真空环境测试仪器的制作方法

本发明涉及实验设备技术领域，具体而言，涉及一种真空环境测试仪器。

背景技术：

20世纪人类在航空航天领域已取得了辉煌成就，进入21世纪航空航天事业蓬勃发展，将开展更多的高水平的航空航天活动。目前人类正研制各种航天探测器来探索太阳系其他星球、甚至外太空。航空航天技术是一个国家综合实力的综合体现，其作用将远远超出科学技术领域本身，对政治、经济、军事以至人类社会生活都会产生更广泛和更深远的影响。航空航天技术与航空航天材料技术的发展和突破密不可分，其中关键材料之一就是绝缘材料。

航空航天设备工作在极端恶劣的环境条件下，绝缘材料的电气性能优劣直接影响着航空航天设备运行的稳定性和安全性。极端恶劣环境条件包括如下几方面：一是极低温及大温差。航天器在发射过程中会承受很大的温度变化，在地球轨道长期运行期间，暴露在背景温度为3k的环境中，其表面温度变化因运行轨道不同在113k到393k之间快速变化。温度是影响绝缘材料性能的重要因素之一，极端的温度一方面会对材料产生内应力影响，热应力的贮存可能引起材料的形变，甚至通过材料开裂的形式释放；另一方面，绝缘材料的许多电气参数也对温度的变化十分敏感，特别是不同温度环境下的空间电荷特性以及介电损耗特性等，从而影响到材料的宏观电性能。低温环境常常也伴随高真空环境，真空环境下绝缘材料表面极度干燥，容易形成电荷陷阱。二是外太空基本属于真空环境。真空环境中绝缘材料内部小分子物质不断抽出，会对材料的电阻率以及空间电荷特性造成很大影响。三是外太空各种高能带电粒子辐照，该种高能粒子会将电荷不断注入到材料表面，使材料内积聚电荷从而在材料两段产生电位差，最终导致材料发生击穿或者闪络，直接影响着航天器的安全与寿命。

因此，模拟外太空极端恶劣的实验环境对于绝缘材料的测试有着积极的意义。而现有的模拟外太空的试验箱，无法满足在真空环境中温度变化的要求，同时受制于制冷方式，其温度下限较高，均大于200k。另外，现有的试验箱，也无法同时满足真空、高低温循环、电子束或x射线照射以及表面电荷测试联合实验。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种真空环境测试仪器，以解决现有技术中真空环境测试仪器无法较为真实的模拟外太空极端恶劣的实验环境的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种真空环境测试仪器，包括：真空密封室，所述真空密封室内具有实验空间；实验装置，设置在所述真空密封室内，用于对待测试元件进行测试；实验平台，设置在所述真空密封室内，用于放置所述待测试元件；加热组件，设置在所述实验平台上，用于对所述待测试元件进行加热；降温组件，设置在所述实验平台上，用于对所述待测试元件进行降温，所述降温组件包括液氮冷箱、液氮输入管路和氮气输出管路，所述液氮冷箱内形成有液氮挥发空间，所述液氮输入管路和所述氮气输出管路与所述液氮冷箱相连接，所述液氮输入管路用于向所述液氮挥发空间内通入液氮，所述氮气输出管路用于从所述液氮挥发空间内引出挥发后的氮气，所述液氮冷箱用于对所述测试元件降温。

进一步地，所述降温组件还包括：液氮杜瓦，与所述液氮输入管路连接，所述液氮杜瓦内储存有液氮；机械泵，与所述液氮杜瓦连接，所述机械泵用于将所述液氮杜瓦中的液氮输送给所述液氮输入管路。

进一步地，所述真空环境测试仪器还包括真空发生装置，所述真空发生装置与所述真空密封室连接，用于对所述实验空间抽真空。

进一步地，所述真空发生装置包括：分子泵，与所述真空密封室相连；真空泵，通过所述分子泵与所述真空泵相连。

进一步地，所述实验装置包括：探头安装支架，设置在所述实验空间内；探头，安装在所述探头安装支架上，所述探头可在所述探头安装支架上活动。

进一步地，所述探头安装支架包括：水平支架，沿水平方向设置在所述实验空间内；竖直支架，沿水平方向可移动地安装在所述水平支架上，所述探头沿竖直方向可移动地安装在所述竖直支架上。

进一步地，所述探头安装支架还包括：转动支架，沿水平方向设置在所述实验空间内，所述水平支架沿水平面可转动地设置在所述转动支架上。

进一步地，所述转动支架为圆形，所述水平支架的两端可滑动地设置在所述转动支架上，并且所述水平支架可以沿所述转动支架的圆心转动。

进一步地，所述真空密封室包括圆筒形的密封室体和盖设在所述密封室体上的半球形的盖体，所述转动支架安装在所述密封室体上。

进一步地，所述真空环境测试仪器还包括真空检测装置，所述真空检测装置设置在所述真空密封室上，用于检测所述实验空间内的气压。

进一步地，所述真空检测装置包括：电离规检测单元，设置在所述真空密封室上，用于检测1pa以下的气压；电阻规检测单元，设置在所述真空密封室上，用于检测1pa以上的气压。

