CN105764228B - 一种空间中性原子探测仪器的定标系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种空间能量中性原子探测仪器定标系统及方法，所述系统包含：粒子检测仪、粒子束流产生装置、真空罐和转台；其中，转台位于真空罐中，粒子检测仪放置在转台上，粒子束流产生装置位于真空罐的外部侧方，且粒子束流产生装置的轴线与真空罐轴线垂直；所述粒子束流产生装置进一步包含：运输管道、注氢设备、加电的静电偏转板；用于产生输入真空罐的中性原子；所述的粒子检测仪用于初步探测中性原子束流的能量和通量参数；所述粒子检测仪得到的粒子能量和通量参数值与待定标测试的中性原子探测仪得到的粒子能量和通量参数值进行比较，进而修正中性原子探测仪指标，完成中性原子探测仪的定标。
Description
技术领域
本发明涉及空间探测技术领域，尤其涉及一种空间中性原子探测仪器的定标系统及方法。
背景技术
空间环境科学研究进展表明：空间天气变化，尤其是磁层亚暴和磁暴呈全球演化特征。卫星局地空间的等离子体探测只反映了卫星所经过区域的物理特性，且同时具有空间变化和时间变化因素，因此，卫星局地空间的等离子体探测很难满足对空间等离子体全球时、空演化物理特征的空间探测需求。而针对粒子响应能段和特定空间区域，开发具有遥测功能的粒子成像探测技术是开展空间物理研究和空间天气环境监测的迫切要求。
目前，中性原子成像技术是近年来应用于空间探测的一种高新技术，是对空间等离子体和中能粒子分布进行可视化遥感的唯一途径。由于中性原子的空间分布和通量变化与地磁活动密切相关，中性原子成像探测结果包含了等离子体空间分布信息和时间演化过程，因此，能够满足磁暴期间对全球等离子体背景演化过程的空间探测需求，该中性原子成像探测技术将成为未来空间天气环境监测的重要技术。
而对于中性原子成像仪测量的准确性和运行的稳定性，都需要通过地面实验来进行检验，因此，需要设计一套针对中性原子探测仪器进行定标的系统，为中性原子探测仪器的定标提供适合的能量和通量的粒子，以及所需要的真空环境。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有的中性原子成像仪器需要地面定标设备的技术问题，本发明提供了一种空间能量中性原子探测仪器定标系统，利用该装置可以为中性原子探测类仪器的能量、通量的精度、分辨率等定标提供束流和真空环境，从而为仪器研制的质量保证提供保障。
为实现上述目的，本发明提供了一种空间能量中性原子探测仪器定标系统，所述系统包含：粒子检测仪、粒子束流产生装置、真空罐和转台；
其中，所述转台位于真空罐中，所述粒子检测仪放置在转台上，所述粒子束流产生装置位于真空罐的外部侧方，且粒子束流产生装置的轴线与真空罐轴线垂直；
所述粒子束流产生装置进一步包含：运输管道、注氢设备、加电的静电偏转板；所述运输管道的输入端用于输入质子束流及注氢设备产生的氢气，所述氢气及质子束流在运输管道中相互碰撞，且碰撞后的中性原子和质子的混合粒子从运输管道的输出端输出进入静电偏转板，经过静电偏转板对质子的偏转去除以后输出中性原子，碰撞后形成的中性原子将保持与原质子束一致的能量和方向而成束流状输入真空罐；
所述的粒子检测仪用于初步探测中性原子束流的能量和通量参数；
所述粒子检测仪得到的粒子能量和通量参数值与待定标测试的中性原子探测仪得到的粒子能量和通量参数值进行比较，进而修正中性原子探测仪指标，完成中性原子探测仪的定标。
可选的，上述系统还包含：真空抽气装置，该真空抽气装置与真空罐相连，进而将罐体抽成真空。
