基于碳纳米管电子源的高稳定电离真空计的性能研究

文章将碳纳米管电子源应用于高稳定电离真空计,通过结构和电参数优化,研制了样机,并开展了样机计量特性的实验研究,研究结果表明,新型电离规在6.87×10^(-6)Pa~6.45×10^(-5)Pa的压力范围内,灵敏度在0.200 Pa^(-1)~0.245 Pa^(-1)的范围内波动,与仿真灵敏度0.250 Pa^(-1)的偏差最大为20%,灵敏度波动小于5.96%,证明该结构设计合理,有望应用于超高真空校准及精确测量领域。

基于碳纳米管电子源的计量级电离真空计数值模拟研究

通过控制电离区域内的电子轨迹和电子能量,能够使计量级电离真空计实现高稳定的超高真空测量。设计了一种基于碳纳米管(CNT)电子源的计量级电离真空计,构建了物理模型,模拟计算了电子透过率、电子传输效率和灵敏度等关键参数,并分析了不同的电子发射分布、电极电压和制造安装公差对灵敏度稳定性等关键参数的影响。该真空计的理论计算灵敏度为0.2517 Pa^(-1),标准偏差为7.7538×10^(-5)Pa^(-1)。

超高真空计微弱离子流检测技术研究

在超高真空环境下,Bayard-Alpert型电离真空计通过电离气体分子得到的离子流信号十分微弱,且极易受到干扰。介绍了一种用于超高真空测量的微弱信号检测系统,包括测量电路、调零电路与处理模块。该系统采用高精度放大器与高绝缘继电器,可以实现微弱信号的精密放大,满足mA级至亚pA级范围的宽量程电流信号检测;能够自动完成测量档位的切换、系统调零、数据处理与真空全压力值计算,测量下限可达10-13A量级,可用于超高真空计离子流的精确测量,具有良好的线性及稳定性。

真空测试计量技术及其航天应用

真空测试计量技术是确保载人航天、探月工程、北斗导航等重大航天工程顺利实施的重要基础。围绕计量发展和航天发展建设对真空测试计量提出的新任务、新要求,真空测试计量发展在深度、广度及维度上表现出强劲的态势。近年来,围绕国家重大战略需求,瞄准真空测试计量技术核心科学问题,开展了面向航天应用的真空测试计量原始创新研究,实现了由真空中性气体测试计量向空间电推进真空等离子体测试、卫星充放电真空模拟测试、真空环境下空间计量等交叉领域的拓展,并在月球样品采样、飞船交会对接、空间守时原子钟研制、卫星平台升级换代、卫星安全防护等应用中发挥了至关重要的作用。

电压不稳定性对离子阱中离子运动特征的影响

在离子阱共振激发过程中,电压的微小变化可能导致离子的运动特征发生显著改变。本工作基于赝势理论,建立了电压不稳定时3D离子阱中离子运动的理论模型,并以辅助交流电压AC的毛刺和端盖电极施加的直流电压为例,揭示端盖电极上辅助交流电压AC的稳定性对离子阱性能的影响。结果表明,当辅助交流电压存在毛刺时,离子的运动速度和振幅将发生突变,扰乱离子阱内离子的冷却状态,致使部分离子在激发阶段打在阱壁上而无法被检测,从而降低了离子阱质谱仪的灵敏度。同时,该模型表明,对于处于冷却状态的离子,可以通过测量其在脉冲激励作用下的响应来测量离子运动的久期频率。若在端盖电极上施加直流电压,离子运动的平衡位置将发生明显的偏移,通过将离子检测器置于偏移的一侧,可以明显地提高离子的检测效率,从而提高离子阱质谱仪的灵敏度。

真空全压力测量新技术

真空测量是真空科学与技术的重要组成部分,在航空航天、半导体、核工业、加速器、新材料等领域具有重要应用价值。经过几个世纪的发展,从宏观力学效应到量子效应,真空测量原理不断创新发展。从大气压到极高真空范围,不同真空测量仪器分别覆盖了不同量程段的测量要求。较完整地梳理了真空测量原理的发展历程,并依据近年来高端真空装备快速发展对真空全压力测量的新需求,厘清了真空测量仪器逐步向高精度、微型化和智能化发展的趋势,综述了近十余年来真空全压力测量技术与仪器的发展现状,展望了真空全压力测量新技术的未来发展前景。

计量级磁悬浮转子真空计技术研究

磁悬浮转子真空计为国际公认的高真空范围溯源/传递标准,因其优良的计量特性和化学惰性,广泛应用于航空航天、核工业、半导体和高端装备制造等领域。针对高真空范围传递标准国产化需求,开展了永磁偏置转子稳定悬浮、转子轴向位移精确测量、转子转速衰减速率动力学模型构建及高精度检测等关键技术研究,为计量级磁悬浮转子真空计研制、实现高真空范围真空量值溯源/传递国际等效,进而建立我国现代先进的真空计量技术体系奠定基础。

