空間環境地基模擬多功能裝置的製作方法

2023-05-12 17:48:46

專利名稱：空間環境地基模擬多功能裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種空間環境模擬裝置，特別是關於一種在地面上模擬空間輻射、微重力、弱磁、晝夜節律和空氣顆粒物等多因素協同作用的多功能裝置。
背景技術：
隨著人類對外太空的探索不斷深入以及對新能源與新材料的渴求不斷升級，開發和利用空間資源已經成為當前各科技大國競爭的重要領域之一。我國的空間科學研究發展也十分迅速，自「神舟5號」飛船成功實現載人航天之後，登月工程、空間站計劃、火星探測等深空探索計劃正穩步推進，未來太空飛行會更加頻繁，太空滯留時間會更長。然而複雜惡劣的空間環境對航天員生命健康的威脅，勢必成為制約人類向太空探索的重要因素。人類探索太空，面臨空間高能輻射、微重力、弱磁等多重威脅，因此目前載人航天計劃需要開展空間環境對航天員生理醫學功能影響機理的相關研究，確保航天員健康、安全、有效地工 作。影響航天員生命健康的空間環境因素主要有空間輻射、微重力、弱磁、晝夜節律、噪音，以及密閉空間的超細顆粒物和微量毒性氣體等。為了確保載人航天任務向更長時間空間停留和向更深空間推進的順利實施，突破天基實驗平臺機會少、代價高、重複性低的限制，儘可能真實地模擬空間環境的地基平臺是不可或缺的。目前世界各國開展的空間環境地基模擬研究仍然停留在單因素效應機理研究方面，微重力與輻射的複合作用研究還只有零星的報導，多因素複合作用還未見報導。因此，研發模擬空間輻射、微重力、弱磁、晝夜節律、空氣顆粒物複合作用裝置，用於研究不同能量、不同種類輻射的生物學效應，以及輻射與微重力、磁效應等多種空間環境因素的協同效應，實現空間環境因素的仿真模擬，不僅為準確評估空間複雜多因素環境對航天員生命健康的威脅提供科學的依據，而且也能為防護措施的開發提供堅實的理論基礎和技術支持，這對促進我國的空間輻射生物學基礎研究和空間探索活動具有非常重要的科學意義。

發明內容
因此，為彌補現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種空間環境地基模擬多功能裝置，該裝置用以模擬空間輻射、微重力、弱磁、晝夜節律和空氣顆粒物等多因素環境，研究不同能量、不同種類輻射的生物學效應，以及輻射與微重力、磁效應等多種空間環境因素的協同效應，實現空間環境因素的仿真模擬。為實現上述目的，本發明採取的技術方案為一種空間環境地基模擬多功能裝置，其主要特點在於包括基座，磁控系統固定於基座上，樣品臺穿越在磁控系統中，臺上放置有微重力模擬裝置和/或樣品瓶，恆溫恆溼光照箱罩設在基座上部，將磁控系統、微重力模擬裝置和/或樣品瓶封閉在內，在恆溫恆溼光照箱外部設置有輻照系統。所述磁控系統，是由三組相互垂直的亥姆霍茲線圈彼此套設組成，所述每一組線圈中包含有兩個半徑、匝數相同，平行且共軸，間距等於半徑的線圈。所述線圈採用坡莫合金線圈，或鎳鐵高導磁合金線圈，或其他材料的線圈。
