空間真空測量技術(shù)研究
空間真空測量技術(shù)研究 王曉霞,張滌新,成永軍,趙瀾,趙光平（ 蘭州物理研究所，甘肅蘭州730000）
摘要：針對國內(nèi)外在空間真空測量方面的研究狀況作了簡要描述，對研制的2 種空間真空規(guī)（轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)和束檢測器方向性真空規(guī)）進行了介紹，并對空間真空測量技術(shù)的后續(xù)研究工作作了展望。
關(guān)鍵詞：空間探測；真空測量；非平衡態(tài)分子流；轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)；
束檢測器方向性真空規(guī)中圖分類號：TB77 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-7086(2006）02-0116-04 RESEARCH AND DEVELOPMENT ON TECHNOLOGY OF ACE VACUUM MEASUREMENT WANG Xiao-xia, ZHANG Di-xin, CHENG Yong-jun, ZHAO Lan, ZHAO Guang-ping （ Lanzhou Ititute of Physics, Lanzhou 730000, China） Atract: The study status of technology of ace vacuum measurement is discribed briefly, and the two ace vacuum gauges, that is the directional gauge with traducer and the directional gauge with stream detector is introduced in detail. Finally, the future studying work of technology of ace vacuum measurement is expected. Key Words: ace exploration；vacuum measurement；non-equilibrium molecular beam；the directional gauge with traducer；the directional gauge with stream detector
1 引言 空間真空測量技術(shù)是與人類探索和開發(fā)宇宙空間的進程緊密相連的。人類從地面出發(fā)，向深度宇空進軍，要經(jīng)歷寬廣的氣體壓力變化，空間科學(xué)研究的對象正是處在這樣的環(huán)境之中。因此，對宇空真空環(huán)境的度量和探測，也就成為空間科學(xué)中的研究內(nèi)容[1]。
在宇宙空間，從航天器飛出的分子無碰撞地沉沒在無限空間之中再不返回，所以宇宙空間是具有無限抽速的“ 分子沉”環(huán)境。在分子沉效應(yīng)的空間真空環(huán)境中，分子運動有非常強的方向性，呈各向異性分布，分子密度也是非均勻分布，建立在氣體分子運動論基礎(chǔ)上的一些平衡態(tài)下的定律和公式已不適用，要運用非平衡態(tài)分子流理論進行研究?！ 》瞧胶鈶B(tài)分子流的研究，具有一定的普遍性，又有很強的目的性。國外在這方面開展了一些理論探討和實驗研究工作[2]。因為被研究對象的特殊性，所以至今尚未建立普遍適用的理論體系和實驗方法，大多數(shù)是結(jié)合具體研究對象開展理論與實驗方面的研究。美國NASA研究了用球形校準(zhǔn)容器作為大型空間模擬容器的原位置校準(zhǔn)的有關(guān)理論問題；英國愛德華公司實測了球形校準(zhǔn)容器中分子流場分布；德國PTB 實測了校準(zhǔn)容器中內(nèi)切球赤道上的分子流場分布；德國宇航院（ DFVLD）研究了大型空間模擬器中的分子流場分布，并實測了航天飛機上空間實驗室附近的分子流場分布；原蘇聯(lián)結(jié)合實際的受控核聚變反應(yīng)裝置研究了“ 復(fù)雜系統(tǒng)中的分子流場”；我國蘭州物理研究所對球形校準(zhǔn)容器中分子流場分布和一些真空部件（ 孔和管道）出口分子流花樣分布進行了實測，都獲得了一些針對性強、有實用價值的研究結(jié)果。方向性真空規(guī)是研究非平衡態(tài)分子流的有力工具。隨著對非平衡態(tài)分子流研究的深入和發(fā)展，尤其是空間科學(xué)的進展，大大地開闊了非平衡態(tài)分子流的研究領(lǐng)域，相繼出現(xiàn)了很多類型的方向性真空規(guī)?？臻g比較常用的2 種方向性真空規(guī)是轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)和束檢測器方向性真空規(guī)。美國、俄羅斯（原蘇聯(lián)）、歐共體等在空間真空測量方面已作了大量的研究工作，先后研制出一系列方向性真空規(guī)用于探測大氣層密度和壓力分布。