CN102891063B - 空间用四极滤质器及同时获得大气密度和大气成分的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于卫星、飞船及深空探测器的空间用四极滤质器以及同时获得航天器运行轨道空间自然大气密度和自然大气成分的方法，其包括：离子源组件、四极杆组件、芯柱组件和传感器管壳；其中离子源组件包括离子源、屏蔽栅、离子注入栅、准直器以及套筒连接件，且离子源、屏蔽栅、离子注入栅、所述准直器及所述套筒连接件自上至下依次相连；其中离子源包括：阴极、加速栅极、电子抑制栅、离子抑制栅及总量收集栅；电子抑制栅、离子抑制栅从上至下依次装在所述离子源上；总量收集栅连接在屏蔽栅和离子注入栅之间。本发明能够同时实现大气密度和大气成分的测量，还达到了高集成度、体积小及空间环境适应能力强的要求。

Description

空间用四极滤质器及同时获得大气密度和大气成分的方法

技术领域

本发明涉及空间探测领域，尤其是涉及一种可以用于卫星、飞船及深空探测器的空间用四极滤质器及采用该空间用四极滤质器同时获得航天器运行轨道空间的自然大气密度和自然大气成分的方法。

背景技术

空间自然大气密度和自然大气成分是空间环境最重要的因素，其变化受到太阳活动、地磁扰动、经度、纬度、高度、星下点地方时、季节等因素的影响，是空间环境研究的主要对象。空间大气密度和大气成分探测已有数十年的历史。人类对大气密度和大气成分认识已有一定的基础。但是随着科学研究的深入、航天技术的广泛渗透，人类对空间大气密度、大气成分的认识开始上一个新的台阶，更高的探测需求得以提出。

自然大气密度是低轨航天器运行的主要阻力，也是影响航天器轨道控制精度、姿态控制精度以及在轨寿命的重要参数，而现有大气模型误差较大，尤其在太阳活动和地磁扰动时误差尤其明显，无法准确反映航天器运行轨道的大气参数，将对航天器的运行造成重大影响，因此获取高精度大气密度和成分的在轨实测数据对航天器尤为重要。而四极质谱计是测量大气密度和大气成分的一种重要手段。

四极质谱计是基于真空条件下电子轰击气体分子，电离后产生不同质荷比的离子由四极滤质器进行分离，并进行检测的动态质谱仪。空间用四极质谱计包含传感器即四极滤质器、电子线路和机械机构。其中，四极滤质器是指由直流和射频叠加的四极场构成的质量分析器。

已有技术存在的问题主要是四极质谱计，尤其是四极滤质器部分，功能单一，无法同时实现自然大气密度和自然大气成分的测量，且无法很好地适应空间环境，在经受空间力学振动、高低温、空间辐照等环境下，性能会发生下降；另一方面，由于以往探测装置在系统集成度方面的限制，很难在实现上述多种测量目标的同时，又能达到高集成度的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种空间用四极滤质器，其能够同时实现自然大气密度和自然大气成分的测量，还达到了高集成度、体积小的要求。

为解决上述技术问题，本发明提供一种空间用四极滤质器，该空间用四极滤质器包括：离子源组件、四极杆组件、芯柱组件、传感器管壳和后端处理电路，离子源组件和四极杆组件装在传感器管壳内且离子源组件装在四极杆组件上，芯柱组件连接在传感器管壳的底部并密封传感器管壳，芯柱组件还与后端处理电路相连；其中，所述离子源组件包括离子源、屏蔽栅、离子注入栅、准直器以及套筒连接件，且所述离子源、所述屏蔽栅、所述离子注入栅、所述准直器及所述套筒连接件自上至下依次相连；其中所述离子源包括：阴极和加速栅极；所述离子源组件还包括电子抑制栅、离子抑制栅及总量收集栅；所述电子抑制栅、所述离子抑制栅从上至下依次装在所述离子源上；所述总量收集栅连接在所述屏蔽栅和所述离子注入栅之间。

