CN106568832A - 一种用于空间热等离子体能量和成分测量的传感器装置 - Google Patents

一种用于空间热等离子体能量和成分测量的传感器装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于空间热等离子体能量和成分测量的传感器装置，该装置安装在卫星平台上，所述装置包括静电分析器(1)、飞行时间系统(2)、绝缘支撑(3)、机壳(4)和电子学单元(5)，所述静电分析器(1)位于飞行时间系统(2)的上方；所述静电分析器(1)为半球状；包括：准直器、顶盖、内半球和外半球；所述飞行时间系统(2)包括：碳膜、偏转电极、环形微通道板和栅网；所述静电分析器(1)的内半球和外半球的横截面形成的环形与环形微通道板相匹配，形成离子从静电分析器(1)进入飞行时间系统(2)的通道；所述机壳(4)用于支撑和固定静电分析器(1)和飞行时间系统(2)；所述电子学单元(5)为整个装置提供所需的高压。

Description

一种用于空间热等离子体能量和成分测量的传感器装置
技术领域
本发明涉及空间环境探测领域，尤其涉及一种用于空间热等离子体能量和成分测量的传感器装置。
背景技术
极区的上行离子是热层—电离层—磁层耦合的重要途径和表现形式。为了研究热层—电离层—磁层之间的物质耦合机制，需要探测上行离子，在不同高度获取极区不同种类上行离子(包括H+、O+、He+)的速度分布等物理参数。
目前，国内搭载过的离子探测载荷均采用静电分析器的探测方案只进行热离子方向和能量的探测，还未结合飞行时间系统进行过离子成分的测量。因此，需要一种用于空间热等离子体能量和成分测量的传感器装置。
发明内容
本发明的目的在于克服目前缺乏离子成分测量的装置，提供一种用于空间热等离子体能量和成分测量的传感器装置，该装置可以对离子的能量和方向进行测量，对离子的成分进行分辨。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于空间热等离子体能量和成分测量的传感器装置，该装置安装在卫星平台上，所述装置包括静电分析器1、飞行时间系统2、机壳4和电子学单元5，所述静电分析器1位于飞行时间系统2的上方；所述静电分析器1为半球状；包括：准直器、顶盖、内半球和外半球；所述飞行时间系统2包括：碳膜、偏转电极、环形微通道板和栅网；所述静电分析器1的内半球和外半球的横截面形成的环形与环形微通道板相匹配，形成离子从静电分析器1进入飞行时间系统2的通道；所述机壳4用于支撑和固定静电分析器1和飞行时间系统2；所述静电分析器1和飞行时间系统2通过导线与电子学单元5相连，所述电子学单元5为整个装置提供所需的高压。
上述技术方案中，所述装置进一步包括绝缘支撑3；所述飞行时间系统2安装在绝缘支撑3内，所述绝缘支撑3固定在机壳4的内壁上；所述静电分析器1固定在机壳4的上表面。
上述技术方案中，所述飞行时间系统2为柱状，所述绝缘支撑3为圆环状；所述机壳4为柱状。
上述技术方案中，所述静电分析器1和飞行时间系统2是同轴的，同轴度公差值小于0.1mm。
上述技术方案中，在飞行时间系统2中，所述碳膜设置在静电分析器1的出口处；所述碳膜采用碳材料制成；所述环形微通道板由玻璃制成；在环形微通道板下设有由金属膜中间开孔制作而成的栅网，用于收集离子。
上述技术方案中，在飞行时间系统2中，利用环形微通道板在静电分析器1的出口收集出射的离子，环形微通道板分为16等份对应16个探测方向，则每一等份环形微通道板接收的离子方位角视场为22.5°，也就是仪器方位角分辨率为22.5°。
上述技术方案中，所述电子学单元5包括可编程子单元、信号放大器、飞行时间测量电路、高压电路和电源系统，其中，信号放大器对环形微通道板输出的电荷脉冲信号进行放大，输出起始信号脉冲和终止信号脉冲；飞行时间测量电路将起始信号脉冲和终止信号脉冲的时间差转换为数字信号输出给可编程子单元；可编程子单元为一个FPGA；用于根据内部参数控制传感器的运行；高压电路输出传感器所需的高压。上述技术方案中，所述传感器装置还包含卫星接口电路，用于与卫星总线进行通信。
基于上述的传感器装置，本发明还公开了一种用于空间热等离子体能量和成分测量的测量方法，所述方法包括：
步骤1)平行离子束通过静电分析器1的内外半球之间的狭缝时，所述电子学单元5对内半球的高压进行扫描测量；根据狭缝的离子能量与内半球电压成正比；对入射离子的能量进行选择，从而实现对离子的能量测量；
步骤2)确定离子的入射方向；
平行离子束经过静电分析器1后轨迹汇聚为一点，不同方向的离子束的轨迹焦点沿着静电分析器1的出口呈环形分布，一个焦点位置对应一个入射方位角方向；因此通过焦点位置来确定离子的入射方向；
步骤3)根据离子的入射方向利用环形微通道板在静电分析器1的出口收集入射的离子；