美國、俄羅斯等國家已研制出專用的方向性真空規(guī)，正在進行金星、火星的大氣環(huán)境的探測；用于水星、木星大氣環(huán)境探測的方向性真空規(guī)正在研制之中[3]。在國內(nèi)，中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心與蘭州物理研究所在從事空間真空測量方面的研究工作。我國在這一領(lǐng)域雖然起步較晚，但成績顯著。中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心已將研制出的空間真空規(guī)用于“ 神舟”號飛船上，對飛船運行軌道高度上空間真空度的變化進行了探測。蘭州物理研究所已研制出了2種空間真空規(guī)樣機，即轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)和雙圓錐束檢測器方向性真空規(guī)。這2 種空間真空規(guī)通過對其性能進行不斷完善，可用于低地球軌道空間環(huán)境的真空度（ 大氣密度）的探測。作者將簡要介紹所研制的這2種空間真空規(guī)。
2 球錐型轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī) 轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)把非平衡態(tài)分子流變成平衡態(tài)分子流，經(jīng)理論運算反推回到非平衡態(tài)，從而得到非平衡態(tài)分子流信息?；诳臻g非平衡態(tài)分子流的理論研究，作者研制了球錐型轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)。球錐型平衡室在平衡室和測量室之間設(shè)計一個錐形障板，使得入射的氣體分子在平衡室經(jīng)過多次碰撞后，從錐底與球面之間的環(huán)形區(qū)域內(nèi)進入到測量室，從而獲得良好的平衡效果[4]，如圖1所示。球錐型平衡室的材料全部采用1Cr18Ni9Ti。擋板和平衡室主體用3個螺栓連接，使得擋板的相對位置可以調(diào)節(jié)。傳感器是測量室中將進入的氣體電離的機構(gòu)，通常使用裸B-A規(guī)或者冷陰極規(guī)，兩者各有優(yōu)缺點。B-A規(guī)結(jié)構(gòu)簡單，無磁場等特殊要求，質(zhì)量輕，測量方便，其規(guī)管性能研究比較成熟。對于地面實驗時，一般的裸B-A 就能夠滿足實驗要求，但在空間測量時，由于空間原子氧容易和熱陰極復(fù)合，使得B-A規(guī)對原子氧有很大的抽速，導(dǎo)致規(guī)中氣體密度和成分發(fā)生變化，影響測量結(jié)果。冷陰極電離規(guī)受化學(xué)活性氣體影響小，在空間使用時，減少了原子氧的影響，但由于其有磁鐵，增大了規(guī)的體積和功率。作者選用復(fù)合B-A規(guī)作為轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)的傳感器。當(dāng)轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)用于空間測量時，其與地面測量有很大的不同，主要是空間原子氧的復(fù)合和空間正離子對測量的影響?！ ∮捎阱F形擋板的存在，通過模擬計算可知，空間氣體粒子（ 包括中性分子、原子氧和正離子等）進入平衡室后，至少和平衡室碰撞一次后飛入測量室，并且大部分粒子都是經(jīng)過多次碰撞后才被電離機構(gòu)電離，這就使得其中的原子氧在碰撞過程中在內(nèi)壁上復(fù)合，減少了原子氧對燈絲的毒化。同樣，錐形擋板的存在免于空間正離子直接飛入測量室。為了更好的減小正離子的影響，可以采用圖2所示的設(shè)計方法。在圖2中，給錐形擋板接+20 V 電壓，空間正離子會被錐形擋板形成的電場排斥，不能或者很少能飛入平衡室，這時擋板采用陶瓷材料與平衡室主體連接，并用陶瓷芯柱將導(dǎo)線引出，避免整個規(guī)體帶電而對電離機構(gòu)的電離測量帶來影響。轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)的主要技術(shù)指標(biāo)：測量范圍為(10-7～10-2) Pa；測量不確定度為33%；方向性角為15o；測量室壓力平衡時間為5 ms；質(zhì)量為1.8 kg；尺寸為φ 69 mm×197 mm。