较佳地，离子源设有阴极阻尼支架，阴极阻尼支架用于支撑阴极。

本发明还提供一种同时获得航天器运行轨道空间的自然大气密度和自然大气成分的方法，该方法包括：吸收航天器运行轨道空间的自然大气中的自然电子；

吸收航天器运行轨道空间的自然大气中的自然离子，得到中性自然气体分子；

将所述中性自然气体分子电离成与大气压力成正比的离子流，吸引该离子流并进行收集，使一部分与大气压力成正比的离子流形成总量离子流；获得所述传感器管壳的取样室内的气体温度；结合总量离子流以及所述取样室内的气体温度信号，来计算所述航天器运行轨道空间的自然大气的密度；

调制未收集到且与大气压力成正比的离子流，以使该离子流平行地注入所述四极杆；再使所述离子流与四极杆径向平行；将该离子流分离成不同质荷比的离子；收集通过所述四极杆的离子流，得到质谱离子流；根据该质谱离子流获得所述航天器运行轨道空间的自然大气成分的质谱图信息，根据该质谱图信息即可获得所述航天器运行轨道空间的自然大气成分及其含量。

较佳地，在离子源组件中进行以下步骤：分别利用所述电子抑制栅、所述离子抑制栅相继吸收所述航天器运行轨道空间的自然大气中的自然电子、自然离子；并且，采用所述总量收集栅收集通过所述屏蔽栅的离子流。

较佳地，结合总量离子流以及取样室内的气体温度信号，根据下述关系式来计算所述航天器运行轨道空间的自然大气密度，其中，关系式为：

$N_a=P_g{\left(2\mathrm{\πkm}{T}_g\right)}^{-\frac{1}{2}}/V\cos \mathrm{\θ},$

其中，该关系式中的字母含义如下：

N_a：自然大气分子数密度(个/立方厘米)；

P_g：取样室内的大气压力(帕斯卡)；

T_g：取样室内的气体温度(开尔文)；

m：大气分子平均质量(克)；

k：玻尔兹曼常数，该常数的数值为：1.380658(12)，单位为10^-23J/K；

V：飞行器相对于大气的飞行速度(米/秒)；

θ：航天器飞行速度矢量与测孔平面法线的夹角—测孔攻角度；

根据质谱离子流获得所述航天器运行轨道空间的自然大气成分的质谱图信息，根据所述质谱图上谱峰的位置和幅值，即可获得所述航天器运行轨道空间的自然大气的大气成分以及含量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

由于本发明实施例的空间用四极滤质器中的离子源通过阻尼弹簧装有阴极，从而实现了当本发明实施例的空间用四极滤质器处于振动、高低温环境时，性能不会下降，提高了空间环境适应能力。

由于本发明实施例的空间用四极滤质器中的离子源组件集成了电子抑制栅、离子抑制栅及总量收集栅，所以实现了比现有技术更高的集成度，而且减小了体积，并且由于离子源组件装有总量收集栅，所以本发明实施例的空间用四极滤质器能够同时测量航天器运行轨道空间的自然大气的大气密度和大气成分以及航天器表面气体成分。

附图说明

图1为被处理气体流经本发明实施例的空间用四极滤质器各个部件的示意图；

图2为离子源组件结构示意图；

图3为四极杆组件结构示意图；

图4为芯柱组件结构示意图；

图5为传感器管壳结构示意图；

图6为本发明实施例的四极滤质器后端处理电路框图；

图7为在传感器管壳内离子源组件、四极杆组件和芯柱组件的组装示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明做详细的阐述。

本发明实施例的空间用四极滤质器包括：离子源组件、四极杆组件、芯柱组件和传感器管壳。其中，图7显示了在传感器管壳内离子源组件、四极杆组件和芯柱组件组装在一起的情况。离子源组件通过套筒连接件装在四极杆组件上，四极杆组件的底部连接芯柱组件，芯柱组件还与后端处理电路相连，在套装传感器管壳后芯柱组件能够对传感器管壳进行密封。