上述真空抽气装置进一步包含：控制台、机械泵、分子泵、低温泵及检测仪器，控制台用于控制机械泵、分子泵、低温泵及检测仪器开、关机并记录运行状态和真空度；所述控制台连接机械泵、分子泵、低温泵和检测仪器，所述分子泵与低温泵都直接与真空罐连接，且所述分子泵通过机械泵与大气相连，检测仪器安装在真空罐壁。
可选的，上述转台包含：
转台托盘、转台支架及底板，所述底板上设置有导轨，所述转台支架位于转台导轨上，通过转台支架控制转台支架移动；所述转台托盘放置在转台支架上，所述转台托盘用于放置粒子检测仪和待定标的中性原子成像仪。
进一步可选的，上述转台支架的个数为2；其中，两个转台支架位于底板的同一条直径上，分别用于放置中性原子探测仪或粒子检测仪。所述真空罐为不锈钢材料，或所述真空罐设置监控摄像机，或所述真空罐上设置罐壁观察窗。粒子束流产生装置的管道与真空罐壁的侧方相连接，用于提供中性原子束流进入真空罐通道从而输入定标所需中性原子。
本发明的一种空间能量中性原子探测仪器定标系统的优点在于：可以为空间中性原子探测类仪器提供宽能谱、大动态的中性原子束流进行定标，并且保持真空罐内高真空以利于定标实验的开展。
附图说明
图1为本发明的空间能量中性原子探测仪器定标系统结构示意图。
图2为图1朝A-A向剖面示意图。
图3为空间能量中性原子探测仪器定标系统的粒子束流子系统示意图
图4为根据本发明的空间能量中性原子探测仪器定标系统的真空转台示意图。
图5为根据本发明的空间能量中性原子探测仪器定标系统的真空抽气系统示意图。
附图标记
1、真空罐 2、监控摄像机 3、罐壁观察窗
4、待定标仪器 5、真空转台 6、粒子束流产生装置
7、数据采集子系统 8、真空抽气装置 9、粒子检测仪
10、注氢阀门 11、偏转电极板 12、输运管道
13、高压电源 14、供氢设备 15、转台支架
16、转台托盘 17、转台导轨 18、真空机械泵
19、真空分子泵 20、真空低温泵 21、真空检测仪
22、真空控制台
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的进行详细说明。
本发明提出了一种空间能量中性原子探测仪器定标系统，包括粒子束流产生装置、真空罐、转台和真空抽气子系统。
所述粒子束流产生装置产生能量中性原子，粒子束流管道为圆筒状，为定标提供粒子束流，模拟太空中性原子束流，利用加速器或离子枪输出的质子束流与氢气进行碰撞产生中性原子，其后通过加电的静电偏转板过滤掉带电粒子，从而向真空罐内输出中性原子束流。
其中，粒子束流子系统包括输运管道、注氢设备、静电偏转板和高压电源。
所述真空罐由不锈钢材料构成，真空罐为圆筒状，为定标系统提供真空腔体空间，模拟太空的真空状态，其罐壁安装有监控摄像机，侧壁安装有可供观测透明窗，粒子束流管道与真空罐壁连接，底部安装有真空转台。
所述转台为弱磁结构，用来为空间能量中性原子探测仪器和测试仪器提供适当配合位置，真空转台的支架可以安装粒子检测仪及待测仪器。使得在需要粒子检测的将粒子监测仪移动至粒子束流区域，粒子照射样品的时候粒子检测仪移离粒子束流区域，并且把待测仪器移入粒子束流区域。
其中，所述转台包括转台托盘、转台支架及转台导轨。
此外为了使真空罐保持真空状态，本发明所述系统还包含真空抽气装置，所述真空抽气装置包含：控制台、机械泵、分子泵、低温泵及检测仪器。控制台用来控制机械泵、分子泵及低温泵的有序工作，机械泵用来初级抽气，分子泵用来较高真空抽取，而低温泵用来维持高真空进行试验。