3 雙圓錐束檢測器方向性真空規(guī) 轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)是對非平衡態(tài)分子流變成平衡態(tài)分子流進行測量，而束檢測器方向性真空規(guī)則是直接測量非平衡態(tài)分子流。作者在截頭雙圓錐分子屏理論研究基礎(chǔ)上[5]，研制出了雙圓錐束檢測器方向性真空規(guī)。截頭雙圓錐結(jié)構(gòu)決定著探測器的準(zhǔn)直性能，被稱為準(zhǔn)直系統(tǒng)，見圖3。準(zhǔn)直性是評價雙圓錐束檢測器方向性真空規(guī)的一個重要的參數(shù)，它取決于構(gòu)成該探測器的截頭雙圓錐的幾何結(jié)構(gòu)、傳感器大小及固定位置。尤其是截頭雙圓錐結(jié)構(gòu)，對束檢測器方向性真空規(guī)準(zhǔn)直性影響z*大。取截頭雙圓錐的孔半徑r0=4 mm、錐高（ 與錐間距相等）L=60 mm。該雙圓錐的理論方向性角（ 定義有效信息強度為0.5 時的旋轉(zhuǎn)角θ 為雙圓錐的理論方向性角）約為3o。這遠遠小于等效的單孔入射機構(gòu)的理論方向性角，也比同孔徑、同長度的單管入射機構(gòu)的理論方向性角小，顯示了截頭雙圓錐具有良好的準(zhǔn)直特性。制作準(zhǔn)直系統(tǒng)的材料選用0.15 mm 厚的不銹鋼板。傳感器結(jié)構(gòu)決定方向性真空規(guī)的真空參數(shù)，即規(guī)工作范圍和電離性能，包括測量上、下限和靈敏度系數(shù)。因此這一部分的設(shè)計是十分重要的。裝載在衛(wèi)星上的方向性真空規(guī)要求體積小。設(shè)計電離機構(gòu)的指導(dǎo)思想是：不用現(xiàn)有的裸B-A 規(guī)，而是重新試制一個電離機構(gòu)，并要求它小型化，結(jié)構(gòu)像B-A 規(guī)那樣簡單，盡可能使其工作在（ 10-2～10-7） Pa。同時它的工作參量與普通B-A 規(guī)參數(shù)相同，這樣規(guī)工作時直接用B-A 規(guī)超高真空規(guī)線路。設(shè)計的電離機構(gòu)主要包括3個部分：燈絲3、電子收集極5 和離子收集極4，另外還有一個屏蔽極6。為了使電離機構(gòu)小型化，把電子收集極設(shè)計成帶有端柵的扁形柵，并采用環(huán)形燈絲。為了使后錐室內(nèi)的分子具有大的逃逸幾率，以保證較低的壓力測量本底，B-A 規(guī)的3個極被焊在一個圓環(huán)形的不銹鋼芯座上，如圖4 所示。探測器裝配好后，圓環(huán)芯座的中間以及圓環(huán)芯座與后錐室底部邊緣之間的間隙都可以成為分子逃逸的通道。同時，圓環(huán)芯座比傳統(tǒng)的圓盤芯座的表面積小，真空放氣也相應(yīng)減少了。這些措施都有利于減小壓力測量本底，以探測空間中較低密度的分子流。此外，圓環(huán)芯座比同類的圓盤芯座的體積小、質(zhì)量輕，更適合于空間應(yīng)用。研制的雙圓錐束檢測器方向性真空規(guī)的主要技術(shù)指標(biāo)為：測量范圍為(10-7～10-2) Pa；測量不確定度為31%；理論方向角為3o；質(zhì)量為4.8 kg；尺寸為φ 95 mm×116 mm。
4 結(jié)論 通過對大量文獻的歸納和分析[6～8]，在此基礎(chǔ)上研制出了2 種空間真空規(guī)樣件，并測試了這2 種規(guī)的基本性能。球錐型轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)具有方向性好（方向性角為15o，與方向性z*好的管入口型轉(zhuǎn)換器方向規(guī)的方向性角近似）、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)換平衡效果好、響應(yīng)快等特點；雙圓錐束檢測器方向性真空規(guī)具有準(zhǔn)直性高、質(zhì)量輕、體積小等特點，更適合于空間應(yīng)用。通過對這2 種空間真空規(guī)的性能進行進一步完善，可用于低地球軌道空間環(huán)境的真空度（大氣密度）的探測?？臻g真空測量技術(shù)研究涉及的內(nèi)容十分廣泛，工作量大，技術(shù)難度高。這是一個中、長期的研究項目，需要分階段、有計劃、有步聚地長期進行研究[9]。為了繼續(xù)深入開展空間真空測量技術(shù)的研究，今后還需要做以下工作：
（1）采用理論與實驗相結(jié)合的研究方法，有針對性地開展非平衡態(tài)分子流的研究；
（2）繼續(xù)進行低地球軌道空間真空環(huán)境的探測；
（3）開展極高真空測量技術(shù)的研究，研制出適合空間用的極高真空電離規(guī)，用于月球表面及其深度宇空環(huán)境的模擬與探測；
（4）建立極高真空電離規(guī)地面校準(zhǔn)系統(tǒng)，對極高真空電離規(guī)進行精確校準(zhǔn)，保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與可靠；
（5）開展空間質(zhì)譜技術(shù)研究，研制空間質(zhì)譜計，用于航天器上的分壓力測量及星球表面土壤成分的探測；
（6）依據(jù)空間真空測量的特殊性，建立定向流校準(zhǔn)系統(tǒng)和非平衡態(tài)分子流校準(zhǔn)系統(tǒng)，以解決空間真空測量中的真空校準(zhǔn)問題。
參考文獻：
[1] 達道安. 空間真空技術(shù)[M]. 北京：宇航出版社，1995.