进一步地，所述实验装置还包括：通电装置，设置在所述实验平台上，用于对所述待测试元件进行通电。

进一步地，所述通电装置包括通电支架和可移动地安装在所述通电支架上的两个电极，所述两个电极之间间距可调节地设置。

进一步地，所述实验装置还包括电子枪，所述电子枪设置在所述实验空间内，用于对所述待测试元件进行电离辐射。

应用本发明的技术方案，通过液氮输入管路向液氮冷箱中通入液氮，借由液氮的低温来通过液氮冷箱对待测试元件进行降温，之后再将液氮挥发后的氮气通过氮气输出管路引出液氮冷箱。采用该技术方案，通过利用液氮的低温的特性，可以快速将待测试元件的温度降低至接近78k。在降温之后可以停止对液氮冷箱通入液氮，再打开加热组件对待测试元件进行加热，以快速升高待测试元件的温度。这样，就能更为真实的模拟出外太空极端恶劣的温度变化条件，以对待测试元件进行更为全面的测试。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的真空环境测试仪器的实施例的整体结构示意图；

图2示出了图1的真空环境测试仪器的探头安装支架的俯视示意图；

图3示出了图2的探头安装支架的主视示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、真空密封室；11、密封室体；111、观察窗；12、盖体；121、通光孔；20、实验装置；21、探头；22、水平支架；23、竖直支架；24、转动支架；25、通电支架；26、电极；261、高压套管；262、接地线引入接口；27、电子枪；28、航空插头；30、实验平台；40、加热组件；50、降温组件；51、液氮冷箱；52、液氮输入管路；53、氮气输出管路；54、液氮杜瓦；55、机械泵；60、真空发生装置；61、分子泵；62、真空泵；71、电离规检测单元；72、电阻规检测单元。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

图1示出了本发明的真空环境测试仪器的实施例，该真空环境测试仪器包括真空密封室10、实验装置、实验平台30、加热组件40以及降温组件。真空密封室10内具有实验空间，实验装置和实验平台30设置在真空密封室10内，实验装置用于对待测试元件进行测试，实验平台30用于放置待测试元件。加热组件40和降温组件设置在实验平台30上，加热组件40用于对待测试元件进行加热，降温组件用于对待测试元件进行降温。降温组件包括液氮冷箱51、液氮输入管路52和氮气输出管路53，液氮冷箱51内形成有液氮挥发空间。液氮输入管路52和氮气输出管路53与液氮冷箱51相连接，液氮输入管路52用于向液氮挥发空间内通入液氮，氮气输出管路53用于从液氮挥发空间内引出挥发后的氮气，液氮冷箱51用于对测试元件降温。

应用本发明的技术方案，通过液氮输入管路52向液氮冷箱51中通入液氮，借由液氮的低温来通过液氮冷箱51对待测试元件进行降温，之后再将液氮挥发后的氮气通过氮气输出管路53引出液氮冷箱51。采用该技术方案，通过利用液氮的低温的特性，可以快速将待测试元件的温度降低至接近78k。在降温之后可以停止对液氮冷箱51通入液氮，再打开加热组件40对待测试元件进行加热，以快速升高待测试元件的温度。这样，就能更为真实的模拟出外太空极端恶劣的温度变化条件，以对待测试元件进行更为全面的测试。

可选的，在本实施例的技术方案中，加热组件40为加热板。更为优选的，让加热组件40和降温组件都以接触热传导的方式来对待测试元件进行温度调节，可以实现待测试元件在78k-573k之间连续快速可调，其温度变化速率最大值为100k/min。

如图1所示，作为一种可选的实施方式，降温组件还包括液氮杜瓦54和机械泵55，液氮杜瓦54与液氮输入管路52连接，机械泵55与液氮杜瓦54连接。液氮杜瓦54内储存有液氮，使用时通过机械泵55将液氮杜瓦54中的液氮输送给液氮输入管路52。更为优选的，在液氮输入管路52和氮气输出管路53上均设置有阀门，通过液氮输入管路52上的阀门可以控制液氮的输入，通过氮气输出管路53上的阀门可以控制氮气的输出。在使用时，通过机械泵55向液氮杜瓦54内鼓气，利用连通器原理将杜瓦内的液氮输送入液氮冷箱51中，通过液氮输入管路52上的阀门和氮气输出管路53上的阀门控制液氮流速，以实现降温速率的控制。

具体的，在进行温度控制时：

1、当预设程序进入降温步骤时，加热组件40停止工作，开启液氮输入管路52上的阀门，控制机械泵55向液氮杜瓦54内鼓气，使得液氮杜瓦54内的液氮压入液氮冷箱51中，当液氮进入液氮冷箱51预热后挥发，通过氮气输出管路53上的阀门将气态氮气排出。

2、当到达预设温度后机械泵55停止鼓气同时关闭氮气输出管路53上的阀门，预设程序进入保持低温步骤。仅当回温超过预设范围时，机械泵55启动，液氮输入管路52上的阀门打开，向液氮冷箱51内补充液氮。