所述质子束流的能量范围为30keV到2MeV、通量强度范围为103#/cm2到109#/cm2，从而实现对于空间环境不同活动状态的模拟。
偏转电极板顺着束流方向的长度不小于1m，以尽可能的过滤掉能量为2MeV的带电粒子。
所述中性原子束流到达样品位置处的束流横截面积不小于1mm2、截面以内粒子能量不均匀性小于200％，以便于模拟实验尽可能的模拟空间大面积照射情况。
所述中性原子束流至少可以连续输出束流5分钟以上，以便于可以进行稳定的仪器定标。
所述电真空罐的内部横截面积不小于10cm2，以便于安装可以开展试验所需设备，内壁光滑，内表面不平整度小于1cm，以便于降低内壁的粒子散射。所述真空罐内设置不少于1个监控摄像机和不少于1个真空观察窗，以便于在试验的前、后可以随时观测罐内各类情况。所述真空罐至少有1端可以开门，同时门的直径与真空罐内径相差在10％以内，以便于在试验前后物品的进出。
所述真空转台采用双导轨、双支架，便于两个支架可以独立运行；1个支架用来安装粒子检测仪，1个支架用来安装待定标仪器。所述真空转台，转台支架可以水平两个方向移动，移动精度为不大于1cm，转台托盘可以在垂直方向移动，移动精度为不大于1cm，以便于尽可能的降低测量和试验的对准误差。
所述粒子检测仪的表面面积不小于粒子束流面积，并且检测仪表面与束流管道出口垂直，误差小于30度，尽量降低测量误差。
所述真空罐在试验时期应保持在10-3Pa以上真空度，以降低残留气体对于粒子束流干扰和低气压放电。
实施例
图1和图2为本发明的一个实施例的空间能量中性原子探测仪器定标系统的结构示意图。包括粒子束流子产生装置6、真空罐1、转台5、真空抽气装置部分。
如图3为本发明的一个实施例的真空子系统的示意图，所述粒子束流产生装置用于产生能量中性原子，粒子束流管道为圆筒状，为定标系统提供粒子束流，模拟太空中性原子束流，利用加速器或离子枪输出的质子束流与氢气进行碰撞产生中性原子，其后通过静电偏转板过滤掉带电粒子，从而向真空罐内输出中性原子束流。
所述真空罐1由不锈钢材料构成，真空罐1为圆筒状，为定标系统提供真空腔体空间，模拟太空的真空状态，其罐壁安装有监控摄像机，侧壁安装有可供观测透明窗，粒子束流管道与真空罐壁连接，底部安装有真空转台。
如图4为本发明的一个实施例的真空转台示意图。真空转台为弱磁结构，用来为空间中性原子探测仪器和测试仪器提供适当配合位置，真空转台的支架可以安装粒子检测仪、电位检测仪及试验样品。使得在需要粒子检测的将粒子监测仪移动至粒子束流区域，粒子照射样品的时候粒子检测仪移离粒子束流区域，并且把空间中性原子探测仪器移入粒子束流区域。其中，所述转台5包括转台托盘16、转台支架15及转台导轨17。
如图5为本发明的一个实施例的真空抽气装置8示意图。所述真空抽气装置由控制台22、机械泵18、分子泵19、低温泵20及检测仪器21构成，用来为真空罐抽走气体并维持真空罐真空。控制台用来控制机械泵、分子泵及低温泵的有序工作，机械泵用来初级抽气，分子泵用来较高真空抽取，而低温泵用来维持高真空进行试验。
在本实施例中，所述质子束流的能量范围为30keV到2MeV、通量强度范围为103#/cm2到109#/cm2，从而实现对于空间环境不同活动状态的模拟。至少可以连续输出束流5分钟以上，以便于可以进行稳定的仪器定标。
在本实施例中，偏转电极板顺着束流方向的长度不小于1m，以尽可能的过滤掉能量为2MeV的带电粒子。
在本实施例中，所述中性原子束流到达样品位置处的束流横截面积不小于1mm2、截面以内粒子能量不均匀性小于200％，以便于模拟实验尽可能的模拟空间大面积照射情况。