[2] 李旺奎. 非平衡態(tài)分子流環(huán)境中的真空測量[J]. 真空與低溫, 1983, 2(1) 49.
[3] 李旺奎. 載人航天與空間真空[J]. 真空與低溫, 1993, 12(1) 25.
[4] 張建軍. 轉(zhuǎn)換器型方向性真空規(guī)研究[D]. 北京：中國空間技術(shù)研究院, 2003.
[5] 馬勝歌，張滌新，達道安，等. 截頭雙圓錐分子屏理論研究[J]. 真空與低溫, 1999, 5(1) 44.
[6] BUHL R, TRENDELEURG E A. Avoiding systematic errors in measuring the pumping eed of high vacuum pum[J].Vacuum,1965,15(5) 231.
[7] HOLLAND.L, PRIESTLAND.C. Measurement of the variation of molecular impact rate within a herical calibration veel [J]. Vacuum, 1967,17(8) 461.
[8] KOBAYASHI.M. Performance of a simplified directional detector for gas molecules[J]. J Vac Sci Technol, 1981, 18(3) 1013.
[9] 張滌新. 真空計量的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].真空與低溫, 2001, 7(2)：63.
摘要：針對國內(nèi)外在空間真空測量方面的研究狀況作了簡要描述，對研制的2 種空間真空規(guī)（轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)和束檢測器方向性真空規(guī)）進行了介紹，并對空間真空測量技術(shù)的后續(xù)研究工作作了展望。
關(guān)鍵詞：空間探測；真空測量；非平衡態(tài)分子流；轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)；
束檢測器方向性真空規(guī)中圖分類號：TB77 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-7086(2006）02-0116-04 RESEARCH AND DEVELOPMENT ON TECHNOLOGY OF ACE VACUUM MEASUREMENT WANG Xiao-xia, ZHANG Di-xin, CHENG Yong-jun, ZHAO Lan, ZHAO Guang-ping （ Lanzhou Ititute of Physics, Lanzhou 730000, China） Atract: The study status of technology of ace vacuum measurement is discribed briefly, and the two ace vacuum gauges, that is the directional gauge with traducer and the directional gauge with stream detector is introduced in detail. Finally, the future studying work of technology of ace vacuum measurement is expected. Key Words: ace exploration；vacuum measurement；non-equilibrium molecular beam；the directional gauge with traducer；the directional gauge with stream detector
1 引言 空間真空測量技術(shù)是與人類探索和開發(fā)宇宙空間的進程緊密相連的。人類從地面出發(fā)，向深度宇空進軍，要經(jīng)歷寬廣的氣體壓力變化，空間科學(xué)研究的對象正是處在這樣的環(huán)境之中。因此，對宇空真空環(huán)境的度量和探測，也就成為空間科學(xué)中的研究內(nèi)容[1]。
