目前在用電容薄膜真空計(jì)存在體積大、重量重等問題，無(wú)法滿足深空探測(cè)中真空測(cè)量需求，因此設(shè)計(jì)了一種具有外形尺寸小、重量輕、工作溫度范圍寬等特點(diǎn)的小型電容薄膜真空計(jì)。在已經(jīng)建立的金屬膨脹式真空標(biāo)準(zhǔn)裝置上對(duì)小型電容薄膜真空計(jì)的線性、穩(wěn)定性、重復(fù)性等各項(xiàng)性能進(jìn)行了反復(fù)的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，小型電容薄膜真空計(jì)具有良好的線性，重復(fù)性和穩(wěn)定性的計(jì)算結(jié)果均能滿足火星探測(cè)要求。

0、引言

　　開展深空探測(cè)活動(dòng)，是航天技術(shù)發(fā)展的必然選擇，也是人類進(jìn)一步了解宇宙、認(rèn)識(shí)太陽(yáng)系、探索地球與生命的起源和演化、獲取更多科學(xué)認(rèn)識(shí)的必須手段。對(duì)我國(guó)來(lái)說，月球探測(cè)是深空探測(cè)的第一步，而火星探測(cè)是行星際探測(cè)的開端，有著承上啟下的重要作用。

　　為確保火星在軌探測(cè)器的安全運(yùn)行，必須對(duì)火星空間大氣阻力進(jìn)行充分的研究，從而更準(zhǔn)確地做出軌道衰減率和探測(cè)器壽命預(yù)測(cè)，其關(guān)鍵就在于對(duì)火星空間環(huán)境真空度的準(zhǔn)確測(cè)量，一般采用探測(cè)器攜帶真空計(jì)的方式進(jìn)行直接測(cè)量。在火星探測(cè)活動(dòng)中，探測(cè)器攜帶了大量的載荷儀器，要完成多項(xiàng)科研探測(cè)任務(wù)，必須考慮探測(cè)器及其搭載的載荷儀器的小型化。但是，目前使用的真空計(jì)存在體積大、重量重等問題，無(wú)法滿足火星探測(cè)活動(dòng)中的真空測(cè)量需求。

　　電容薄膜真空計(jì)的小型化會(huì)使儀器本身的線性、重復(fù)性和穩(wěn)定性等受到影響，保證測(cè)量準(zhǔn)確度與深空探測(cè)要求的載荷小型化之間存在矛盾。為了解決這個(gè)問題，在理論計(jì)算、模擬仿真等研究的基礎(chǔ)上，研制出了小型電容薄膜真空計(jì)。它具有外形尺寸小、重量輕、工作溫度范圍寬等特點(diǎn)，可以覆蓋火星低軌道大氣壓力的測(cè)量范圍，能夠滿足火星探測(cè)對(duì)載荷的基本要求。

　　為了保證小型電容薄膜真空計(jì)測(cè)量結(jié)果的可靠性，對(duì)小型電容薄膜真空計(jì)的線性、穩(wěn)定性、重復(fù)性等計(jì)量性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1、小型電容薄膜真空計(jì)

　　小型電容薄膜真空計(jì)規(guī)管由進(jìn)氣管及其入口擋片、檢測(cè)膜片基底、檢測(cè)膜片、固定極板、參考?xì)馐覚C(jī)架、引出電極、抽氣口等部分組成，如圖1所示。

圖1 小型電容薄膜真空計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

1.引出電極；2.防熱變形結(jié)構(gòu)；3.抽氣口；4.封接材料；5.固定極板；6.檢測(cè)膜片；7.檢測(cè)膜片基底；8.進(jìn)氣管

　　小型電容薄膜真空計(jì)的工作原理是:氣體通過進(jìn)氣管引入到測(cè)量室中，由于氣體壓力作用使檢測(cè)膜片發(fā)生形變，改變了檢測(cè)膜片與固定極板上感應(yīng)電極之間的距離，引起二者之間電容量的改變。利用電學(xué)方法測(cè)出電容量，通過校準(zhǔn)得到電容量與氣體壓力之間的關(guān)系，獲得氣體壓力大小。

　　經(jīng)過初步測(cè)試，小型電容薄膜真空規(guī)外形尺寸為椎60mm×100mm，重量為150g，工作溫度范圍為-20~+50℃，測(cè)量范圍為1.0×10^-2~1.3×10²Pa，可以滿足火星低軌道大氣壓力的探測(cè)要求。

2、實(shí)驗(yàn)裝置

　　采用金屬膨脹式真空標(biāo)準(zhǔn)裝置作為實(shí)驗(yàn)裝置，裝置由壓力產(chǎn)生系統(tǒng)、氣體壓力衰減系統(tǒng)和抽氣系統(tǒng)三部分組成，如圖2所示。該裝置可通過石英規(guī)直接比對(duì)法、一級(jí)靜態(tài)膨脹法、二級(jí)靜態(tài)膨脹法和三級(jí)靜態(tài)膨脹法，產(chǎn)生10^-4~10⁵Pa的氣體壓力，裝置的不確定度為0.01%~1%，能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)前，將小型電容薄膜真空計(jì)規(guī)管通過轉(zhuǎn)接接頭連接到金屬膨脹式真空標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)室VR上。打開抽氣系統(tǒng)，對(duì)校準(zhǔn)室、一級(jí)膨脹室、二級(jí)膨脹室、石英規(guī)參考端以及管道等抽真空。觀察連接在校準(zhǔn)室VR上的電離真空計(jì)的示值讀數(shù)，當(dāng)電離真空計(jì)的示值小于1×10^-4 Pa時(shí)，關(guān)閉抽氣閥門。

圖2 金屬膨脹式真空標(biāo)準(zhǔn)裝置原理示意圖

1.供氣穩(wěn)壓瓶；2.可變體積；3.測(cè)試口穩(wěn)壓瓶；4.石英規(guī)；5.機(jī)械泵1；6.校準(zhǔn)室VL；7.一級(jí)膨脹室V1b；8.級(jí)膨脹室V1s；9.二級(jí)膨脹室V2b；10.二級(jí)膨脹室V2s；11.校準(zhǔn)室VR；12.電離真空計(jì)；13.小型電容薄膜真空計(jì)；14.分子泵2；15.分子泵1；16.機(jī)械泵2

　　實(shí)驗(yàn)過程中，可以根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求和目的，將104Pa量級(jí)的前級(jí)氣體壓力，通過不同的衰減路徑引入到校準(zhǔn)室內(nèi)，形成標(biāo)準(zhǔn)壓力，對(duì)小型電容薄膜真空計(jì)的性能進(jìn)行研究。

4、結(jié)論

　　為了確保小型電容薄膜真空計(jì)測(cè)量結(jié)果的可靠性及其在火星探測(cè)中的應(yīng)用，對(duì)小型電容薄膜真空計(jì)的線性、穩(wěn)定性、重復(fù)性等各項(xiàng)性能進(jìn)行了反復(fù)的大量的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制的小型電容薄膜真空計(jì)具有較好的線性、重復(fù)性和穩(wěn)定性，能夠滿足火星探測(cè)的要求。