图2显示的是离子源组件的结构示意图。离子源组件包括：离子源、电子抑制栅、离子抑制栅、屏蔽栅、总量收集栅、离子注入栅、准直器以及套筒连接件(未图示)。其中，电子抑制栅、离子抑制栅、支架、离子源、屏蔽栅、总量收集栅、离子注入栅、准直器及套筒连接件自上至下依次相连。离子源包括：阴极(也称热电子发射阴极)、加速栅极以及用于防止振动过载的阴极阻尼支架，阴极为一根细丝，加速栅极为弹簧状，阴极安装在加速栅极外；阴极阻尼支架用于支撑阴极；离子源用于将中性气体分子电离。电子抑制栅用于吸收自然电子，也就是用于抑制航天器运行轨道空间的自然电子。离子抑制栅用于吸收自然离子，也就是用于抑制航天器运行轨道空间的自然离子。屏蔽栅用于吸引中性气体电离后产生的离子。总量收集栅用于收集与大气压力成正比的离子流。离子注入栅的中心位置设有离子注入孔(未图示)，离子注入栅用于通过施加电场的方式来调制离子流，以使该离子流平行于四极杆并注入四极杆。准直器用于纠正离子流注入四极杆的方向，使离子流与四极杆径向平行。套筒连接件用于连接离子源组件和四极杆组件。

图3显示的是四极杆组件的结构示意图。四极杆组件包括：四极杆、陶瓷引线(未图示)、法拉第杯。四极杆位于法拉第杯上方；四极杆由四根带有直流电压和射频交流电压(即直流电压和射频交流电压相叠加)的导电杆(也即电极)构成，四根导电杆互相平行，相对的一对导电杆是等电位的，两对导电杆之间的电位相反，两个相对面的两个导电杆为一对(或者说是一组)，两组导电杆通相反的电压，构成双曲面型电场，用于分离不同质荷比的离子；从离子源入射的离子穿过四极杆的双曲面型电场，会受到电场的作用，只有选定的离子以限定的频率稳定地通过四极滤质器，其它离子则碰到极杆而被吸滤掉，不能通过四极滤质器，从而达到“滤质”的作用。实际上，在一定条件下，被检测离子与电压呈线性关系。因此，改变直流和射频交流电压可达到质量扫描的目的。陶瓷引线用于将四极杆的导电杆引出，并与芯柱组件的可伐引线相连。法拉第杯用于收集通过四极杆的离子，获得与各种气体的密度值相对应的离子流。

图4显示的是芯柱组件的结构示意图。芯柱组件包括：芯柱本体、可伐引线和密封垫圈。芯柱组件连接在传感器管壳的底部；其中，芯柱本体用于固定四极杆组件和离子源组件；可伐引线用于将电子抑制栅、离子抑制栅、离子源、屏蔽栅、总量收集栅、离子注入栅、准直器、四极杆及法拉第杯连接至后端处理电路；密封垫圈用于密封传感器管壳，使装在传感器管壳内的离子源组件和四极杆组件与后端腔体隔离。

图5显示的是传感器管壳的结构示意图。传感器管壳包括：前端阻流板、管壳壳体、前端取样孔(也就是标准测孔)。其中，前端取样孔形成在管壳壳体的顶部，前端取样孔内设有前端阻流板，前端取样孔用于对航天器运行轨道空间的自然大气进行取样；前端阻流板位于前端取样孔内，前端阻流板用于将航天器运行轨道空间的自然大气静压力变换成传感器内动压力；在前端取样孔的后方且在管壳壳体内形成有取样室，取样室具有取样室温度贴点；管壳壳体用于保护离子源组件、四极杆组件、法拉第杯等，将本发明实施例的空间用四极滤质器整体进行密封保护。

图6为与本发明实施例的四极滤质器相连的后端处理电路的框图。后端处理电路包括：扫描电源、扫描控制电路、放大电路、离子源控制电路和主控机。其中，主控机分别连接放大电路、离子源控制电路和扫描控制电路；扫描控制电路、扫描电源和本发明实施例的四极滤质器依次相连；该四极滤质器还分别连接放大电路和离子源控制电路。