所述樣品臺為自動樣品臺，設置在樣品臺底座上，在樣品臺底部固定移動部件，所述移動部件連接在螺旋杆上，螺旋杆由伺服電機驅動。所述樣品臺上設置有凹槽，凹槽內放置微重力模擬裝置和/或樣品瓶。所述樣品瓶內裝有用於輻照的細胞樣品，細胞貼壁於樣品瓶上，用來研究重離子輻照細胞實驗。所述微重力模擬裝置，包括密閉的玻璃外殼，在頂部設置有窗戶，底部開設有通氣孔，在外殼的內頂部設置有懸杆，懸杆上設有滑輪，滑輪上栓有鏈繩，在外殼的內底部放置有水瓶和飼料槽；實驗時裝置裡面放有實驗動物，頂部窗戶開啟時只進行尾吊微重力實驗，窗戶關閉且向內部通入有顆粒物氣體時，同時進行微重力和顆粒物氣體雙效應實驗。所述恆溫恆溼光照箱內部，設置有控溫控溼系統和日光燈，所述日光燈電源由延時器控制，每過一定時間開關一次，模擬晝夜節律，光照時間與太空中空間艙的晝夜節律時間相同。·所述恆溫恆溼光照箱是由鋼和有機玻璃製成。本發明由於採取以上的技術方案，具有的有益效果是1、本發明是在地面上模擬空間輻射、微重力、弱磁、晝夜節律、空氣顆粒物複合作用的多因素環境的多功能裝置。該裝置包括有磁控系統，由亥姆霍茲線圈構成，可以模擬弱磁或零磁環境；該裝置還包括有微重力模擬裝置，採用尾吊法模擬失重，在微重力模擬裝置中還可以通入顆粒物氣體，模擬太空中密閉空間艙中的氣體環境；該裝置還包括有輻照系統，通過空調控制模擬溫度、溼度環境，通過燈光模擬晝夜節律，實現空間高能粒子輻射的生物學效應。對於研究不同能量、不同種類粒子的輻射生物學效應以及粒子與微重力和磁效應等多種空間環境因素的協同效應，具有仿真模擬效果。2、該裝置還包括有全自動樣品臺，能夠自動控制樣品輻照時間和輻照劑量。3、各種模擬單元，既可以單獨使用，實現單因素環境的特定實驗；也可以自由組合，實現多因素環境的綜合模擬實驗。


圖I為本發明實施例的裝置立體示意圖；圖2為磁控系統示意圖；圖3為全自動樣品臺和控制系統示意圖；圖4為全自動樣品臺移動示意圖；圖5為尾吊微重力效應模擬裝置示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發明的原理和技術特徵進行描述，所舉實例僅用於解釋本發明，並非用於限定本發明的保護範圍。見圖1，一種空間環境地基模擬多功能裝置，包括有基座1，基座I為封閉的框架，使磁控系統2固連於基座I上；樣品臺底座3，穿越過磁控系統2 ;在樣品臺底座3上放置有樣品臺4，使樣品臺4位於磁控系統2的磁場空間內；在樣品臺4上放置有微重力模擬裝置5和/或樣品瓶6 ;恆溫恆溼光照箱7，罩設在基座I上部，將磁控系統2、微重力模擬裝置5和/或樣品瓶6封閉在內。
見圖2，本裝置的磁控系統2，是由三組互為垂直的亥姆霍茲線圈相互套設組成，即其中一組線圈21垂直於X軸,一組線圈22垂直於Y軸，一組線圈23垂直於Z軸。亥姆霍茲線圈是包含有兩個半徑、匝數相同，平行且共軸，間距等於半徑的線圈，亥姆霍茲線圈的作用機理是 如果將一組平行相同的載流線圈通以電流，當這兩個載流線圈間距等於線圈半徑時，兩個線圈的總磁場在軸的中點附近的較大範圍內是均勻的，用它可以產生極微弱的磁場直至數百高斯的磁場。當兩個線圈通以同向電流時，磁場疊加增強，並在一定區域形成近似均勻的磁場；通以反向電流時，則疊加使磁場減弱，以至出現磁場為零的區域，可用於地球磁場的抵消補償、檢測永磁體特性等。本裝置採用此種形式的線圈，就是可以使三組相互垂直的線圈在同時通入電流時產生的磁場抵消地球磁場，或實現對該裝置內部範圍的恆定磁場調節。上述的線圈可以採用坡莫合金線圈，或鎳鐵高導磁合金線圈，也可以是其他材料的導電線圈。