拟装置，包括密闭的玻璃外壳，在顶部设置有窗户，底部开设有通气孔，在外壳的内顶部设置有悬杆，悬杆上设有滑轮，滑轮上栓有链绳，在外壳的内底部放置有水瓶和饲料槽；实验时装置里面放有实验动物，顶部窗户开启时只进行尾吊微重力实验，窗户关闭且向内部通入有颗粒物气体时，同时进行微重力和颗粒物气体双效应实验。所述恒温恒湿光照箱内部，设置有控温控湿系统和日光灯，所述日光灯电源由延时器控制，每过一定时间开关一次，模拟昼夜节律，光照时间与太空中空间舱的昼夜节律时间相同。·所述恒温恒湿光照箱是由钢和有机玻璃制成。本发明由于采取以上的技术方案，具有的有益效果是1、本发明是在地面上模拟空间辐射、微重力、弱磁、昼夜节律、空气颗粒物复合作用的多因素环境的多功能装置。该装置包括有磁控系统，由亥姆霍兹线圈构成，可以模拟弱磁或零磁环境；该装置还包括有微重力模拟装置，采用尾吊法模拟失重，在微重力模拟装置中还可以通入颗粒物气体，模拟太空中密闭空间舱中的气体环境；该装置还包括有辐照系统，通过空调控制模拟温度、湿度环境，通过灯光模拟昼夜节律，实现空间高能粒子辐射的生物学效应。对于研究不同能量、不同种类粒子的辐射生物学效应以及粒子与微重力和磁效应等多种空间环境因素的协同效应，具有仿真模拟效果。2、该装置还包括有全自动样品台，能够自动控制样品辐照时间和辐照剂量。3、各种模拟单元，既可以单独使用，实现单因素环境的特定实验；也可以自由组合，实现多因素环境的综合模拟实验。
图I为本发明实施例的装置立体示意图；图2为磁控系统示意图；图3为全自动样品台和控制系统示意图；图4为全自动样品台移动示意图；图5为尾吊微重力效应模拟装置示意图。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明的原理和技术特征进行描述，所举实例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明的保护范围。见图1，一种空间环境地基模拟多功能装置，包括有基座1，基座I为封闭的框架，使磁控系统2固连于基座I上；样品台底座3，穿越过磁控系统2 ;在样品台底座3上放置有样品台4，使样品台4位于磁控系统2的磁场空间内；在样品台4上放置有微重力模拟装置5和/或样品瓶6 ;恒温恒湿光照箱7，罩设在基座I上部，将磁控系统2、微重力模拟装置5和/或样品瓶6封闭在内。
见图2，本装置的磁控系统2，是由三组互为垂直的亥姆霍兹线圈相互套设组成，即其中一组线圈21垂直于X轴,一组线圈22垂直于Y轴，一组线圈23垂直于Z轴。亥姆霍兹线圈是包含有两个半径、匝数相同，平行且共轴，间距等于半径的线圈，亥姆霍兹线圈的作用机理是 如果将一组平行相同的载流线圈通以电流，当这两个载流线圈间距等于线圈半径时，两个线圈的总磁场在轴的中点附近的较大范围内是均匀的，用它可以产生极微弱的磁场直至数百高斯的磁场。当两个线圈通以同向电流时，磁场叠加增强，并在一定区域形成近似均匀的磁场；通以反向电流时，则叠加使磁场减弱，以至出现磁场为零的区域，可用于地球磁场的抵消补偿、检测永磁体特性等。本装置采用此种形式的线圈，就是可以使三组相互垂直的线圈在同时通入电流时产生的磁场抵消地球磁场，或实现对该装置内部范围的恒定磁场调节。上述的线圈可以采用坡莫合金线圈，或镍铁高导磁合金线圈，也可以是其他材料的导电线圈。样品台底座3上设置的样品台4，可以是自动样品台，通过伺服电机驱动，使样品台4沿样品台底座3的平面移动。具体实现是见图3，在样品台4的底部固定一移动部件41，所述移动部件连接在一螺旋杆42上，螺旋杆42连接在伺服电机43的输出轴上，伺服电机43固定在样品台底座3上，并由控制系统44通过电线控制连接。伺服电机43移动平台已属于成熟技术，任何可进行平面移动的机构都可以实现，这里不做过多赘述。在自动样品台上放置的微重力模拟装置5和/或样品瓶6，可通过在台面上抠出的凹槽实现固定，随着自动样品台的移动，见图4，微重力模拟装置5和/或样品瓶6随之移动到辐照区内(辐照区是一个可调的较小区域，由装置外部的辐照系统提供辐照光源)。本装置中的微重力模拟装置5，可以采用尾吊微重力法模拟失重。如图4所示，它是一个尾吊鼠笼，包括一由非磁性金属做框架，由玻璃做密封的密闭性外壳51,只在顶部设置有窗户，底部开设有通气孔(不用时用密封塞堵住)。在外壳的内顶部搭设一悬杆52，悬杆上设一滑轮53，滑轮53上栓有链绳54，链绳54用以拴住实验小鼠的尾巴。在笼子的底部放置有水瓶和饲料槽等。顶部的窗户用以放入小鼠及喂食，底部的通气孔用以通入气体；顶部窗户开启时只进行普通的尾吊微重力实验，关闭窗户并通气时可以在笼内同时进行微重力和颗粒物双效应实验。样品瓶6中装的是用于辐照的细胞样品，细胞贴壁于样品瓶上，用来研究重离子辐照细胞实验。恒温恒湿光照箱7是一钢质的密闭性罩子，在一面开有窗户，由有机玻璃密封。在罩子中，除了放置磁控系统2用以模拟磁场，放置微重力模拟装置5用以模拟微重力和颗粒物空气效应，放置样品瓶6进行重离子辐照细胞实验外，还安装有空调系统、日光灯，空调系统可以控温控湿，日光灯电源由延时器控制，每过一定时间开关一次，这样形成一个可以模拟昼夜节律和空气颗粒物复合作用的装置。由上可知，本装置用亥姆霍兹线圈构成磁控系统，模拟太空中弱磁或零磁环境；用尾吊微重力模拟装置模拟微重力和颗粒物气体效应；用恒温恒湿光照箱构成辐照系统，模拟昼夜节律、空间高能辐射生物学效应。这几种模拟效应既可以同时进行，也可以单独进行。下面以一实施例来说明本装置的工作机理
