调查的飞船出气敏感的质谱

m .《镜^一个k . Altwegg^一个h . Balsiger^一个b . Schlappi^一个J.J. Berthelier,^bb . Fiethe^cS.A.福斯勒,^dj . De大尺度^e和m·鲁宾^f

^一个伯尔尼大学物理研究所,Sidlerstr。5、ch - 3012伯尔尼,瑞士
^b躺,圣莫尔哔叽,法国
^c计算机和网络工程研究所,德国布伦瑞克技术大学
^d空间物理系,洛克希德·马丁公司先进技术中心,美国
^e比利时空间研究所高层大气物理学,比利时布鲁塞尔
^f大气、海洋和空间科学、美国密歇根大学

介绍

污染控制和脱气的限制一直是一个关键因素在航天器设计和光学仪器的退化,因为不同的宇宙飞船报告的沉积水和有机物。航天器环境为特征的欧洲航天局(ESA)罗塞塔航天器,成立于2004年,是一个非常敏感的质谱计和压力传感器(罗西娜仪器bdapp官方下载安卓版的一部分,见后)。首次航天器出气率和构成监控已经超过6年,一个大范围的日心距离。背景气体的检测成分反映了航天器结构的脱气、燃料、润滑剂和无处不在的水。结果表明,宇宙飞船出气是一个很大程度上被低估的现象不仅影响光学仪器也原位质谱,尤其是稀薄的大气层。

飞船出气及其影响光学仪器是一个建立和解释的现象。例子包括沉积的水或有机物降解在镜子或眼镜看到的,例如,在太阳极端紫外线监控(SEM)在太阳能和格林威治天文台(SOHO)。¹质谱(MS)的影响航天器出气是性质不同:而不是降低了传感器的性能,除气造成重大背景信号和,因此,大大复杂化检测稀薄的大气层(例如,小行星的)。²

脱气甚至可以扰乱航天器操作的反冲力气体时各向异性的出气。这种效应被报道的微波各向异性探测器(地图),在一个异常部队演习期间观察到的。³这种效应也被报道为罗塞塔在2011年1月在深太空作战行动。⁴

罗西娜和罗塞塔

罗塞塔是欧洲航天局的太阳能飞船的使命67 / churyumov - gerasimenkbdapp官方下载安卓版o彗星。它包括两个主要部分:罗塞塔飞行器和Philea着陆器。主要飞行器尺寸2.8米×2.1米×2.0米,两边有14米长的太阳能电池板总面积64米²。

罗塞塔轨道离子和中性分析光谱仪(罗西娜),一个的科学仪器,由三个传感器组成:一个彗星压力传感器(警察),双聚焦质谱仪(dfm)和reflectron-type飞行时间质谱仪(RToF)。在本文中,只测量由警察和dfm。

罗西娜的描述中可以找到参考5。警察包括两个不同的速度(ram计)压力表和密度(裸体计)的检出限10^-11年mbar裸体计。dfm的10前所未有的敏感性⁵一个mbar¹,涵盖了质量范围12 - 150 12 e¹和的分辨率米/ D米> 3000年1%的峰值高度高分辨率模式。在低分辨率同步记录的几个质量线探测器的分辨率米/ D米> 500是可能的。

罗塞塔是捏造的非常干净的条件下和脱气要求非常严格的不仅对航天器有效载荷也。

机制的航天器出气

有三个不同的进程可以解释宇宙飞船的脱气机理:解吸、扩散和分解。压力,p,这三个过程的关系p~e^{(-Ea / RT)},在那里E_一个特有的活化能,R是气体常数T是温度。⁶

解吸具有指数依赖时间和强烈取决于表面温度。解吸的活化能最低的三个流程(4-40 kJ摩尔¹)。

气体从飞船内部和内部材料(例如,多层毯子)慢慢地扩散到表面,导致了出气。脱气下降随着时间的推移,t^-0.520 - 60 kJ摩尔,活化能¹。罗塞塔的表面温度没有变化超过50 K和室内温度不超过20 K /日心距离范围(0.8 - 4盟;1 AU大约是地球和太阳之间的平均距离),温度的变化几乎没有影响扩散过程。

第三个过程是材料和分解的结果几乎是独立的时间。这个过程需要最高的激活能量由太阳能提供紫外线或宇宙射线的外层宇宙飞船。

结合这三个过程可以解释警察和dfm的测量超过六年问世以来(图1)。

警察发射后首次打开20天,测量2×10的压力⁹mbar。在接下来的几个月迅速下降到2.5×10^-10年mbar。这可以解释为解吸,占据警察测量发射后在头200天1 e¹衰减时间约30 d。大约1100天后警察压力测量低10^-11年mbar范围。dfm更敏感,推导出压力,在不确定性,类似于警察测量。

早在一个任务,分解可以忽略不计,但变得更加重要,因为调查暴露时间空间。4000天后,当罗塞塔的任务,除气仍将以扩散为主;然而,分解成为可比,甚至主导任务持续时间很长。

图1所示。警察和dfm自启动压力作为时间的函数。警察的误差是由于取样频率的不确定性,而dfm是由于离子统计的误差。绿线显示出气由于解吸。蓝线显示出气引起的扩散和红线出气的分解。黑色的线显示了三个贡献的总和。

