CN107607589A - 一种空间氢原子原位微型探测器及探测方法 - Google Patents

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本发明公开了一种空间氢原子原位微型探测器及探测方法，该微型探测器包括外壳、保护门Ⅰ、保护门Ⅱ、氢富集单元及氢探测传感器；保护门Ⅰ封闭外壳，形成存储氢的空间，氢富集单元设置在保护门Ⅰ内，氢原子经由保护门Ⅰ进入并存储在氢富集单元上，氢探测传感器设置在外壳内，通过保护门Ⅱ将氢探测传感器隔离。本发明能够搭载在微纳卫星平台上，探测出极低浓度的氢原子浓度，并且精度高、功耗低、体积小。

Description

一种空间氢原子原位微型探测器及探测方法
技术领域
本发明涉及气体浓度的探测的技术领域，具体涉及极低浓度(1011个/m3)氢原子浓度的探测，用于在空间大气环境中氢原子浓度在轨原位探测。
背景技术
空间环境中H元素的丰度为95％，H元素的探测对于揭示宇宙起源、验证大爆炸理论及宇宙红移理论具有重要的学术价值及科学意义。原子氢是上层空间环境大气成分中最主要的中性成分，其成分变化对于超高层大气物理学、太阳物理学都有重要的意义，例如，大气化学、等离子体与中性粒子耦合过程、磁层的能量耗散过程以及地磁风暴都与其有关。另外，作为大气环境中最轻的中性成分，原子氢对于脱离行星引力所需要的能量最低，据估计地球中氢原子逃逸到外层空间中的速度大约为108cm-2s-1，从长远看对于大气演化过程具有深远的意义。
不同于地面环境中氢是以氢气的形式存在，空间环境中的氢元素存由于受等离子体环境中的高能电子及太阳光的辐射作用下，是以单原子H或者H2两种状态存在，并且浓度非常低，只有1011个/m3,因此利用常规方法很难进行氢气检测。因此氢原子探测尤其在轨原位探测技术在国际上属于较难解决的问题。
最近几年随着世界各国对空间环境及空间科学认知能力的提升以及相关探测技术的不断发展，对于地球轨道环境中氢元素探测需求不断提高，例如，2016年Jianqi Qin和Lara Waldrop等人在Nature communications上发表的关于地球地冕中H原子浓度的探测结果，该项研究对于揭示在太阳不同活动周期内的氢原子分布状态进行详细的研究并进行分析。报道中指出，氢元素探测的手段是以太阳最为背景，通过对H原子吸收能量后所发射出的特定波长的光谱进行探测。因此，国外对氢原子的探测通常利用大功率的高频射电望远镜在地面进行遥感探测或者利用航天飞机以及大型卫星搭载复杂的光学成像系统对氢元素进行探测。例如，通过射电望远镜观测氢原子中的超精细结构21cm禁戒跃迁所发射的射电辐射来探测氢原子。这类观测一般适用于低红移的中性氢观测。另一种中性氢的观测方法是利用高红移的天体作为背景光源，当这些光源天体在视线方向存在中性氢云时，中性氢云会在光源天体的连续谱上产生吸收线，然后根据吸收线的特征来推断中性氢吸收体的性质。另外，例如美国1957年首次从火箭上搭载的地冕扫描成像仪对地球大气层氢原子密度进行探测，该项研究对于揭示地冕最外层环境中H浓度具有重要的意义。卫星通过搭载GUVI光谱成像仪度一个太阳活动周期内的地冕气辉进行成像分析，获得了目前地冕环境中最为准确的H原子随太阳活动周期波动的详细数据。
