CN107589459A - 电容‑电离耦合式空间微米级碎片探测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电容‑电离耦合式空间微米级碎片探测装置，包括电容传感单元和电离传感单元，电容传感单元由金属层‑绝缘介质层‑金属层三层结构的靶标组成，电离传感单元由栅格和若干平行交错设置的电极组成，电离传感单元与电容传感单元之间设置有压电传感单元。本发明将用于空间微米级碎片探测的电容式传感单元和电离式传感单元结合，在空间微米级碎片撞击事件发生时，通过两个单元的电压、电荷、脉冲时间信号综合处理，可在一次撞击事件中得到微米级碎片的速度、质量和密度。

Description

电容-电离耦合式空间微米级碎片探测装置
技术领域
本发明属于航天技术空间环境探测技术领域，具体涉及一种电容-电离耦合式空间微米级碎片探测装置。
背景技术
近地轨道是人类太空活动的主要区域，近年来，随着太空活动的迅猛增加，空间碎片数量也急剧增加，不同尺寸的空间碎片其潜在威胁程度不同。微米级空间微小碎片占空间碎片总体数量的99％以上，对航天活动存在严重影响。因此极有必要对其进行监测，监测手段主要是在轨监测。现有的探测手段有PVDF型探测器[1张庆志.基于PVDF压电传感器的空间微小碎片探测系统规划研究.中北大学硕士学位论文.2012；2曹光伟.空间微小碎片探测器研制.中国科学院空间科学与应用研究中心硕士学位论文.2007.]，其工作原理为碎片撞击时，PVDF产生去极化反应。这种去极化反应将产生一个瞬时快电荷脉冲，通过电子学电路处理后得到碎片撞击特性。这种探测器存在的缺点是无法推算碎片的质量、速度、密度数值。
中国航天科技集团公司第五研究院第五一〇研究所申请了《一种空间微小碎片的探测方法》，利用探测薄膜暴露在空间进行微小碎片俘获，然后将探测薄膜运回地面，采用物理分析方法分析微小碎片的注入深度和碎片化学组成，根据撞击深度公式的计算，注入深度可以反映出入射碎片的尺寸。这种方法不能确定碎片的速度信息，无法实时探测碎片，具有很大的局限性。
北京空间飞行器总体设计部公开了《微小空间碎片探测用探测器探头及其传感器制备方法》专利，采用金属铝制备碎片探测的灵敏区，但无法探测碎片的速度、密度等数值。
发明内容
为了评估微米级空间微小碎片对航天器运行的影响，需要获得碎片的精确信息，包括质量、密度、速度等参数。为此，本发明的目的是提供一种电容-电离耦合式空间微米级碎片探测装置。
本发明采用了如下的技术方案：
电容-电离耦合式空间微米级碎片探测装置，包括电容传感单元和电离传感单元，电容传感单元由金属层-绝缘介质层-金属层三层结构的靶标组成，电离传感单元由栅格和若干平行交错设置的电极组成，且电离传感单元位于电容传感单元上方，相距一定距离，其中，栅格接地，电极按奇偶顺序设置在格栅上，奇数序号电极接高电压，偶数序号电极接地，同时奇数序号电极还与电离传感器放大器电路连接，电容传感单元表面金属层接电压负极，另一金属层接电阻，然后接电源正极。
其中，奇数序号电极接高电压为300V。
其中，所有的奇数序号电极末端都一起连接至信号放大器电路，所有的偶数序号电极末端都一起连接接地。
其中，空间微小碎片穿过电离传感单元栅格和电极的间隙，撞击电容传感单元的上层金属层，撞击作用下产生冲击波和热量，导致电容传感单元电阻系数瞬时减小，从上层金属层测量得到电容放电电压。
其中，金属层为铝或银。
其中，金属层的厚度不同，要大于空间碎片直径。
其中，绝缘介质层为是聚甲基丙烯酸甲酯或聚硅氧烷。
进一步地，金属层为厚约20um的铝，绝缘介质为厚1.5um聚甲基丙烯酸甲酯，电容探测单元电压UC为200V，电离单元UI电压为300V。
本发明将用于空间微米级碎片探测的电容式传感单元和电离式传感单元结合，电容式传感单元的极板作为电离式传感单元的靶标。空间微米级碎片撞击事件发生时，两个单元的电压、电荷、脉冲时间信号综合处理，可以在一次撞击事件中得到微米级碎片的速度、质量和密度。本发明公开的探测装置能够获得丰富的空间微米级碎片信息。这些信息对于空间微米级碎片的撞击效应评估、建模等研究具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的电容-电离耦合式空间微米级碎片探测装置结构图
其中，1–栅格；2–电极；3-上层金属层；4-绝缘层；5–下层金属层,6–电离传感器放大器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但这仅仅是示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。
图1是本发明的电容-电离耦合式空间微米级碎片探测装置，包括电容传感单元和电离传感单元，电容传感单元由上层铝层(具体的金属层3)-聚甲基丙烯酸甲酯层(具体的绝缘层4)-下层铝层(具体的金属层5)三层结构的靶标组成，两层金属层厚约20um，绝缘介质层厚1.5um，电容探测单元电压UC为200V，电离单元UI电压为300V。电离传感单元由栅格1和若干平行交错设置的电极2组成，且电离传感单元位于电容传感单元上方，相距一定距离，其中，栅格1接地，电极2按奇偶顺序设置在栅格1上，奇数序号电极接高电压300V，偶数序号电极接地，所有的奇数序号电极末端都一起连接至电离传感器放大器6的电路，所有的偶数序号电极末端都一起连接接地。电容传感单元表面金属层3接电压负极，另一金属层5接电阻，然后接电源正极。
其中，空间微小碎片穿过电离传感单元栅格和电极的间隙，撞击电容传感单元的上层金属层，撞击作用下产生冲击波和热量，导致电容传感单元电阻系数瞬时减小，从上层金属层测量得到电容放电电压。
间微小碎片飞向探测器，穿过电离传感单元栅格和电极间隙，撞击电容传感单元的上层金属层3，撞击作用下产生冲击波和热量，导致电容传感单元电阻系数瞬时减小，从金属层3处测量得到电容放电电压。该电压幅值与碎片的速度V和碎片的质量m有关。
撞击过程中形成的等离子体正电荷被电离探测单元收集，其电荷量Q为碎片速度V和质量m的函数，等离子体脉冲前沿上升时间t为碎片密度ρ1的函数。
由下式可得碎片的速度V、质量m和密度ρ1。
其中，L为电容探测单元与电离探测单元之间的距离，ρ2为电容探测单元上层薄膜的密度，c1、α1、β1、c2、α2、β2为标定试验确定的常数。
其中，铝可以替换为银，形成新的实施方式，完全能够获得相同的技术效果。
尽管上文对本发明专利的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明专利的保护范围之内。