脱气的来源

满足要求的仪器要求罗塞塔的科学目标,dfm操作两种模式。低分辨率模式时使用优先级设置灵敏度或采样率而不是质量分辨率。一个典型的例子,当使用低分辨率模式在早期彗星运行阶段为了确定发病彗星活动由于H的升华₂啊,公司₂和冰。高分辨率模式时使用相似质量的重点是物种的分离(例如,公司和N₂或¹³C和CH)或未知物种识别的基于精确质量测定。

低分辨率的质谱的航天器环境2010年7月,如图2所示。最突出的信号是H₂在18 O(阿姆河e¹),哦(17阿姆河e¹),O(16阿姆e¹)从水中集团,大众28信号(CO和N₂)和44岁的阿姆河e¹峰(有限公司₂)。各种各样的其他化合物存在,只有少数质量行没有明确的信号(例如,23阿姆河e¹,80年阿姆e¹)。dfm使用电子轰击电离作用45 eV电子发出的热阴极电离作用方法;因此,分散起着重要的作用,使双亲分子的识别。然而,一般的强度分布,特别是周期谱的形状,这些信号表明,多数是由于有机化合物。

图2。航天器的低分辨率光谱背景拍摄于2010年7月,在日心距离2.7天文单位。积分时间/群众路线是20年代和200 uA电子发射电流。插图显示了质谱在线性范围内的一部分来说明的质量分辨率低分辨率模式。

这一怀疑dfm高分辨率光谱被认为时确认;整数群众路线的例子如图3:评估这样的光谱在完整的高分辨率质量范围(12 - 100 12 e¹)允许父分子的识别和碎片,因此除气的来源的详细描述,总结如下(参考2和引用)。

图3。高分辨率光谱,摄于2010年3月,允许一个单独的质量30阿姆河e 1信号成其成分不,CH2O CH4N、C2H6。

水

与普遍的观点,解吸的水变得微不足道的发射后几周,但值得注意的是,(1)许多航天器材料有效的地区明显高于由简单的几何因素和(2)吸附水往往是密封或不容易进入太空,使扩散的主要水除气的机制。典型的例子包括蜂窝结构,通常用于构建机械平台由于其结构效率,和多层绝缘薄片,用于被动热控制。

碳氢化合物

饱和线性碳氢化合物和相应的CH的碎片₄C₂H₆C₃H₈C₄H₁₀和C₅H₁₂被检测到。此外,一些多环芳烃(PAH)如苯(C₆H₆)、甲苯(C₇H₈)、二甲苯(C₈H₁₀),异丙基苯(C₉H₁₂)以及碎片已确定。可能的除气来源碳氢化合物溶剂或聚碳酸酯和聚乙烯对苯二酸酯(宠物)用于航天器结构。

卤素和润滑剂

甚至在发射之前,氯氟检测,而只出现在空间。很明显,一些氟是由于钎焊的残余,但它的一部分肯定是由于碳氟化合物)包含在结构和磁带。一个有趣的结果在这种情况下被氟的确认,与脂肪族化合物指着Braycote真空油脂,马歇尔提出的等。⁷Braycote perfluorated聚酯用于润滑机械关节,如天线支持罗塞塔,如果暴露于辐射可以分解。材料从而形成比Braycote本身和更不稳定,因此,为背景。

推进剂和氮的化合物

罗塞塔使用单甲基联氨(嗯,CH₃NHNH₂)和四氧化二氮(N₂O₄二元燃料)。而嗯父母分子和广泛的碎片被观察到,N的检测₂O₄是等待。请注意,正电胶和N的燃烧₂O₄收益率H₂O和有限公司₂的背景,因此,导致这些物种及其碎片。其他轴承氮分子的检测,如C₂H₄N或C₄H₄N₂,需要其他氮供应充足;这不是不寻常的包含多胺的使用材料,polyimines,聚氨酯和环氧树脂涂料、盆栽、粘合剂或结构。

结论

尽管污染控制和脱气限制被认为是很长一段时间在航天器的设计和施工,这一现象和相关时间尺度似乎仍然低估了。目前的太空女士已经到了一个地步仪器性能不再是灵敏度的限制,而是由航天器和脱气的存在属性选择材料的建设。这个事实让女士脱气的详细描述的可能。的电磁光谱测量与观察从光谱仪探测出气不是possible-compositional女士是独立获得的信息激发的能量状态的粒子,因此适合更全面的检测能力。当然有加重因素对于女士测量(例如,碎片,分馏,电离作用和检测效率),但鉴于其敏感性高,几乎任何种类的航天器环境检测。

扩展的物种被罗西娜罗塞塔的环境和他们的明显关系建筑材料给人的印象,目前除气的选择标准并不像他们应该严格。材料到目前为止被认为是足够的飞船如果一个样本的总质量损失小于1%,当加热到125°C 24 h,如果收集到的波动可压缩的材料丢失在同一过程中不超过0.1%的样品质量。⁸在空间高能离子高、电子和光子的分解材料,环境不像在一个良性的真空室。因此,材料选择标准不得,例如真空油脂Braycote,适合飞行。然而,一定程度的脱气无法避免(吸附水、燃料),因此,outgassing-related干扰敏感表面和仪器只能最小化通过优化其位置的宇宙飞船飞行期间在设计阶段及防护措施(例如,涵盖了光学仪器)。

引用

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