CN105990089B - 一种用于空间离子和中性原子的测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于空间离子和中性原子的测量装置，包括：离子偏转系统、中性原子电离偏转系统、静电分析器、飞行时间系统、电子学处理单元和装置外壳。通过将中性原子电离后生成的离子与从空间直接入射的离子共用后端的静电分析器、飞行时间系统以及电子学处理单元进行测量，将空间离子和中性原子的测量集成到一个探头之内，共用尽可能多的测量部件，最大限度的降低了装置的重量和功耗，也降低了对卫星平台资源的要求，拓展了装置所应用的领域；本发明的测量装置在地球空间领域以及深空探测领域都有着广泛的应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及空间环境探测技术领域，尤其涉及一种空间离子和中性原子综合测量装置。
背景技术
地球空间、行星际以及太阳系其他行星空间的深空到处都存在带电的离子和不带电的中性原子。带电的离子通过电荷交换(接收一个电子)可以变成不带电的中性原子。不带电的中性原子也可以通过电荷交换(失去一个电子)变成带电的离子。带电离子与中性原子之间的电荷交换过程，反映了空间中某些基本的物理机制。因此，空间中带电离子和中性原子信息的测量，可用于研究人类关心的基本物理问题，比如低能量粒子如何加速至高能量粒子，太阳如何影响行星大气的形成和耗散等问题。这些问题的解决有助于人类认识和了解未知世界，也为人类各种航天活动的安全开展提供了保障。带电离子和中性原子的探测是空间探测(特别是深空探测)的必备探测项目。由于中性原子和带电离子可相互转化，对两者同时进行探测能够更精细的反映某些基本物理机制，比如美国的成像卫星(IMAGE)、欧空局的火星快车(Mars Express)上均配备有离子探测器和中性原子探测器作为独立的设备分别同时测量空间离子和中性原子。
目前，针对中性原子的测量通用的方法是：首先将中性原子电离成带电的离子，然后利用带电离子的测量方法进行测量。但是，由于中性原子和离子的测量是通过两台相互独立的单机实现，从而导致仪器的总重量和功耗较大。而在小型卫星探测平台上，要求其搭载的仪器的重量和功耗尽可能的小，以降低发射成本。因此，采用独立的两台仪器对离子和中性原子分开测量的方法就限制了在小型卫星平台上的应用。对此，开发一种装置能够同时测量离子和中性原子，共用尽可能多的探测部件来降低装置的重量和功耗，是一个重要的发展方向。
发明内容
本发明的目的在于，为了克服现有粒子探测设备无法完成对空间离子及中性原子的参数同时测量的问题，本发明提供一种用于空间离子和中性原子的同步测量装置，包括：离子偏转系统、中性原子电离偏转系统、静电分析器、飞行时间系统、电子学处理单元和装置外壳；所述的离子偏转系统用于扩大离子探测视场，并将从空间入射的离子导入静电分析器；所述的中性原子电离偏转系统用于将从空间入射的中性原子电离成带正电的离子后导入静电分析器，同时屏蔽空间入射的带电粒子；所述的静电分析器通过其施加的电压对进入该静电分析器的离子进行能量分析，筛选输出与该电压的数值对应能量的离子；所述的飞行时间系统用于产生从静电分析器输出的离子在固定飞行距离内的起始点电信号和终止点电信号；所述的电子学处理单元用于处理飞行时间系统输出的电信号，获得离子和中性原子的方向、能量、密度和成分信息；所述的装置外壳为装置提供安装平台。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的离子偏转系统包括离子前偏转板和离子后偏转板，所述的离子前偏转板为两个对称设置的剖面45°的圆弧板，所述的离子后偏转板为两个同轴设置的剖面10°的圆弧板；所述的离子前偏转板通过其施加的电压扫描90°范围内任意方向的离子入射；所述的离子后偏转板通过其施加的电压将从离子前偏转板输出的离子导入静电分析器，并通过调节该离子后偏转板上施加的电压值控制离子测量的开启与关闭。