微纳卫星星座式立体分布和实时探测等特点，非常适合作为空间氢探测的搭载平台。目前我国已经开始利用微纳卫星平台进行空间氢探测。但是，由于微纳卫星的重量轻、体积小、功耗低和寿命短等自身特点，其对于载荷的体积、重量和功耗等方面的有了严格限制。因此，研制探测精度高、低功耗、小体积的微传感器技术是实现微纳卫星氢探测技术的关键。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种空间氢原子原位微型探测器及探测方法，该微型探测器能够搭载在微纳卫星平台上，探测出极低浓度的氢原子浓度，并且功耗低、体积小、重量轻。
本发明的具体实施方案如下：
一种空间氢原子原位微型探测器，该微型探测器包括外壳、保护门Ⅰ、保护门Ⅱ、氢富集单元及氢探测传感器；
所述氢富集单元用于存储氢原子并释放氢；
所述氢探测传感器上安装有控温元件和测温元件，保证氢探测传感器工作温度在20℃～50℃范围内；
保护门Ⅰ封闭外壳，形成存储氢的空间，氢富集单元设置在保护门Ⅰ内，氢原子经由保护门Ⅰ进入并存储在氢富集单元上，氢探测传感器设置在外壳内，通过保护门Ⅱ将氢探测传感器隔离。
进一步地，所述氢富集单元为多层结构，每一层均匀设有通孔，且相邻两层的通孔错位排布。
进一步地，所述氢富集单元四周设置加热元件，通过加热方式脱附存储的氢原子。
进一步地，所述外壳内壁、保护门Ⅰ及保护门Ⅱ进行表面处理，防止吸氢。
一种空间氢原子原位微型探测方法，采用所述的微型探测器；工作时，保护门Ⅰ打开，保护门Ⅱ关闭，氢富集单元吸附和存储氢原子，当达到储氢要求时，保护门Ⅰ关闭；氢富集单元脱附存储的氢原子，当脱附完成后，打开保护门Ⅱ；在工作温度为20℃～50℃的范围内，氢探测传感器开始测量微型探测器中的氢浓度，最终通过反演得到空间的氢原子浓度。
进一步地，所述氢富集单元通过加热方式脱附存储的氢原子。
有益效果：
1、本发明体积小，重量轻，功耗低，满足微纳卫星对载荷的特殊要求，可以搭载在微纳卫星平台上使用；本发明利用氢富集单元吸收氢原子解决了空间氢原子浓度低难探测的问题。
2、本发明的氢富集单元设为多层结构，使得相邻两片的通孔彼此错开，迫使气流更多地沿每一层流动，增加了氢原子吸附的几率。
3、本发明的外壳内壁、保护门Ⅰ及保护门Ⅱ进行表面处理，防止自身吸附氢引起测量误差，精度高。
4、本发明的探测方法简便，易于实现，对我国航天传感器的设计具有重要意义。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图2是氢富集单元单层结构示意图；
图3是氢富集单元多层结构示意图。
其中，1-氢原子，2-保护门Ⅰ，3-氢富集单元，4-保护门Ⅱ，5-氢探测微传感器，6-加热元件，7-通孔。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种空间氢原子原位微型探测器，该微型探测器包括外壳、保护门Ⅰ2、保护门Ⅱ4、氢富集单元3及氢探测传感器5，如图1所示。
氢富集单元3用于存储氢原子1并释放氢；氢指氢原子或者氢分子。
氢探测传感器5上安装有控温元件和测温元件，保证氢探测传感器5工作温度在20℃～50℃范围内；
保护门Ⅰ2封闭外壳，形成存储氢的空间，氢富集单元3设置在保护门Ⅰ2内，氢原子1经由保护门Ⅰ2进入并存储在氢富集单元3上，氢探测传感器5设置在外壳内，通过保护门Ⅱ4将氢探测传感器5隔离。
本实施例中，整个微型探测器的尺寸不大于5×5×8cm，体积小。
其中，外壳用于为氢富集单元3释放的氢提供存储空间，防止氢逃逸。外壳采用轻质合金材料，内壁进行表面处理，防止内壁自身吸附氢引起测量误差；为保证整个探测器满足微纳卫星对载荷重量的要求，整个外壳质量小于0.1kg；为保证整个探测器满足微纳卫星对载荷体积的要求，外壳体积不大于5×5×8cm。