在宇宙空間，從航天器飛出的分子無碰撞地沉沒在無限空間之中再不返回，所以宇宙空間是具有無限抽速的“ 分子沉”環(huán)境。在分子沉效應(yīng)的空間真空環(huán)境中，分子運動有非常強的方向性，呈各向異性分布，分子密度也是非均勻分布，建立在氣體分子運動論基礎(chǔ)上的一些平衡態(tài)下的定律和公式已不適用，要運用非平衡態(tài)分子流理論進行研究?！ 》瞧胶鈶B(tài)分子流的研究，具有一定的普遍性，又有很強的目的性。國外在這方面開展了一些理論探討和實驗研究工作[2]。因為被研究對象的特殊性，所以至今尚未建立普遍適用的理論體系和實驗方法，大多數(shù)是結(jié)合具體研究對象開展理論與實驗方面的研究。美國NASA研究了用球形校準(zhǔn)容器作為大型空間模擬容器的原位置校準(zhǔn)的有關(guān)理論問題；英國愛德華公司實測了球形校準(zhǔn)容器中分子流場分布；德國PTB 實測了校準(zhǔn)容器中內(nèi)切球赤道上的分子流場分布；德國宇航院（ DFVLD）研究了大型空間模擬器中的分子流場分布，并實測了航天飛機上空間實驗室附近的分子流場分布；原蘇聯(lián)結(jié)合實際的受控核聚變反應(yīng)裝置研究了“ 復(fù)雜系統(tǒng)中的分子流場”；我國蘭州物理研究所對球形校準(zhǔn)容器中分子流場分布和一些真空部件（ 孔和管道）出口分子流花樣分布進行了實測，都獲得了一些針對性強、有實用價值的研究結(jié)果。方向性真空規(guī)是研究非平衡態(tài)分子流的有力工具。隨著對非平衡態(tài)分子流研究的深入和發(fā)展，尤其是空間科學(xué)的進展，大大地開闊了非平衡態(tài)分子流的研究領(lǐng)域，相繼出現(xiàn)了很多類型的方向性真空規(guī)?？臻g比較常用的2 種方向性真空規(guī)是轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)和束檢測器方向性真空規(guī)。美國、俄羅斯（原蘇聯(lián)）、歐共體等在空間真空測量方面已作了大量的研究工作，先后研制出一系列方向性真空規(guī)用于探測大氣層密度和壓力分布。美國、俄羅斯等國家已研制出專用的方向性真空規(guī)，正在進行金星、火星的大氣環(huán)境的探測；用于水星、木星大氣環(huán)境探測的方向性真空規(guī)正在研制之中[3]。在國內(nèi)，中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心與蘭州物理研究所在從事空間真空測量方面的研究工作。我國在這一領(lǐng)域雖然起步較晚，但成績顯著。中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心已將研制出的空間真空規(guī)用于“ 神舟”號飛船上，對飛船運行軌道高度上空間真空度的變化進行了探測。蘭州物理研究所已研制出了2種空間真空規(guī)樣機，即轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)和雙圓錐束檢測器方向性真空規(guī)。這2 種空間真空規(guī)通過對其性能進行不斷完善，可用于低地球軌道空間環(huán)境的真空度（ 大氣密度）的探測。作者將簡要介紹所研制的這2種空間真空規(guī)。
2 球錐型轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī) 轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)把非平衡態(tài)分子流變成平衡態(tài)分子流，經(jīng)理論運算反推回到非平衡態(tài)，從而得到非平衡態(tài)分子流信息?；诳臻g非平衡態(tài)分子流的理論研究，作者研制了球錐型轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)。球錐型平衡室在平衡室和測量室之間設(shè)計一個錐形障板，使得入射的氣體分子在平衡室經(jīng)過多次碰撞后，從錐底與球面之間的環(huán)形區(qū)域內(nèi)進入到測量室，從而獲得良好的平衡效果[4]，如圖1所示。球錐型平衡室的材料全部采用1Cr18Ni9Ti。擋板和平衡室主體用3個螺栓連接，使得擋板的相對位置可以調(diào)節(jié)。傳感器是測量室中將進入的氣體電離的機構(gòu)，通常使用裸B-A規(guī)或者冷陰極規(guī)，兩者各有優(yōu)缺點。B-A規(guī)結(jié)構(gòu)簡單，無磁場等特殊要求，質(zhì)量輕，測量方便，其規(guī)管性能研究比較成熟。