3、进入升温步骤时，加热组件40通电工作，液氮输入管路52上的阀门关闭，氮气输出管路53上的阀门开启，使得挥发液氮可以排出，升温速率通过温度控制器调节加热组件40温度，实现自控线性升温。

4、进入高温保持步骤时，加热组件40功率降低，使得试样温度维持在一定范围。

在本实施例的技术方案中，如图1所示，真空环境测试仪器还包括真空发生装置60，真空发生装置60与真空密封室10连接，用于对实验空间抽真空。通过真空发生装置60对真空密封室10内抽真空，可以保证实验空间内的真空度，进而更为真实的模拟出外太空极端恶劣的实验环境。作为一种优选的实施方式，真空发生装置60包括分子泵61和真空泵62，分子泵61与真空密封室10相连，真空泵62通过分子泵61与真空泵62相连。在使用时，通过真空泵62将腔体内气压将至10pa之下，之后开启分子泵61将腔体气压降至10^-3pa以下。若预设气体环境为真空时，保持分子泵运转即可。若预设气体环境为空气或氮气时，关闭分子泵，打开充气阀门向实验空间内充气，待到达预设气压后关闭阀门。通过上述的真空发生装置60，可以将实验空间内的真空度维持在10^-3pa以下，以模拟出极端恶劣的外太空环境。

优选的，在本实施例的技术方案中，真空环境测试仪器还包括真空检测装置，真空检测装置设置在真空密封室10上。通过真空检测装置检测实验空间内的气压，可以确保实验空间内的气压维持在预定值，如果检测到的气压值与预定值有差异，可以再通过真空发生装置60来对气压进行调节。如图1所示，在本实施例的技术方案中，真空检测装置包括电离规检测单元71和电阻规检测单元72，电离规检测单元71设置在真空密封室10上，电阻规检测单元72设置在真空密封室10上。电离规检测单元71用于检测1pa以下的气压，电阻规检测单元72用于检测1pa以上的气压。这样，可以更有针对性地检测真空密封室10内的气压，以提高检测的精度。

如图1所示，在本实施例的技术方案中，实验装置包括探头安装支架和探头21，探头安装支架设置在实验空间内，探头21安装在探头安装支架上，探头21可在探头安装支架上活动。使用时，在探头安装支架上移动探头21，可以让探头21对待测试元件的不同部位进行检测。如图3所示，在本实施例的技术方案中，探头安装支架包括水平支架22和竖直支架23，水平支架22沿水平方向设置在实验空间内，竖直支架23沿水平方向可移动地安装在水平支架22上，探头21沿竖直方向可移动地安装在竖直支架23上。在使用时，通过在水平支架22上移动竖直支架23，可以调整探头21在水平方向上的位置，通过在竖直支架23上移动探头21，可以调整探头21在竖直方向上的位置。更为优选的，如图1所示，本实施例的探头安装支架还包括转动支架24，转动支架24沿水平方向设置在实验空间内，水平支架22沿水平面可转动地设置在转动支架24上。使用时，通过转动支架24、水平支架22和竖直支架23的配合，可以实现探头21在实验空间内的三维位置可调。如图2所示，在本实施例的技术方案中，转动支架24为圆形，水平支架22的两端可滑动地设置在转动支架24上，并且水平支架22可以沿转动支架24的圆心转动。通过在探头安装支架上安装驱动装置，可以驱动水平支架22、竖直支架23和探头21的移动。可选的，驱动装置为可以选择电机配合丝杠螺母机构或者齿轮齿条机构来实现上述部件的运动。

在本实施例的技术方案中，述真空密封室10包括圆筒形的密封室体11和盖设在密封室体11上的半球形的盖体12，转动支架24安装在密封室体11上。可选的，在密封室体11上设置有观察窗111，通过观察窗111可以观察实验空间内的实验进展。更为优选的，在盖体12的上设置有通光孔121，并在通光孔121上安装蓝宝石玻璃来密封，以对实验空间内通光，以提供观察的光线。另外，也可以通过该通光孔121向实验空间进行x射线、电子束和紫外线辐照。

如图1所示，本实施例的实验装置还包括通电装置，通电装置设置在实验平台30上，用于对待测试元件进行通电。通过通电装置对待测试元件进行通电，可以配合探头21对待测试元件进行表面电荷测试。作为一种优选的实施方式，在本实施例中，通电装置包括通电支架25和可移动地安装在通电支架25上的两个电极26，两个电极26之间间距可调节地设置。使用时，通过调整两个电极26之间间距，可以对待测试元件进行固定。优选的，电极26为黄铜电极。如图1所示，在本实施例的技术方案中，在真空密封室10上设置有接地线引入接口262和高压套管261。使用时，将待测试元件放入两个黄铜电极之间，并且通过通电支架25将黄铜电极固定。高压电位和地电位分别通过高压套管261和接地线引入接口262与两个黄铜电极连接，从而实现对待测试元件内部电荷注入。

作为一种更为优选的实施方式，如图1所示，本实施例的实验装置还包括电子枪27，电子枪27设置在实验空间内，用于对待测试元件进行电离辐射，进而模拟出外太空具有高辐射的环境。可选的，在真空密封室10上还设置有航空插头28，通过航空插头28还可以连接其他的电气设备。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。