用胶布条将小鼠尾巴和链绳粘在一起，放入微重力模拟装置5中，调节水平悬杆的高度，使小鼠的后爪在伸直时刚好不能触及壳体的底层，从而使动物始终保持呈头低位约30°，小鼠借前肢在壳体内自由活动，这样小鼠处于微重力状态。将顶部窗户关上，使装置密封，将含有颗粒物的气体从壳体底部通入，颗粒物气体均匀充满壳体后从顶部溢出，小鼠吸入颗粒物，这 样可以在笼内同时进行微重力和颗粒物双效应实验。磁控系统2打开，调节通入电流大小，使产生的磁场能够抵消地球磁场，当通入电流为某一特定值时，在磁控系统中央部分(即微重力装置所在的空间)磁场为零。恒温恒湿光照箱7开启，罩子内部的空调系统将温度和湿度维持在某一恒定水平，日光灯电源由延时器控制，每过3小时开关一次，在罩子内部形成昼夜节律。自动样品台4将微重力模拟装置5平移到重离子辐照范围内，小鼠开始受到重离子辐照，辐照系统记录小鼠的辐照剂量(辐照系统是一套庞大复杂的重离子科研装置，有专门的电脑和控制软件，与控制系统44连接)，当辐照剂量达到设定值时，辐照源停止，自动样品台4将微重力模拟装置5平移出辐照区。这样，该装置完成了在地面上模拟空间辐射、微重力、弱磁、昼夜节律和空气颗粒物等多因素协同作用的整个流程。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种空间环境地基模拟多功能装置，其特征在于包括基座，磁控系统固定于基座上，样品台穿越在磁控系统中，台上放置有微重力模拟装置和/或样品瓶，恒温恒湿光照箱罩设在基座上部，将磁控系统、微重力模拟装置和/或样品瓶封闭在内，在恒温恒湿光照箱外部设置有辐照系统。
2.如权利要求I所述的空间环境地基模拟多功能装置，其特征在于所述磁控系统，是由三组相互垂直的亥姆霍兹线圈彼此套设组成，所述每一组线圈中包含有两个半径、匝数相同，平行且共轴，间距等于半径的线圈。
3.如权利要求I或2所述的空间环境地基模拟多功能装置，其特征在于所述线圈采用坡莫合金线圈，或镍铁高导磁合金线圈，或其他材料的线圈。
4.如权利要求I所述的空间环境地基模拟多功能装置，其特征在于所述样品台为自动样品台，设置在样品台底座上，在样品台底部固定移动部件，所述移动部件连接在螺旋杆上，螺旋杆由伺服电机驱动。
5.如权利要求I或4所述的空间环境地基模拟多功能装置，其特征在于所述样品台上设置有凹槽，凹槽内放置微重力模拟装置和/或样品瓶。
6.如权利要求I所述的空间环境地基模拟多功能装置，其特征在于所述样品瓶内装有用于辐照的细胞样品，细胞贴壁于样品瓶上，用来研究重离子辐照细胞实验。
7.如权利要求I所述的空间环境地基模拟多功能装置，其特征在于所述微重力模拟装置，包括密闭的玻璃外壳，在顶部设置有窗户，底部开设有通气孔，在外壳的内顶部设置有悬杆，悬杆上设有滑轮，滑轮上栓有链绳，在外壳的内底部放置有水瓶和饲料槽；实验时装置里面放有实验动物，顶部窗户开启时只进行尾吊微重力实验，窗户关闭且向内部通入有颗粒物气体时，同时进行微重力和颗粒物气体双效应实验。
8.如权利要求I所述的空间环境地基模拟多功能装置，其特征在于所述恒温恒湿光照箱内部，设置有控温控湿系统和日光灯，所述日光灯电源由延时器控制，每过一定时间开关一次，模拟昼夜节律。
9.如权利要求I或8所述的空间环境地基模拟多功能装置，其特征在于所述恒温恒湿光照箱是由钢制成。
全文摘要
本发明公开一种空间环境地基模拟多功能装置，包括基座，磁控系统固定于基座上，样品台穿越在磁控系统中，台上放置有微重力模拟装置和/或样品瓶，恒温恒湿光照箱罩设在基座上部，将磁控系统、微重力模拟装置和/或样品瓶封闭在内，在恒温恒湿光照箱外部设置有辐照系统。所述磁控系统，是由三组相互垂直的亥姆霍兹线圈彼此套设组成。所述微重力模拟装置采用尾吊装置。所述恒温恒湿光照箱里部设置有控温控湿系统和日光灯。本发明在地面上模拟空间辐射、微重力、弱磁、昼夜节律、空气颗粒物复合作用，对于研究不同能量、不同种类粒子的辐射生物学效应以及粒子与微重力和磁效应等多种空间环境因素的协同效应，具有仿真模拟效果。
文档编号C12M1/42GK102895032SQ20121036652
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者周光明, 王菊芳, 徐丹, 李贺 申请人:中国科学院近代物理研究所