對于地面實驗時，一般的裸B-A 就能夠滿足實驗要求，但在空間測量時，由于空間原子氧容易和熱陰極復(fù)合，使得B-A規(guī)對原子氧有很大的抽速，導(dǎo)致規(guī)中氣體密度和成分發(fā)生變化，影響測量結(jié)果。冷陰極電離規(guī)受化學(xué)活性氣體影響小，在空間使用時，減少了原子氧的影響，但由于其有磁鐵，增大了規(guī)的體積和功率。作者選用復(fù)合B-A規(guī)作為轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)的傳感器。當(dāng)轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)用于空間測量時，其與地面測量有很大的不同，主要是空間原子氧的復(fù)合和空間正離子對測量的影響?！ ∮捎阱F形擋板的存在，通過模擬計算可知，空間氣體粒子（ 包括中性分子、原子氧和正離子等）進入平衡室后，至少和平衡室碰撞一次后飛入測量室，并且大部分粒子都是經(jīng)過多次碰撞后才被電離機構(gòu)電離，這就使得其中的原子氧在碰撞過程中在內(nèi)壁上復(fù)合，減少了原子氧對燈絲的毒化。同樣，錐形擋板的存在免于空間正離子直接飛入測量室。為了更好的減小正離子的影響，可以采用圖2所示的設(shè)計方法。在圖2中，給錐形擋板接+20 V 電壓，空間正離子會被錐形擋板形成的電場排斥，不能或者很少能飛入平衡室，這時擋板采用陶瓷材料與平衡室主體連接，并用陶瓷芯柱將導(dǎo)線引出，避免整個規(guī)體帶電而對電離機構(gòu)的電離測量帶來影響。轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)的主要技術(shù)指標(biāo)：測量范圍為(10-7～10-2) Pa；測量不確定度為33%；方向性角為15o；測量室壓力平衡時間為5 ms；質(zhì)量為1.8 kg；尺寸為φ 69 mm×197 mm。
3 雙圓錐束檢測器方向性真空規(guī) 轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)是對非平衡態(tài)分子流變成平衡態(tài)分子流進行測量，而束檢測器方向性真空規(guī)則是直接測量非平衡態(tài)分子流。作者在截頭雙圓錐分子屏理論研究基礎(chǔ)上[5]，研制出了雙圓錐束檢測器方向性真空規(guī)。截頭雙圓錐結(jié)構(gòu)決定著探測器的準(zhǔn)直性能，被稱為準(zhǔn)直系統(tǒng)，見圖3。準(zhǔn)直性是評價雙圓錐束檢測器方向性真空規(guī)的一個重要的參數(shù)，它取決于構(gòu)成該探測器的截頭雙圓錐的幾何結(jié)構(gòu)、傳感器大小及固定位置。尤其是截頭雙圓錐結(jié)構(gòu)，對束檢測器方向性真空規(guī)準(zhǔn)直性影響z*大。取截頭雙圓錐的孔半徑r0=4 mm、錐高（ 與錐間距相等）L=60 mm。該雙圓錐的理論方向性角（ 定義有效信息強度為0.5 時的旋轉(zhuǎn)角θ 為雙圓錐的理論方向性角）約為3o。這遠遠小于等效的單孔入射機構(gòu)的理論方向性角，也比同孔徑、同長度的單管入射機構(gòu)的理論方向性角小，顯示了截頭雙圓錐具有良好的準(zhǔn)直特性。制作準(zhǔn)直系統(tǒng)的材料選用0.15 mm 厚的不銹鋼板。傳感器結(jié)構(gòu)決定方向性真空規(guī)的真空參數(shù)，即規(guī)工作范圍和電離性能，包括測量上、下限和靈敏度系數(shù)。因此這一部分的設(shè)計是十分重要的。裝載在衛(wèi)星上的方向性真空規(guī)要求體積小。設(shè)計電離機構(gòu)的指導(dǎo)思想是：不用現(xiàn)有的裸B-A 規(guī)，而是重新試制一個電離機構(gòu)，并要求它小型化，結(jié)構(gòu)像B-A 規(guī)那樣簡單，盡可能使其工作在（ 10-2～10-7） Pa。同時它的工作參量與普通B-A 規(guī)參數(shù)相同，這樣規(guī)工作時直接用B-A 規(guī)超高真空規(guī)線路。設(shè)計的電離機構(gòu)主要包括3個部分：燈絲3、電子收集極5 和離子收集極4，另外還有一個屏蔽極6。為了使電離機構(gòu)小型化，把電子收集極設(shè)計成帶有端柵的扁形柵，并采用環(huán)形燈絲。為了使后錐室內(nèi)的分子具有大的逃逸幾率，以保證較低的壓力測量本底，B-A 規(guī)的3個極被焊在一個圓環(huán)形的不銹鋼芯座上，如圖4 所示。探測器裝配好后，圓環(huán)芯座的中間以及圓環(huán)芯座與后錐室底部邊緣之間的間隙都可以成為分子逃逸的通道。同時，圓環(huán)芯座比傳統(tǒng)的圓盤芯座的表面積小，真空放氣也相應(yīng)減少了。這些措施都有利于減小壓力測量本底，以探測空間中較低密度的分子流。此外，圓環(huán)芯座比同類的圓盤芯座的體積小、質(zhì)量輕，更適合于空間應(yīng)用。研制的雙圓錐束檢測器方向性真空規(guī)的主要技術(shù)指標(biāo)為：測量范圍為(10-7～10-2) Pa；測量不確定度為31%；理論方向角為3o；質(zhì)量為4.8 kg；尺寸為φ 95 mm×116 mm。
