[发明专利]在拟实月球环境下测量月壤颗粒相互作用力的系统及方法

说明书

本发明涉及在拟实月球环境下测量月壤颗粒相互作用力的系统及方法，通过设计一个月球环境模拟系统来模拟月球的高真空、高温差环境，在该月球环境模拟系统下，结合原子力显微镜，在原子力显微镜的样品台上和探针的微悬臂端部均装上月壤颗粒，控制探针相对于样品在垂直方向做往复运动，得出颗粒间相互作用力值随距离变化的曲线，从而测量出月壤颗粒间的相互作用力的大小。本申请有利于在拟实月球环境下分析月壤颗粒间接触性质，建立精细化数字月壤模型，可为复杂月球环境下月壤宏观性质与工程性质的研究与探索提供理论支撑。

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其涉及在拟实月球环境下测量月壤颗粒相互作用力的系统及方法。

背景技术

原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM），一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。原子力显微镜一般由升降样品盘、探针、信号检测系统、反馈控制系统、扫描系统和信息采集与处理系统构成。

原子力探针是原子力显微镜系统的关键部件之一，是决定原子力显微镜分辨率的最关键因素。原子力探针是一个力学传感器，为了传递样品和探针间的相互作用力而采用悬臂式结构，一般由基片、悬臂和针尖三个部分组成，也有无针尖的。基片用于固定探针，一个基片上可以有一个悬臂，也可以有多个悬臂形成阵列。典型的探针悬臂形状有矩形和三角形，三角形可以提高悬臂的横向刚性，不过对横向扭转力比较不敏感。悬臂的关键参数包括长度、宽度、厚度、弹性系数以及共振频率，因设计和应用的不同，悬臂的尺寸有所差异。探针的弹性系数与探针悬臂的硬度有关，弹性系数越大表示探针悬臂越硬，针尖与样品之间的相互作用力越大。一般弹性系数较大的探针，其共振频率也比较高。

原子力显微镜的工作原理是通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面形貌结构信息及表面粗糙度信息。

月球土壤（lunar soil）是指月球上所特有的土壤，因月面的高真空、高温差（月表气压约为10的负14次方大气压量级，温度为127到-183摄氏度）的特殊环境，月球土壤具有异常高的凝聚力，团块很明显，月壤颗粒表面粗糙，呈不规则球体形状。目前对在月球环境下月壤颗粒间的相互作用力大小的研究鲜有报道，缺乏月壤颗粒间黏附力的精确数据，不利于分析在月球环境下月壤颗粒间的接触性质，不利于研究在月球环境下月壤宏观性质与工程性质的研究和探索。

发明内容

本申请为了解决上述技术问题提供在拟实月球环境下测量月壤颗粒相互作用力的系统及方法。

本申请通过下述技术方案实现：

本申请提供的拟实月球环境下测量月壤颗粒相互作用力的系统，包括月球环境模拟系统和原子力显微镜，所述月球环境模拟系统包括密闭容器、充放气系统、升温系统和冷却系统，密闭容器连接有温度传感器和气压传感器，充放气系统用于调节密闭容器内的压力，升温系统和冷却系统用于调节密闭容器内的温度；

所述原子力显微镜的升降样品盘和微悬臂置于所述密闭容器内。

可选的，所述充放气系统包括抽放气设备，抽放气设备通过气管与密闭容器连接。

可选的，所述密闭容器连接有换热管道，冷却系统包括冷却介质供应源，冷却介质供应源与换热管道连接。

可选的，所述升温系统包括热介质供应源，热介质供应源通过换热管道与密闭容器连接；或者升温系统为辐射升温系统。

本申请提供的在拟实月球环境下测量月壤颗粒相互作用力的方法，该方法使用了所述的系统，具体包括以下步骤：

S1，在微悬臂端部和升降样品盘上分别固定上月壤颗粒，并置于月球环境模拟系统的密闭容器内，调节密闭容器内的温度和气压；