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的中性原子电离偏转系统包括：中性原子前偏转板、电离板、引出透镜和中性原子后偏转板；所述的中性原子前偏转板用于偏转屏蔽从空间入射的带电粒子，并将从空间入射的中性原子导入至电离板上；所述的电离板用于将中性原子电离成带正电的离子，并通过引出透镜导入至中性原子后偏转板内；所述的中性原子后偏转板通过其施加的电压将从引出透镜输出的离子导入静电分析器，并通过调节该中性原子后偏转板上施加的电压值控制中性原子测量的开启与关闭。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的电离板采用钛基底上镀氧化钨镀层的材质制成，目的是将从空间入射的中性原子电离。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的静电分析器包括静电分析器外半球和静电分析器内半球；所述的静电分析器外半球和静电分析器内半球之间形成供离子进行偏转运动的通道；通过在静电分析器内半球上施加阶梯扫描电压，筛选输出与该阶梯扫描电压的数值对应能量的离子。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的电离板与静电分析器内半球的下边线夹角为15°。
作为上述技术方案的进一步改进，所述离子前偏转板的对称中心线与静电分析器内半球的下边线夹角为45°。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的飞行时间系统包括：碳膜、偏转电极、微通道板和阳极；所述的碳膜通过施加的负高压对离子加速，以使离子穿透碳膜(11)产生次级电子，所述的偏转电极用于将次级电子偏转至微通道板(13)内侧，产生起始点电信号，穿透碳膜的离子至微通道板外侧产生终止点电信号，所述的阳极收集起始点电信号和终止点电信号，并通过电缆输入至电子学处理单元。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的电子学处理单元包括信号前置放大电路、高压电路、飞行时间测量电路、接口电路、控制电路和电源系统；所述的信号前置放大电路用于对阳极输出的电信号进行放大；所述的高压电路用于为装置提供所需的多路高压；所述的飞行时间测量电路用于测量离子在飞行时间系统中的飞行时间；所述的控制电路用于控制电子学处理单元的运行，并通过控制接口电路与外界通讯；所述的电源系统用于为装置供电。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的碳膜厚度小于20nm，该碳膜附着在透过率为90％的不锈钢栅网上，通过不锈钢栅网在碳膜表面施加高压以加速离子穿射。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的离子前偏转板、离子后偏转板、中性原子前偏转板、中性原子后偏转板、电离板、引出透镜、静电分析器内半球、碳膜、偏转电极、微通道板和阳极均采用聚酰亚胺材料进行绝缘处理。
本发明的一种用于空间离子和中性原子的测量装置优点在于：
通过将中性原子电离后生成的离子与从空间直接入射的离子共用后端的静电分析器、飞行时间系统以及电子学处理单元进行测量，将空间离子和中性原子的测量集成到一个探头之内，共用尽可能多的测量部件，最大限度的降低了装置的重量和功耗，也降低了对卫星平台资源的要求，拓展了装置所应用的领域；本发明的测量装置在地球空间领域以及深空探测领域都有着广泛的应用需求。
附图说明
图1为本发明实施例中一种用于空间离子和中性原子的测量装置的结构剖视图。
图2为本发明实施例中的电子学处理单元的结构示意图。
图3为利用本发明的测量装置安装在卫星平台上的位置关系示意图。
附图标记
1、装置外壳 2、离子前偏转板 3、离子后偏转板