主控机用于采集并处理放大后的总量离子流、质谱离子流和该取样室内的气体温度信号，产生四极滤质器扫描控制初级信号；该四极滤质器扫描控制初级信号输出给扫描控制电路；

扫描控制电路对该四极滤质器扫描控制初级信号进行处理后，产生周期性变化的直流/射频扫描信号(其为直流信号与射频信号叠加在一起的信号)，该直流/射频扫描信号输出给扫描电源；

扫描电源用于产生直流/射频比恒定的直流/射频交流电压(即直流电压和射频交流电压的叠加电压)，扫描电源将该直流电压/射频交流电压经芯柱组件的可伐引线施加到电子抑制栅、离子抑制栅、离子源、屏蔽栅、总量收集栅、离子注入栅、准直器、四极杆及法拉第杯，以用于区分不同质荷比的离子；

离子源控制电路用于保持离子源发射电流的稳定性，确保离子源输出离子流与中性气体成正比；后端处理电路用于从本发明实施例的空间用多功能四极滤质器获取总量离子流信号、质谱离子流信号以及取样室内的气体温度信号，以用于计算航天器运行轨道空间的自然大气的密度和航天器运行轨道空间的自然大气的大气成分。

图1显示的是被处理气体流经本发明实施例的空间用四极滤质器各个部件的示意图。从中可知，本发明实施例的空间用四极滤质器处理航天器运行轨道空间的自然大气的处理流程。

具体地获得航天器运行轨道空间的自然大气的密度和成分的方法如下：

航天器运行轨道空间的自然大气包括中性自然气体分子、自然离子和自然电子；该自然大气通过设在传感器管壳上的前端阻流板、前端取样孔进入取样室，自然离子和自然电子分别由前端的离子抑制栅和电子抑制栅吸收，前端阻流板将自然大气压力转换成管壳内动态压力；中性自然气体分子经过离子源中的阴极电离，形成与大气压力成正比的离子流，该离子流先被屏蔽栅所吸引，然后一部分离子流被总量收集栅收集，在总量收集栅上会形成与大气压力成正比的总量离子流。总量离子流直接经陶瓷引线引入芯柱的可伐引线，与芯柱组件的可伐引线相连的后端电路结合总量离子流信号和取样室温度贴点测得的取样室内的气体温度信号，以用于计算大气密度；未被总量收集栅收集的离子流经离子注入孔注入离子注入栅，然后进入准直器，离子流被准直器调整方向，使离子流进入四极杆进行电场调制，其中四极杆的两对电极通入电压，并保持直流射频电压比的恒定，在四极杆中形成双曲面电场，最终使不同质荷比的离子分别通过四极杆，法拉第杯用于收集通过四极杆的离子，获得与各种气体的密度值相对应的质谱离子流，该质谱离子流经芯柱组件的可伐引线，引入后端处理电路，该后端处理电路中的扫描控制电路将产生的直流/射频扫描信号加到四极杆上，以用于分离不同质荷比的离子，从而可获得相应气体成分的质谱图信息。

将总量离子流信号、质谱离子流信号和取样室温度贴点测得的取样室内的气体温度信号通过可伐引线引到后端处理电路中的放大电路，该放大电路将这些信号进行放大处理；主控机用于采集并处理放大后的总量离子流、质谱离子流和该取样室内的气体温度信号，通过主控机的数据总线发送相关组帧数据到航天器平台，然后该航天器平台将主控机输出的数据传送到地面，最终根据这些数据计算出航天器运行轨道空间的大气分成及其密度。