步骤4)离子穿过飞行时间系统2的碳膜时产生次级电子；次级电子被飞行时间系统2中的偏转电极偏转到环形微通道板上，产生起始信号；穿过碳膜的离子在飞行时间系统2中继续飞行一段距离后打到环形微通道板上，产生终止信号；终止信号与起始信号的时间差为离子飞行时间t；从而通过离子飞行时间t得到离子的成分信息。
本发明的装置的优点在于：
1、本发明的装置通过传感器结构特殊设计来抑制高能量粒子产生的背景干扰，能够对离子的能量和方向进行测量，获取离子的成分信息；
2、本发明的空间热等离子体能量和成分测量的传感器装置具有结构简单紧凑、原理清晰、安装要求低的特点。
附图说明
图1为本发明的空间热等离子体能量和成分测量的传感器装置的一个优选实施例的结构示意图；
图2为本发明的空间热等离子体能量和成分测量的传感器装置的一个优选实施例中包含的静电分析器和飞行时间系统剖面图；
图3为本发明的空间热等离子体能量和成分测量的传感器装置的一个优选实施例中包含的收集离子的栅网俯视图。
附图标识
1、静电分析器 2、飞行时间系统 3、绝缘支撑
4、机壳 5、电子学单元
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的空间热等离子体能量和成分测量的传感器装置进行详细说明。
如图1所示，一种用于空间热等离子体能量和成分测量的传感器装置，该装置安装在卫星平台上，所述装置包括静电分析器1、飞行时间系统2、绝缘支撑3、机壳4和电子学单元5，其中，所述静电分析器1位于飞行时间系统2的上方；所述静电分析器1固定在机壳4的上表面；所述飞行时间系统2为柱状；所述绝缘支撑3为圆环状；所述飞行时间系统2安装在绝缘支撑3内，所述绝缘支撑3固定在机壳4的内壁上；所述机壳4为柱状；所述静电分析器1和飞行时间系统2通过导线与电子学单元5相连，所述电子学单元5位于机壳4外，为整个装置提供所需的高压。
如图2所示，所述静电分析器1为半球状；包括：准直器、顶盖、内半球和外半球；所述飞行时间系统2包括：碳膜、偏转电极、环形MCP(微通道板,Micro-Channel Plate)和栅网；所述静电分析器1的内半球和外半球的横截面形成的环形与环形微通道板相匹配，形成离子从静电分析器1进入飞行时间系统2的通道；也就是说，静电分析器1和飞行时间系统2是同轴的，同轴度公差值小于0.1mm，以保证离子可以准确地打到飞行时间系统2的环形MCP上，以提高测量的精确度。静电分析器1的出口对应位置有碳膜；所述碳膜采用碳材料制成；所述MCP由玻璃制成。如图3所示，在飞行时间系统2中，在环形MCP下设有由金属膜中间开孔制作而成的栅网，用于收集离子，通过离子在MCP后端阳极位置判断离子入射方向。
在飞行时间系统2中，利用环形MCP在静电分析器1的出口收集出射的离子，环形MCP分为16等份对应16个探测方向，则每一等份MCP接受的离子方位角视场为22.5°，也就是仪器方位角分辨率为22.5°。
所述电子学单元5包括可编程子单元、信号放大器、飞行时间测量电路、高压电路和电源系统，其中，信号放大器对环形微通道板输出的电荷脉冲信号进行放大，输出起始信号脉冲和终止信号脉冲；飞行时间测量电路将起始信号脉冲和终止信号脉冲的时间差转换为数字信号输出给可编程子单元；可编程子单元为一个FPGA；用于根据内部参数控制传感器的运行；高压电路输出传感器所需的高压。此外，所述传感器装置还包含卫星接口电路，用于与卫星总线进行通信。
本发明的装置的测量原理为：
静电分析器1的内外半球之间的狭缝形成一个周期变化的电场，能通过狭缝的离子能量与内半球电压成正比，实现对离子的能量测量；穿过静电分析器1的离子进入后端的飞行时间系统2，通过离子飞行时间计算离子的成分信息。
在本发明的装置中，不同方向入射的平行离子束通过静电分析器1后轨迹汇聚成不同位置的焦点，焦点位置在静电分析器1以外，靠近飞行时间系统2的碳膜，有利于飞行时间系统2的测量。焦点距离碳膜越近(即长焦点)，离子穿过碳膜的发射角度越小，离子成分分辨率越高。即为具备长焦点测量特性的静电分析器测量离子成分。
基于上述装置，本发明还提供了一种用于空间热等离子体能量和成分测量的测量方法，所述方法包括：
步骤1)静电分析器1的内外半球之间的狭缝形成一个周期变化的电场，平行离子束通过这个电场时，内半球通过一根导线连接到电子学单元5，电子学单元5通过DA转换器控制高压电路输出所需的电压，根据狭缝的离子能量与内半球电压成正比；通过对内半球高压扫描实现能量扫描，通过对入射离子的能量进行选择，实现对离子的能量测量；
步骤2)确定离子的入射方向；
平行离子束经过静电分析器(1)后轨迹汇聚为一点，不同方向的离子束的轨迹焦点沿着静电分析器(1)的出口呈环形分布，一个焦点位置对应一个入射方位角方向；因此通过焦点位置来确定离子的入射方向；