4、中性原子前偏转板 5、电离板 6、引出透镜
7、中性原子后偏转板 8、顶盖 9、静电分析器外半球
10、静电分析器内半球 11、碳膜 12、偏转电极
13、微通道板 14、阳极 15、电缆
16、电子学处理单元
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的一种用于空间离子和中性原子的测量装置进行详细说明。
本发明的一种用于空间离子和中性原子的测量装置，包括：离子偏转系统、中性原子电离偏转系统、静电分析器、飞行时间系统、电子学处理单元和装置外壳；所述的离子偏转系统用于扩大离子探测视场，并将从空间入射的离子导入静电分析器；所述的中性原子电离偏转系统用于将从空间入射的中性原子电离成带正电的离子后导入静电分析器，同时屏蔽空间入射的带电粒子；所述的静电分析器通过其施加的电压对进入该静电分析器的离子进行能量分析，筛选输出与该电压的数值对应能量的离子；所述的飞行时间系统用于产生从静电分析器输出的离子在固定飞行距离内的起始点电信号和终止点电信号；所述的电子学处理单元用于处理飞行时间系统输出的电信号，获得离子和中性原子的方向、能量、密度和成分信息；所述的装置外壳为装置提供安装平台。
基于上述结构的测量装置，如图1所示，在本实施例中，所述的离子偏转系统包括离子前偏转板2和离子后偏转板3，所述离子前偏转板2为两个对称设置的剖面45°的圆弧板，所述的离子后偏转板3为两个同轴设置的剖面10°的圆弧板，该离子前偏转板2通过其施加的电压扫描90°范围内任意方向的离子入射，所述的离子后偏转板3通过其施加的电压将从离子前偏转板2输出的离子引导至静电分析器的入口，并通过调节该离子后偏转板3上施加的电压值控制离子测量的开启与关闭。
所述的中性原子电离偏转系统包括：中性原子前偏转板4、电离板5、引出透镜6和中性原子后偏转板7；所述的中性原子前偏转板4的上下部分分别施加不同极性高压，用于偏转屏蔽从空间入射的带电粒子，以免对中性原子测量造成干扰，并将从空间入射的中性原子导入至电离板5上。所述的电离板5用于将中性原子电离成带正电的离子后，通过施加在引出透镜6上的电压将该离子引入至中性原子后偏转板7内。所述的中性原子后偏转板7通过其施加的电压将从引出透镜6输出的离子导入静电分析器，通过调节中性原子后偏转板7上施加的电压值能够控制中性原子测量的开启与关闭。通过调节离子后偏转板3和中性原子后偏转板7上施加的电压值，以实现离子测量与中性原子测量采用交替开关的方式进行。
所述的静电分析器包括静电分析器外半球9和静电分析器内半球10；所述的静电分析器外半球9和静电分析器内半球10之间形成供离子进行偏转运动的通道；通过在静电分析器内半球10上施加阶梯扫描电压，筛选输出与该阶梯扫描电压的数值对应能量的离子。可通过将静电分析器外半球9接地，静电分析器内半球10施加阶梯扫描电压，以使内外半球之间形成周期变化的电场，此时特定大小的电压只允许特定能量的离子通过通道，以此对入射离子进行能量分析。
所述的飞行时间系统包括：碳膜11、偏转电极12、微通道板13和阳极14；所述的碳膜11通过施加的负高压对静电分析器筛选后输出的离子进行加速，以使离子穿透碳膜11产生次级电子。该次级电子通过偏转电极12上施加的电压偏转至微通道板13内侧，产生起始点电信号，穿过碳膜11的离子继续飞行至微通道板13外侧产生终止点电信号。所述的起始点电信号和终止点电信号由阳极14收集并通过连接的电缆15输入至电子学处理单元16内。
另外，所述的电离板5与静电分析器内半球10的下边线夹角可设计为15°，所述离子前偏转板2的对称中心线与静电分析器内半球10下边线夹角可设计为45°，可以实现离子的2π视场的测量，同时实现中性原子360°×15°视场的测量。