根据该质谱图上谱峰的位置和幅值，即可得到中性气体的成分和含量，也就是空间中的大气成分。

根据气体分子动力学理论，大气密度可通过如下基本关系式计算：

$N_a=P_g{\left(2\mathrm{\πkm}{T}_g\right)}^{-\frac{1}{2}}/V\cos \mathrm{\θ}$

该关系式中的字母含义如下：

N_a：自然大气分子数密度(个/立方厘米)；

P_g：取样室内的大气压力(帕斯卡)；

T_g：取样室内的气体温度(开尔文)；

m：大气分子平均质量(克)；

k：玻尔兹曼常数，该常数的数值为：1.380658(12)，单位为10^-23J/K；

V：飞行器相对于大气的飞行速度(米/秒)；

θ：航天器飞行速度矢量与测孔平面法线的夹角—测孔攻角度；

由上述基本关系式可知，由本发明实施例获得的P_g和T_g，再结合航天器工程系统提供的V和θ数据，即可测得航天器运行轨道空间的自然大气的密度。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种空间用四极滤质器，其包括：离子源组件、四极杆组件、芯柱组件和传感器管壳，离子源组件和四极杆组件装在传感器管壳内且离子源组件装在四极杆组件上，芯柱组件连接在传感器管壳的底部并密封传感器管壳；其中，所述离子源组件包括离子源、屏蔽栅、离子注入栅、准直器以及套筒连接件，且所述离子源、所述屏蔽栅、所述离子注入栅、所述准直器及所述套筒连接件自上至下依次相连；其中所述离子源包括：阴极和加速栅极；其特征在于：所述离子源组件还包括电子抑制栅、离子抑制栅及总量收集栅；所述电子抑制栅、所述离子抑制栅从上至下依次装在所述离子源上；所述总量收集栅连接在所述屏蔽栅和所述离子注入栅之间。

2.根据权利要求1所述的空间用四极滤质器，其特征在于：所述离子源设有阴极阻尼支架，所述阴极阻尼支架用于支撑所述阴极。

3.一种使用上述权利要求1或2所述的空间用四极滤质器同时获得航天器运行轨道空间自然大气密度和自然大气成分的方法，其特征在于，该方法包括：

吸收航天器运行轨道空间的自然电子；

吸收航天器运行轨道空间的自然离子，得到中性自然气体分子；

将所述中性自然气体分子电离成与大气压力成正比的离子流，吸引该离子流并进行收集，使一部分与大气压力成正比的离子流形成总量离子流；获得所述传感器管壳的取样室内的气体温度；结合总量离子流以及所述取样室内的气体温度信号，来计算所述航天器运行轨道空间的自然大气的密度；

调制未收集到且与大气压力成正比的离子流，以使该未收集到且与大气压力成正比的离子流平行地注入所述四极杆；再使所述未收集到且与大气压力成正比的离子流与四极杆径向平行；将该未收集到且与大气压力成正比的离子流分离成不同质荷比的离子；收集通过所述四极杆的离子流，得到质谱离子流；根据该质谱离子流获得所述航天器运行轨道空间的自然大气成分的质谱图信息，根据该质谱图信息即可获得所述航天器运行轨道空间的自然大气成分及其含量。

4.根据权利要求3所述的同时获得航天器运行轨道空间的自然大气密度和自然大气成分的方法，其特征在于：在离子源组件中进行以下步骤：分别利用所述电子抑制栅、所述离子抑制栅相继吸收所述航天器运行轨道空间的自然大气中的自然电子、自然离子；然后，采用所述总量收集栅收集通过所述屏蔽栅的离子流。

5.根据权利要求3所述的同时获得航天器运行轨道空间的自然大气密度和自然大气成分的方法，其特征在于：

结合总量离子流以及取样室内的气体温度信号，根据下述关系式来计算所述航天器运行轨道空间的自然大气密度，其中，关系式为：

$N_a=P_g{\left(2\mathrm{\πkm}{T}_g\right)}^{-\frac{1}{2}}/V\cos \mathrm{\θ},$

其中，该关系式中的字母含义如下：

N_a：自然大气分子数密度，单位为个/立方厘米；

P_g：取样室内的大气压力，单位为帕斯卡；

T_g：取样室内的气体温度，单位为开尔文；

m：大气分子平均质量，单位为克；

k：玻尔兹曼常数，该常数的数值为：1.380658(12)，单位为10^-23J/K；

V：飞行器相对于大气的飞行速度，单位为米/秒；

θ：航天器飞行速度矢量与测孔平面法线的夹角—测孔攻角度；

根据质谱离子流获得所述航天器运行轨道空间的自然大气成分的质谱图信息，根据所述质谱图上谱峰的位置和幅值，即可获得所述航天器运行轨道空间的自然大气的大气成分以及含量。