樣品臺底座3上設置的樣品臺4，可以是自動樣品臺，通過伺服電機驅動，使樣品臺4沿樣品臺底座3的平面移動。具體實現是見圖3，在樣品臺4的底部固定一移動部件41，所述移動部件連接在一螺旋杆42上，螺旋杆42連接在伺服電機43的輸出軸上，伺服電機43固定在樣品臺底座3上，並由控制系統44通過電線控制連接。伺服電機43移動平臺已屬於成熟技術，任何可進行平面移動的機構都可以實現，這裡不做過多贅述。在自動樣品臺上放置的微重力模擬裝置5和/或樣品瓶6，可通過在檯面上摳出的凹槽實現固定，隨著自動樣品臺的移動，見圖4，微重力模擬裝置5和/或樣品瓶6隨之移動到輻照區內(輻照區是一個可調的較小區域，由裝置外部的輻照系統提供輻照光源)。本裝置中的微重力模擬裝置5，可以採用尾吊微重力法模擬失重。如圖4所示，它是一個尾吊鼠籠，包括一由非磁性金屬做框架，由玻璃做密封的密閉性外殼51,只在頂部設置有窗戶，底部開設有通氣孔(不用時用密封塞堵住)。在外殼的內頂部搭設一懸杆52，懸杆上設一滑輪53，滑輪53上栓有鏈繩54，鏈繩54用以拴住實驗小鼠的尾巴。在籠子的底部放置有水瓶和飼料槽等。頂部的窗戶用以放入小鼠及餵食，底部的通氣孔用以通入氣體；頂部窗戶開啟時只進行普通的尾吊微重力實驗，關閉窗戶並通氣時可以在籠內同時進行微重力和顆粒物雙效應實驗。樣品瓶6中裝的是用於輻照的細胞樣品，細胞貼壁於樣品瓶上，用來研究重離子輻照細胞實驗。恆溫恆溼光照箱7是一鋼質的密閉性罩子，在一面開有窗戶，由有機玻璃密封。在罩子中，除了放置磁控系統2用以模擬磁場，放置微重力模擬裝置5用以模擬微重力和顆粒物空氣效應，放置樣品瓶6進行重離子輻照細胞實驗外，還安裝有空調系統、日光燈，空調系統可以控溫控溼，日光燈電源由延時器控制，每過一定時間開關一次，這樣形成一個可以模擬晝夜節律和空氣顆粒物複合作用的裝置。由上可知，本裝置用亥姆霍茲線圈構成磁控系統，模擬太空中弱磁或零磁環境；用尾吊微重力模擬裝置模擬微重力和顆粒物氣體效應；用恆溫恆溼光照箱構成輻照系統，模擬晝夜節律、空間高能輻射生物學效應。這幾種模擬效應既可以同時進行，也可以單獨進行。下面以一實施例來說明本裝置的工作機理
用膠布條將小鼠尾巴和鏈繩粘在一起，放入微重力模擬裝置5中，調節水平懸杆的高度，使小鼠的後爪在伸直時剛好不能觸及殼體的底層，從而使動物始終保持呈頭低位約30°，小鼠借前肢在殼體內自由活動，這樣小鼠處於微重力狀態。將頂部窗戶關上，使裝置密封，將含有顆粒物的氣體從殼體底部通入，顆粒物氣體均勻充滿殼體後從頂部溢出，小鼠吸入顆粒物，這 樣可以在籠內同時進行微重力和顆粒物雙效應實驗。磁控系統2打開，調節通入電流大小，使產生的磁場能夠抵消地球磁場，當通入電流為某一特定值時，在磁控系統中央部分(即微重力裝置所在的空間)磁場為零。恆溫恆溼光照箱7開啟，罩子內部的空調系統將溫度和溼度維持在某一恆定水平，日光燈電源由延時器控制，每過3小時開關一次，在罩子內部形成晝夜節律。自動樣品臺4將微重力模擬裝置5平移到重離子輻照範圍內，小鼠開始受到重離子輻照，輻照系統記錄小鼠的輻照劑量(輻照系統是一套龐大複雜的重離子科研裝置，有專門的電腦和控制軟體，與控制系統44連接)，當輻照劑量達到設定值時，輻照源停止，自動樣品臺4將微重力模擬裝置5平移出輻照區。