基于上述结构的测量装置，所述的电离板5可采用离子溅射镀膜方式将氧化钨镀在钛基地上。除了电离板5、碳膜11、微通道板13、电缆15和电子学处理单元16以外，图1中示出的其他所有的结构件均可由铝材料制成。所述的碳膜11厚度小于20nm，该碳膜11可附着在透过率为90％的不锈钢栅网上，并通过不锈钢栅网在碳膜11表面施加高压以加速离子穿射。另外，在静电分析器的上方还可覆盖有顶盖8，该顶盖8用于限制离子的运动通道，并辅助将离子引入内、外静电分析器半球的通道内。
所述的顶盖8、离子前偏转板2、离子后偏转板3、中性原子前偏转板4、中性原子后偏转板7、电离板5、引出透镜6、静电分析器内半球10、碳膜11、偏转电极12、微通道板13和阳极14均可采用聚酰亚胺材料进行绝缘处理。所述的离子前偏转板2和离子后偏转板3分别通过聚酰亚胺绝缘材料与顶盖8连接，顶盖8通过聚酰亚胺绝缘材料与装置外壳1固定。所述的中性原子前偏转板4和电离板5分别通过聚酰亚胺绝缘材料与装置外壳1固定。所述的引出透镜6、中性原子后偏转板7和静电分析器内半球10分别通过聚酰亚胺绝缘材料与静电分析器外半球9固定。所述的静电分析器外半球9、碳膜11、偏转电极12、微通道板13和阳极14分别通过聚酰亚胺绝缘材料固定于装置外壳1内。
如图2显示了本发明的用于空间离子和中性原子的测量装置在卫星上的安装位置，该测量装置嵌入式的安装在卫星表面，且将静电分析器以上(包括静电分析器)部分伸出卫星表面，将探测窗口尽量远离卫星表面，减小卫星表面带电状态对离子测量的干扰，同时将电子学处理单元置于卫星舱内，利于电子学处理单元工作环境的温度控制。
如图3所示，所述的电子学处理单元16包括信号前置放大电路、高压电路、飞行时间测量电路、控制电路、电源系统和接口电路。所述的信号前置放大电路通过连接的电缆15对阳极14输出的电信号进行放大；所述的高压电路为装置提供所需要的多路高压，包括正高压和负高压；所述的飞行时间测量电路用于测量离子在飞行时间系统中的飞行时间，通过计算终止点电信号与起始点电信号之间的时间差即获得离子的飞行时间；所述的控制电路可通过FPGA控制整个电子学处理单元16的运行，并通过控制接口电路与外界通讯，如可用于与卫星总线进行通信；所述的电源系统用于为整个装置供电。利用上述电子学处理单元16将离子的飞行时间数据与静电分析器所施加的电压数据结合计算，即得出中性原子或离子的成分信息。所述离子和中性原子的方向信息可包括方位角和俯仰角。由于阳极是环形结构，方位角是通过电信号在阳极上圆周向位置得出，俯仰角通过各偏转板上施加的电压值计算得出；所述的离子和中性原子的密度信息可通过阳极上收集的电信号的单位时间内的计数值获得。
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 (11)
1.一种用于空间离子和中性原子的测量装置，其特征在于，包括：离子偏转系统、中性原子电离偏转系统、静电分析器、飞行时间系统、电子学处理单元和装置外壳；所述的离子偏转系统用于扩大离子探测视场，并将从空间入射的离子导入静电分析器；所述的中性原子电离偏转系统用于将从空间入射的中性原子电离成带正电的离子后导入静电分析器，同时屏蔽空间入射的带电粒子；所述的静电分析器通过其施加的电压对进入该静电分析器的离子进行能量分析，筛选输出与该电压的数值对应能量的离子；所述的飞行时间系统用于产生从静电分析器输出的离子在固定飞行距离内的起始点电信号和终止点电信号；所述的电子学处理单元用于处理飞行时间系统输出的起始点电信号和终止点电信号，获得离子和中性原子的方向、能量、密度和成分信息；所述的装置外壳为装置提供安装平台。
2.根据权利要求1所述的用于空间离子和中性原子的测量装置，其特征在于，所述的离子偏转系统包括离子前偏转板(2)和离子后偏转板(3)，所述的离子前偏转板(2)为两个对称设置的剖面45°的圆弧板，所述的离子后偏转板(3)为两个同轴设置的剖面10°的圆弧板；所述的离子前偏转板(2)通过其施加的电压扫描90°范围内任意方向的离子入射；所述的离子后偏转板(3)通过其施加的电压将从离子前偏转板(2)输出的离子导入静电分析器，并通过调节该离子后偏转板(3)上施加的电压值控制离子测量的开启与关闭。