4 結(jié)論 通過對大量文獻的歸納和分析[6～8]，在此基礎(chǔ)上研制出了2 種空間真空規(guī)樣件，并測試了這2 種規(guī)的基本性能。球錐型轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)具有方向性好（方向性角為15o，與方向性z*好的管入口型轉(zhuǎn)換器方向規(guī)的方向性角近似）、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)換平衡效果好、響應(yīng)快等特點；雙圓錐束檢測器方向性真空規(guī)具有準(zhǔn)直性高、質(zhì)量輕、體積小等特點，更適合于空間應(yīng)用。通過對這2 種空間真空規(guī)的性能進行進一步完善，可用于低地球軌道空間環(huán)境的真空度（大氣密度）的探測?？臻g真空測量技術(shù)研究涉及的內(nèi)容十分廣泛，工作量大，技術(shù)難度高。這是一個中、長期的研究項目，需要分階段、有計劃、有步聚地長期進行研究[9]。為了繼續(xù)深入開展空間真空測量技術(shù)的研究，今后還需要做以下工作：
（1）采用理論與實驗相結(jié)合的研究方法，有針對性地開展非平衡態(tài)分子流的研究；
（2）繼續(xù)進行低地球軌道空間真空環(huán)境的探測；
（3）開展極高真空測量技術(shù)的研究，研制出適合空間用的極高真空電離規(guī)，用于月球表面及其深度宇空環(huán)境的模擬與探測；
（4）建立極高真空電離規(guī)地面校準(zhǔn)系統(tǒng)，對極高真空電離規(guī)進行精確校準(zhǔn)，保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與可靠；
（5）開展空間質(zhì)譜技術(shù)研究，研制空間質(zhì)譜計，用于航天器上的分壓力測量及星球表面土壤成分的探測；
（6）依據(jù)空間真空測量的特殊性，建立定向流校準(zhǔn)系統(tǒng)和非平衡態(tài)分子流校準(zhǔn)系統(tǒng)，以解決空間真空測量中的真空校準(zhǔn)問題。
參考文獻：
[1] 達道安. 空間真空技術(shù)[M]. 北京：宇航出版社，1995.
[2] 李旺奎. 非平衡態(tài)分子流環(huán)境中的真空測量[J]. 真空與低溫, 1983, 2(1) 49.
[3] 李旺奎. 載人航天與空間真空[J]. 真空與低溫, 1993, 12(1) 25.
[4] 張建軍. 轉(zhuǎn)換器型方向性真空規(guī)研究[D]. 北京：中國空間技術(shù)研究院, 2003.
[5] 馬勝歌，張滌新，達道安，等. 截頭雙圓錐分子屏理論研究[J]. 真空與低溫, 1999, 5(1) 44.
[6] BUHL R, TRENDELEURG E A. Avoiding systematic errors in measuring the pumping eed of high vacuum pum[J].Vacuum,1965,15(5) 231.
[7] HOLLAND.L, PRIESTLAND.C. Measurement of the variation of molecular impact rate within a herical calibration veel [J]. Vacuum, 1967,17(8) 461.
[8] KOBAYASHI.M. Performance of a simplified directional detector for gas molecules[J]. J Vac Sci Technol, 1981, 18(3) 1013.
[9] 張滌新. 真空計量的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].真空與低溫, 2001, 7(2)：63.