步骤3)根据离子的入射方向利用环形微通道板在静电分析器(1)的出口收集入射的离子；
步骤4)离子穿过飞行时间系统(2)的碳膜时产生次级电子；次级电子被飞行时间系统(2)中的偏转电极偏转到环形微通道板上，产生起始信号；穿过碳膜的离子在飞行时间系统2中继续飞行一段距离后打到环形微通道板上，产生终止信号；终止信号与起始信号的时间差为离子飞行时间t；t和离子质量电荷比有直接关系，从而通过离子飞行时间t得到离子的成分信息。
最后所说明的是，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 (9)

1.一种用于空间热等离子体能量和成分测量的传感器装置，该装置安装在卫星平台上，所述装置包括静电分析器(1)、飞行时间系统(2)、机壳(4)和电子学单元(5)，其特征在于，所述静电分析器(1)位于飞行时间系统(2)的上方；所述静电分析器(1)为半球状；包括：准直器、顶盖、内半球和外半球；所述飞行时间系统(2)包括：碳膜、偏转电极、环形微通道板和栅网；所述静电分析器(1)的内半球和外半球的横截面形成的环形与环形微通道板相匹配，形成离子从静电分析器(1)进入飞行时间系统(2)的通道；所述机壳(4)用于支撑和固定静电分析器(1)和飞行时间系统(2)；所述静电分析器(1)和飞行时间系统(2)通过导线与电子学单元(5)相连，所述电子学单元(5)为整个装置提供所需的高压。
2.根据权利要求1所述的用于空间热等离子体能量和成分测量的传感器装置，其特征在于，所述装置进一步包括绝缘支撑(3)；所述飞行时间系统(2)安装在绝缘支撑(3)内，所述绝缘支撑(3)固定在机壳(4)的内壁上；所述静电分析器(1)固定在机壳(4)的上表面。
3.根据权利要求2所述的用于空间热等离子体能量和成分测量的传感器装置，其特征在于，所述飞行时间系统(2)为柱状，所述绝缘支撑(3)为圆环状；所述机壳(4)为柱状。
4.根据权利要求1所述的用于空间热等离子体能量和成分测量的传感器装置，其特征在于，所述静电分析器(1)和飞行时间系统(2)是同轴的，同轴度公差值小于0.1mm。
5.根据权利要求3所述的用于空间热等离子体能量和成分测量的传感器装置，其特征在于，在飞行时间系统(2)中，所述碳膜设置在静电分析器(1)的出口处；所述碳膜采用碳材料制成；所述环形微通道板由玻璃制成；在环形微通道板下设有由金属膜中间开孔制作而成的栅网，用于收集离子。
6.根据权利要求3所述的用于空间热等离子体能量和成分测量的传感器装置，其特征在于，在飞行时间系统(2)中，利用环形微通道板在静电分析器(1)的出口收集出射的离子，环形微通道板分为16等份对应16个探测方向，则每一等份环形微通道板接收的离子方位角视场为22.5°，也就是仪器方位角分辨率为22.5°。
7.根据权利要求1-6之一所述的用于空间热等离子体能量和成分测量的传感器装置，其特征在于，所述电子学单元(5)包括可编程子单元、信号放大器、飞行时间测量电路、高压电路和电源系统，其中，信号放大器对环形微通道板输出的电荷脉冲信号进行放大，输出起始信号脉冲和终止信号脉冲；飞行时间测量电路将起始信号脉冲和终止信号脉冲的时间差转换为数字信号输出给可编程子单元；可编程子单元为一个FPGA；用于根据内部参数控制传感器的运行；高压电路输出传感器所需的高压。
8.根据权利要求1-7之一所述的用于空间热等离子体能量和成分测量的传感器装置，其特征在于，所述传感器装置还包含卫星接口电路，用于与卫星总线进行通信。
9.一种用于空间热等离子体能量和成分测量的测量方法，基于权利要求1-8所述的传感器装置实现，所述方法包括：
步骤1)平行离子束通过静电分析器(1)的内外半球之间的狭缝时，所述电子学单元(5)对内半球的高压进行扫描测量；根据狭缝的离子能量与内半球电压成正比；对入射离子的能量进行选择，从而实现对离子的能量测量；
步骤2)确定离子的入射方向；
平行离子束经过静电分析器(1)后轨迹汇聚为一点，不同方向的离子束的轨迹焦点沿着静电分析器(1)的出口呈环形分布，一个焦点位置对应一个入射方位角方向；因此通过焦点位置来确定离子的入射方向；
步骤3)根据离子的入射方向利用环形微通道板在静电分析器(1)的出口收集入射的离子；
步骤4)离子穿过飞行时间系统(2)的碳膜时产生次级电子；次级电子被飞行时间系统(2)中的偏转电极偏转到环形微通道板上，产生起始信号；穿过碳膜的离子在飞行时间系统(2)中继续飞行一段距离后打到环形微通道板上，产生终止信号；终止信号与起始信号的时间差为离子飞行时间t；从而通过离子飞行时间t得到离子的成分信息。
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