3.根据权利要求1所述的用于空间离子和中性原子的测量装置，其特征在于，所述的中性原子电离偏转系统包括：中性原子前偏转板(4)、电离板(5)、引出透镜(6)和中性原子后偏转板(7)；所述的中性原子前偏转板(4)用于偏转屏蔽从空间入射的带电粒子，并将从空间入射的中性原子导入至电离板(5)上；所述的电离板(5)用于将中性原子电离成带正电的离子，并通过引出透镜(6)导入至中性原子后偏转板(7)内；所述的中性原子后偏转板(7)通过其施加的电压将从引出透镜(6)输出的离子导入静电分析器，并通过调节该中性原子后偏转板(7)上施加的电压值控制中性原子测量的开启与关闭。
4.根据权利要求3所述的用于空间离子和中性原子的测量装置，其特征在于，所述的电离板(5)采用钛基底上镀氧化钨镀层的材质制成。
5.根据权利要求2或3所述的用于空间离子和中性原子的测量装置，其特征在于，所述的静电分析器包括静电分析器外半球(9)和静电分析器内半球(10)；所述的静电分析器外半球(9)和静电分析器内半球(10)之间形成供离子进行偏转运动的通道；通过在静电分析器内半球(10)上施加阶梯扫描电压，筛选输出与该阶梯扫描电压的数值对应能量的离子。
6.根据权利要求5所述的用于空间离子和中性原子的测量装置，其特征在于，所述的电离板(5)与静电分析器内半球(10)的下边线夹角为15°。
7.根据权利要求5所述的用于空间离子和中性原子的测量装置，其特征在于，所述离子前偏转板(2)的对称中心线与静电分析器内半球(10)的下边线夹角为45°。
8.根据权利要求5所述的用于空间离子和中性原子的测量装置，其特征在于，所述的飞行时间系统包括：碳膜(11)、偏转电极(12)、微通道板(13)和阳极(14)；所述的碳膜(11)通过施加的负高压对离子加速，以使离子穿透碳膜(11)产生次级电子，所述的偏转电极(12)用于将次级电子偏转至微通道板(13)内侧，产生起始点电信号，穿透碳膜(11)的离子至微通道板(13)外侧产生终止点电信号，所述的阳极(14)收集起始点电信号和终止点电信号，并通过电缆(15)输入至电子学处理单元(16)。
9.根据权利要求8所述的用于空间离子和中性原子的测量装置，其特征在于，所述的电子学处理单元(16)包括信号前置放大电路、高压电路、飞行时间测量电路、接口电路、控制电路和电源系统；所述的信号前置放大电路用于对阳极(14)输出的电信号进行放大；所述的高压电路用于为装置提供所需的多路高压；所述的飞行时间测量电路用于测量离子在飞行时间系统中的飞行时间；所述的控制电路用于控制电子学处理单元(16)的运行，并通过控制接口电路与外界通讯；所述的电源系统用于为装置供电。
10.根据权利要求8所述的用于空间离子和中性原子的测量装置，其特征在于，所述的碳膜(11)厚度小于20nm，该碳膜(11)附着在透过率为90％的不锈钢栅网上，通过不锈钢栅网在碳膜(11)表面施加高压以加速离子穿射。
11.根据权利要求8所述的用于空间离子和中性原子的测量装置，其特征在于，所述的离子前偏转板(2)、离子后偏转板(3)、中性原子前偏转板(4)、中性原子后偏转板(7)、电离板(5)、引出透镜(6)、静电分析器内半球(10)、碳膜(11)、偏转电极(12)、微通道板(13)和阳极(14)均采用聚酰亚胺材料进行绝缘处理。
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
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Granted publication date: 20170929 Termination date: 20210129 |
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