這樣，該裝置完成了在地面上模擬空間輻射、微重力、弱磁、晝夜節律和空氣顆粒物等多因素協同作用的整個流程。以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種空間環境地基模擬多功能裝置，其特徵在於包括基座，磁控系統固定於基座上，樣品臺穿越在磁控系統中，臺上放置有微重力模擬裝置和/或樣品瓶，恆溫恆溼光照箱罩設在基座上部，將磁控系統、微重力模擬裝置和/或樣品瓶封閉在內，在恆溫恆溼光照箱外部設置有輻照系統。
2.如權利要求I所述的空間環境地基模擬多功能裝置，其特徵在於所述磁控系統，是由三組相互垂直的亥姆霍茲線圈彼此套設組成，所述每一組線圈中包含有兩個半徑、匝數相同，平行且共軸，間距等於半徑的線圈。
3.如權利要求I或2所述的空間環境地基模擬多功能裝置，其特徵在於所述線圈採用坡莫合金線圈，或鎳鐵高導磁合金線圈，或其他材料的線圈。
4.如權利要求I所述的空間環境地基模擬多功能裝置，其特徵在於所述樣品臺為自動樣品臺，設置在樣品臺底座上，在樣品臺底部固定移動部件，所述移動部件連接在螺旋杆上，螺旋杆由伺服電機驅動。
5.如權利要求I或4所述的空間環境地基模擬多功能裝置，其特徵在於所述樣品臺上設置有凹槽，凹槽內放置微重力模擬裝置和/或樣品瓶。
6.如權利要求I所述的空間環境地基模擬多功能裝置，其特徵在於所述樣品瓶內裝有用於輻照的細胞樣品，細胞貼壁於樣品瓶上，用來研究重離子輻照細胞實驗。
7.如權利要求I所述的空間環境地基模擬多功能裝置，其特徵在於所述微重力模擬裝置，包括密閉的玻璃外殼，在頂部設置有窗戶，底部開設有通氣孔，在外殼的內頂部設置有懸杆，懸杆上設有滑輪，滑輪上栓有鏈繩，在外殼的內底部放置有水瓶和飼料槽；實驗時裝置裡面放有實驗動物，頂部窗戶開啟時只進行尾吊微重力實驗，窗戶關閉且向內部通入有顆粒物氣體時，同時進行微重力和顆粒物氣體雙效應實驗。
8.如權利要求I所述的空間環境地基模擬多功能裝置，其特徵在於所述恆溫恆溼光照箱內部，設置有控溫控溼系統和日光燈，所述日光燈電源由延時器控制，每過一定時間開關一次，模擬晝夜節律。
9.如權利要求I或8所述的空間環境地基模擬多功能裝置，其特徵在於所述恆溫恆溼光照箱是由鋼製成。
全文摘要
本發明公開一種空間環境地基模擬多功能裝置，包括基座，磁控系統固定於基座上，樣品臺穿越在磁控系統中，臺上放置有微重力模擬裝置和/或樣品瓶，恆溫恆溼光照箱罩設在基座上部，將磁控系統、微重力模擬裝置和/或樣品瓶封閉在內，在恆溫恆溼光照箱外部設置有輻照系統。所述磁控系統，是由三組相互垂直的亥姆霍茲線圈彼此套設組成。所述微重力模擬裝置採用尾吊裝置。所述恆溫恆溼光照箱裡部設置有控溫控溼系統和日光燈。本發明在地面上模擬空間輻射、微重力、弱磁、晝夜節律、空氣顆粒物複合作用，對於研究不同能量、不同種類粒子的輻射生物學效應以及粒子與微重力和磁效應等多種空間環境因素的協同效應，具有仿真模擬效果。
文檔編號C12M1/42GK102895032SQ20121036652
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月27日 優先權日2012年9月27日
發明者周光明, 王菊芳, 徐丹, 李賀 申請人:中國科學院近代物理研究所