月球样品地面转移过程中防污染措施研究

李丹明，吴启鹏，王 琎，王先荣，杨建斌

（兰州空间技术物理研究所 空间环境材料行为与评价技术国防科技重点实验室，兰州 730000）

0 引言

月球探测的重要任务之一是在月球表面获取土壤、岩石等样品，完好封存之后携带返回地球进行科学研究。根据中国月球探测计划，将于2017年前后实现无人自动采集月球样品（月壤或月岩）并返回地球[1]。

月球表面为高真空、超低温环境，月球样品在采集前，已经在月球表面的真空环境中保存了几十亿年。为保证月球样品科学价值不受影响，月样采集并返回地球后必须在特殊条件下保存，避免受到地球上生命活动、水、氧等因素的影响，以保持其原始状态。一旦月球样品暴露于地球大气，月球样品性质将会发生改变。例如，月球样品中的超微单质金属铁与氧气反应，将生成铁锈；玻璃和矿物与空气中的水结合，将会生成黏土[2]。

为此，需要在月球样品采集及返回地面之前建立月球样品地面保存及处理实验室，用于在特殊条件下处理、保存月球样品，最大限度地保证月球样品不被地球环境污染，并且能够使样品保持在原始状态时，对其进行处理、存贮和研究。该实验室的建设可参考世界上先进的稀有样品地面样品保存及处理实验室，如阿波罗月球样品实验室、陨石处理实验室[3]等。

1 月球样品转移过程中污染防护要求

月球样品极其珍贵，重量有限，其价值不可估量，为了保证月球样品在采集后至返回地面前不受各种可能因素的影响，最大限度的保持样品的原始状态和化学、物理性质，月球样品需在特殊设计的极低漏率密封封装装置中密封保存（密封封装装置漏率小于5×10-11Pa·m3/s，用航天产品检漏方法和标准进行检漏[4]）；月球样品在返回地面之后，又必须实现无损无污染无变性的转运、解封和储存。为此，必须制定科学的、严格的、全面完整的工作流程，以保证在月球样品处理的全过程中，污染指标严格控制在规定的水平线以下。

1.1 月球样品返回地面后处理流程

月球样品返回地面后即开始整套地面处理工作流程，该处理流程分为若干阶段，其中有可能对月球样品造成污染的阶段有以下几个：

（1）样品密封封装装置解封，密封封装装置运至地面应用系统后，在地面解封与分样设备中进行装置的解封和样品收集；

（2）样品描述、分样，解封后，在解封与分样设备中对月样进行描述和分样；

（3）样品存储，分样后，样品送入存储区，等待进一步的分样、处理和制备；

（4）样品制备，利用显微成像设备对样品特征进行初步描述，包括粒度等特征，之后进行研磨、切割、注胶等制备工作；

（5）样品分析，主要包括月球样品的物理性质分析、化学成分与结构分析两方面。

以上操作均需要在解封与分样设备中进行，该设备需最大限度保持月球样品性质不发生改变。

1.2 地面处理中的污染防护及主要设备

月球样品地面处理与存贮的全过程需制定严格的污染防护措施，保护标准参考美国标准[5]。对于高纯氮气保护样品阶段，水、氧分子浓度需进行严格控制，其中每百万摩尔的氮气中氧气分子小于20 mol，水分子小于50 mol；同时要求操作装置内部环境洁净度等级高于100级。为此，月样地面处理全过程涉及的相关设备，都必须具有使其内部获得并保持高纯氮气或清洁真空环境的功能。

月球样品地面处理与存贮的过程中包括的设备主要有：车载样品转运设备（用于月样及其封装装置的地面转移和运输，需配置车载真空系统）、解封与分样设备、样品存储装置、样品盒和转移箱、充氮密封操作台、样品封装设备、高纯氮气供给设备等。

1.3 对设备内部材料的要求与控制

设备内部的材料可能释放出对月球样品造成污染的物质，壁体材料则可能渗透外部的水和氧等污染物质，因此必须严格控制设备材料，在解封时处于真空环境中的材料选用真空放气率小的材料[6]。材料选用的原则为：（1）真空出气率低；（2）水、氧、有机物释放量低；（3）吸附性低；（4）防水、氧渗透能力高。例如选择操作手套材料时，需研究评估材料的气体渗透率（如图1所示[7]）等特性。