保护门Ⅰ2用于为空间的氢原子1进入微型探测器提供通道，并防止氢富集单元3释放的氢逃逸；保护门Ⅱ4用于当保护门Ⅰ2开启时隔绝氢探测传感器5与空间的氢原子1接触，提高氢探测传感器5探测的准确度。采用合金材料，材料进行表面处理，防止自身吸附氢引起测量误差。保护门Ⅰ2和保护门Ⅱ4通过电磁控制进行开启和关闭。
氢富集单元3用于收集存储氢原子1，氢富集单元3四周设置加热元件6，通过加热的方式脱附存储的氢原子1。选择金属氢化物、纳米储氢材料、配位氢化物或沸石分子筛作为氢富集单元3的材料，并通过MEMS技术加工制备。
氢富集单元3为多层结构，每一层均匀设有通孔7，平行放置且相邻两层的通孔7错位排布，迫使气流更多地沿每一层流动，增加了氢原子1吸附的几率。每一层的尺寸不大于4.5×4.5×2.5cm。
氢探测传感器5用于测量氢富集单元3释放的氢浓度。采用电阻型半导体氢气传感器、非电阻型半导体氢气传感器或热电型氢气传感器；为保证整个探测器满足微纳卫星对载荷体积的要求，通过MEMS技术实现小型化，尺寸不大于4.8×4.8×2cm。
由于空间温度变化范围较大，因此需要在氢探测传感器5探头上安装控温元件和测温元件，保证探头工作温度在20℃～50℃范围内。
具体的探测方法如下：
空间氢原子原位微型探测器搭载在微纳卫星迎风面，以7km/s～11km/s的速度在轨运行。当该微型探测器开始工作时，通过电磁控制保护门Ⅰ2打开，此时保护门Ⅱ4关闭，氢富集单元3吸附和存储氢原子1，当达到储氢要求时，保护门Ⅰ2关闭；氢富集单元3通过加热的方式脱附存储的氢原子1，当脱附完成后，通过电磁控制打开保护门Ⅱ4；在工作温度为20℃～50℃的范围内，氢探测传感器5开始测量微型探测器中的氢浓度，最终通过反演得到空间的氢原子浓度。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种空间氢原子原位微型探测器，其特征在于，该微型探测器包括外壳、保护门Ⅰ、保护门Ⅱ、氢富集单元及氢探测传感器；
所述氢富集单元用于存储氢原子并释放氢；
所述氢探测传感器上安装有控温元件和测温元件，保证氢探测传感器工作温度在20℃～50℃范围内；
保护门Ⅰ封闭外壳，形成存储氢的空间，氢富集单元设置在保护门Ⅰ内，氢原子经由保护门Ⅰ进入并存储在氢富集单元上，氢探测传感器设置在外壳内，通过保护门Ⅱ将氢探测传感器隔离。
2.如权利要求1所述的空间氢原子原位微型探测器，其特征在于，所述氢富集单元为多层结构，每一层均匀设有通孔，且相邻两层的通孔错位排布。
3.如权利要求1所述的空间氢原子原位微型探测器，其特征在于，所述氢富集单元四周设置加热元件，通过加热方式脱附存储的氢原子。
4.如权利要求1所述的空间氢原子原位微型探测器，其特征在于，所述外壳内壁、保护门Ⅰ及保护门Ⅱ进行表面处理，防止吸氢。
5.一种空间氢原子原位微型探测方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的微型探测器；工作时，保护门Ⅰ打开，保护门Ⅱ关闭，氢富集单元吸附和存储氢原子，当达到储氢要求时，保护门Ⅰ关闭；氢富集单元脱附存储的氢原子，当脱附完成后，打开保护门Ⅱ；在工作温度为20℃～50℃的范围内，氢探测传感器开始测量微型探测器中的氢浓度，最终通过反演得到空间的氢原子浓度。
6.如权利要求5所述的空间氢原子原位微型探测方法，其特征在于，所述氢富集单元通过加热方式脱附存储的氢原子。
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