Claims (8)

1.电容-电离耦合式空间微米级碎片探测装置，包括电容传感单元和电离传感单元，电容传感单元由金属层-绝缘介质层-金属层三层结构的靶标组成，电离传感单元由栅格和若干平行交错设置的电极组成，且电离传感单元位于电容传感单元上方，相距一定距离，其中，栅格接地，电极按奇偶顺序设置在格栅上，奇数序号电极接高电压，偶数序号电极接地，同时奇数序号电极还与电离传感器放大器电路连接，电容传感单元表面金属层接电压负极，另一金属层接电阻，然后接电源正极。
2.如权利要求1所述的电容-电离耦合式空间微米级碎片探测装置，其中，奇数序号电极接高电压为300V。
3.如权利要求1所述的电容-电离耦合式空间微米级碎片探测装置，其中，所有的奇数序号电极末端都一起连接至信号放大器电路，所有的偶数序号电极末端都一起连接接地。
4.如权利要求1所述的电容-电离耦合式空间微米级碎片探测装置，其中，空间微小碎片穿过电离传感单元栅格和电极的间隙，撞击电容传感单元的上层金属层，撞击作用下产生冲击波和热量，导致电容传感单元电阻系数瞬时减小，从上层金属层测量得到电容放电电压。
5.如权利要求1-4任一项所述的电容-电离耦合式空间微米级碎片探测装置，其中，金属层为铝或银。
6.如权利要求1-4任一项所述的电容-电离耦合式空间微米级碎片探测装置，其中，金属层的厚度不同，要大于空间碎片直径。
7.如权利要求1-4任一项所述的电容-电离耦合式空间微米级碎片探测装置，其中，绝缘介质层为是聚甲基丙烯酸甲酯或聚硅氧烷。
8.如权利要求1-4任一项所述的电容-电离耦合式空间微米级碎片探测装置，其中，金属层为厚约20um的铝，绝缘介质为厚1.5um聚甲基丙烯酸甲酯，电容探测单元电压UC为200V，电离单元UI电压为300V。
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