10^(-9)~10^(-1)Pa宽量程电离真空计研制与性能研究

热阴极电离真空计的压力测量范围可覆盖超高真空、高真空和中低真空,该真空计广泛应用于各类真空装备。依据电离真空计工作原理,对电离真空计的本底干扰离子流I_(r)^(+)进行了理论分析,讨论了气体分子热脱附、软X射线效应、ESD效应等多个因素对I_(r)^(+)的影响,优化了规管尺寸和制备工艺,研制了真空规管,将本底干扰降低到2×10^(-9)Pa以下,并研制了配套的电控单元,使微弱离子流测量下限达到0.1 pA量级。该宽量程电离真空计产品的实测范围达到1.26×10^(-9)~6.02×10^(-1)Pa,灵敏度波动小于±11%。

基于碳纳米管阴极的空间低能离子源

空间等离子体环境是空间科学探测的重要目标,空间离子原位测量数据主要应用于星球演变、空间环境等领域,标准离子源对于离子探测仪器具有不可或缺的标定作用。本研究阐述了一种基于碳纳米管阴极的空间低能离子校准源,可对空间低能离子探测仪器提供地面标定。研究结果表明,当碳纳米管阴极的发射电流稳定在约70μA时,可提供约1μA的电子流用于气体电离,产生的Ar^+离子流约为10 pA,对应离子浓度约为200 cm^-3,在95 min的连续工作过程中灵敏度波动小于19%。

热阴极电离规灵敏度的数值模拟研究

本文基于数值模拟和实验方法研究热阴极电离规的计量性能,开展了电极电压和栅网结构对Bayard-Alpert电离规灵敏度的影响研究。研究表明,随着阴极阳极电压差从50 V增加到140 V,灵敏度持续增大,之后缓慢下降,随着栅网丝间距从2 mm增加到3.5 mm和丝径从0.4 mm减小到0.2 mm,灵敏度显著增大。采用正交分析法对电离规的结构和电压参数进行了优化,结果显示,当栅网丝径为0.2 mm,丝间距为3.5 mm,阳极电压为220 V,阴极电压为80 V时,热阴极电离规的灵敏度最大,模拟结果为0.184 Pa-1,根据优化和模拟结果进行了实验验证,实验结果为0.196 Pa-1,实验结果与模拟结果具有一致性。

能量分析器型真空电离规性能研究

电子激励脱附(ESD)效应和软X射线效应是影响电离真空计测量下限的两大重要因素。基于能量分析器研制了电离真空规,在极高真空校准装置上对其开展性能研究,包括不同压力或不同阴极发射电流下的离子流、ESD效应和软X射线影响。结果表明,系统压力介于10^(-8) Pa和10^(-6) Pa之间,当气体发生电离,能量分析器电压在低于阳极电压约25 V时收集极能得到最大的气相离子流。系统压力在10-7~10^(-8) Pa量级,采用2.5 mA的发射电流可得到比1 mA更大的气相离子流值。分离气相离子与ESD离子的能量筒电压差约为30 V,规管栅极除气后可降低ESD效应至除气前的37.5%。电离规的软X射线带来的本底干扰对应等效压力约为9×10^(-11) Pa。

热阴极电离真空计相对灵敏度数值计算与实验研究

电离真空计广泛应用于超高真空测量,是目前唯一实际可行的超高真空测量仪器。针对不同气体环境,真空规管的电离截面不同且对测量灵敏度产生显著影响,本文基于BEB电子碰撞电离截面模型和数值仿真算法,精确计算了真空规管电离区域内不同气体的电离截面,并实测了真空规管灵敏度变化特征。结果表明,在10^(-8)-10^(-5) Pa压力范围内,Kr、Ar、CH_(4)、CO_(2)、He气体在真空规管中的相对灵敏度分布偏差最大仅为4.78%,不同气体的实测相对灵敏度分别为2.01、1.46、1.66、1.45、0.198。数值计算结果与实验结果具有良好一致性。

空间用小型飞行时间质谱计研制及性能评价

质谱计是一种能够精细分析物质成分的科学仪器,在航天活动中起着越来越重要的作用。为了满足空间探测的需求,研制了小型飞行时间质谱计,并对其性能进行了评价。研制的飞行时间质谱计由电子轰击源、垂直引入反射式飞行时间质量分析器和电子学部分组成,体积为300 mm×200 mm×200 mm,质量为13.4 kg,功耗为25 W,分辨率优于359 FWHM,质量数范围为1~502 amu,对C_(4)H_(10)的检测限为1.3×10^(-5)(质量分数)。

Experimental and Numerical Study of an 80-kW Zigzag Printed Circuit Heat Exchanger for Supercritical CO_(2)Brayton Cycle

In this study,an experimental system was built to investigate the global performance of an 80-k W zigzag printed circuit heat exchanger(PCHE).It could meet the requirement of the pre-cooler for the supercritical carbon dioxide(S-CO_(2))Brayton power cycle and the modified effectiveness considering the pinch point is between 61.5%and 79.3%.When the outlet S-CO_(2)temperature is near the pseudo-critical point,the thermo-physical properties have more effects on heat transfer performance compared to flow characteristics.For the local performance,the mass flow rates of both sides have crucial influences on the location where the peak of S-CO_(2)Nusselt number occurs while only the S-CO_(2)flow rate affects the variation of the peak value.In addition,the influence of the radius of curvature on the secondary-flow should not be ignored.In the end,new empirical correlations were proposed considering the drastic variations of the Prandtl number.