图1 三种真空手套材料气体渗透率对比图

2 月球样品密封装置地面解封与分样设备的设计

如前所述，月球样品密封封装装置漏率要求为5×10-11Pa·m3/s以下，月球样品密封封装装置机械结构精细，密封性好；同时密封封装样品的全过程在月球上自动进行，机械系统复杂，给地面解封装置的设计和工程实现带来了很高的难度。在解封时保持样品原始状态，并且解封后样品的处理或储存工作需要在真空或高纯氮气保护的洁净环境中进行，因此，解封与分样设备是最为重要的地面应用设备。文章重点介绍解封与分样设备的设计。

月球样品密封封装装置采用真空密封的密封方式。在月球的超高真空环境中采集样品，再将样品放入容器中并进行真空密封，使样品在返回地面过程中仍处于原有的真空环境中，如图2所示。

图2 月球样品密封封装装置图

作者所在的研究小组于2012年研制成功珍稀样品存储与处理环境条件维持设备，实物如图3所示。在此设备部分设计的基础上，进行了月球样品密封封装装置地面解封与分样设备构型设计（如图4所示），研究了解封关键机械结构，满足在月球样品不受地球环境污染的条件下，对真空密封封装装置进行解封，对解封过程中释放的微量气体[8]进行实时分析，以及对解封后的样品进行分样及转移的功能要求。

图3 珍稀样品存储与处理环境条件维持设备原理样机图

图4 月球样品密封装置地面解封与分样模型图

3 污染防护设备主要环境技术指标分析

在标准状态下，1 mol任何气体的分子数（阿伏加德罗数）NA为6.022×1023个，1 m3中任何气体分子数n0为2.687×1025个（洛喜密脱常数）。常温下，1个大气压时N2的气体分子数：

设高纯N2中H2O的含量为50 ppm，O2的含量为20 ppm，则对应的H2O和O2的分子数分别为：

相应的要求在纯N2环境中的O2单位体积分子数小于8.92×10-4mol·m-3。大气中O2的容积百分比为21%，即在标准状态下对应的分子数占比为21%；在中高真空压力范围内可以忽略所选真空泵对不同气体的选择性抽气所带来的计算误差，加之H2O分子的影响，则可认为在此条件下O2分子数占比最大为21%（以下按此数值进行计算）。

根据气体的压力公式[9]：

式中：P气体的压力，Pa；n单位体积内的分子数，即气体的分子数密度，m-3；k玻尔兹曼常数，1.38×10-23J/K；T气体热力学温度，K；

针对几个典型真空压力点，计算出单位体积内的总分子数以及O2分子数，列于表1中。

表1 不同压力下单位体积内的总分子数及O2分子数

考虑到真空解封室中的气体泄露和各种材料出气带来的气体载荷，以及探月工程的高可靠度要求，采用主泵为涡轮分子泵、前级为干式真空泵的抽气机组配置方案。干式真空泵的极限压力一般为0.1~10 Pa，涡轮分子泵前级压力10~1 Pa，极限压力＜10-8Pa；基于对可能气体载荷的计算，此种配置可以保证解封真空室工作压力小于5×10-2Pa，相应的最大O2分子数为4.2×10-6mol·m-3，充分满足O2分子数小于8.92×10-4mol·m-3的要求。

同时要求在真空环境中H2O的单位体积分子数小于2.23×10-3mol·m-3，如式（2），由于H2O分子相对于其他气体分子较难在真空抽气中去除，需特别加以考虑。若真空解封室工作压力为5×10-2Pa左右，则根据经验，此时容器内的气体成分主要为N2、H2O、CO2和O2，其中H2O分子所占比例约为20%，则对应于H2O的分压力为1×10-2Pa。

根据式（4）计算出真空解封室工作压力为5×10-2Pa时的H2O分子数为4.0×10-6mol·m-3，H2O分子数满足小于2.23×10-3mol·m-3的要求。

综上所述，主泵为涡轮分子泵、前级为干式真空泵的抽气机组配置方案可以满足真空解封室高纯N2中H2O的含量小于等于50 ppm，O2的含量小于等于20 ppm的需求，所以此种配置方案可以运用于真空解封室。

4 结论

月球样品的采集与返回极其困难，月球样品来之不易，非常珍贵。为了保证月球样品在保持其原始状态的情况下得到科学的处理、存贮和科学研究，需要对转移的全过程进行污染防护与控制，制定科学化的控制指标。计算结果表明，真空解封室的环境控制可以采取以涡轮分子泵为主泵、干式真空泵为前级泵的抽气机组方案，该方案可以满足真空解封室环境维持的需求。

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