在本实施例中，真空罐的内部横截面积不小于10cm2，以便于安装可以开展中性原子定标试验所需设备，内壁光滑，内表面不平整度小于1cm。真空罐内设置不少于1个监控摄像机和不少于1个真空观察窗，以便于在试验的前、后可以随时观测罐内各类情况。真空罐至少有1端可以开门，同时门的直径与真空罐内径相差在10％以内，以便于在试验前后待定标测试仪器的进出。
在本实施例中，所述真空转台采用双导轨、双支架，便于两个支架可以独立运行；1个支架用来安装粒子检测仪，1个支架用来安装待测仪器。所述真空转台，转台支架可以水平两个方向移动，移动精度为不大于1cm，转台托盘可以在垂直方向移动，移动精度为不大于1cm，以便于尽可能的降低测量和试验的对准误差。
在本实施例中，所述真空罐在试验时期应保持在10-3Pa以上真空度，以降低残留气体对于粒子束流干扰和低气压放电。
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 (4)
1.一种空间能量中性原子探测仪器定标系统，其特征在于，所述系统包含：粒子检测仪、粒子束流产生装置、真空罐和真空转台；所述真空罐为圆筒状，其底部安装有真空转台，所述真空转台为弱磁结构；
其中，所述真空转台位于真空罐中，所述粒子检测仪放置在真空转台上，所述粒子束流产生装置位于真空罐的外部侧方，且粒子束流产生装置的轴线与真空罐轴线垂直；
所述粒子束流产生装置包含：运输管道、注氢设备、加电的静电偏转板；所述运输管道的输入端用于输入质子束流及注氢设备产生的氢气，所述氢气及质子束流在运输管道中相互碰撞，且碰撞后的中性原子和质子的混合粒子从运输管道的输出端输出进入静电偏转板，经过静电偏转板对质子的偏转去除以后输出中性原子，碰撞后形成的中性原子将保持与原质子束一致的能量和方向而成束流状输入真空罐；
所述的粒子检测仪用于初步探测中性原子束流的能量和通量参数；
所述粒子检测仪得到的粒子能量和通量参数值与待定标测试的中性原子探测仪得到的粒子能量和通量参数值进行比较，进而修正中性原子探测仪指标，完成中性原子探测仪的定标；
所述系统还包含：真空抽气装置，该真空抽气装置与真空罐相连，进而将罐体抽成真空；
所述真空抽气装置包含：控制台、机械泵、分子泵、低温泵及检测仪器，控制台用于控制机械泵、分子泵、低温泵及检测仪器开、关机并记录运行状态和真空度；
所述控制台连接机械泵、分子泵、低温泵和检测仪器，所述分子泵与低温泵都直接与真空罐连接，且所述分子泵通过机械泵与大气相连，检测仪器安装在真空罐壁；
所述真空转台包含：
转台托盘、转台支架及底板，所述底板上设置有导轨，所述转台支架位于转台导轨上，通过转台导轨控制转台支架移动；
所述转台托盘放置在转台支架上，所述转台托盘用于放置粒子检测仪和待定标的中性原子探测器；
粒子束流产生装置的管道与真空罐壁的侧方相连接，用于提供中性原子束流进入真空罐通道从而输入定标所需中性原子。
2.根据权利要求1所述的空间能量中性原子探测仪器定标系统，其特征在于，所述转台支架的个数为2；
其中，两个转台支架位于底板的同一条直径上，分别用于放置中性原子探测仪或粒子检测仪。
3.根据权利要求1所述的空间能量中性原子探测仪器定标系统，其特征在于，所述真空罐为不锈钢材料。
4.根据权利要求1所述的空间能量中性原子探测仪器定标系统，其特征在于，所述真空罐设置监控摄像机，或所述真空罐上设置罐壁观察窗。
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