CN107808817B - 用于空间微小碎片和微流星体成分探测的飞行时间质谱计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于空间微小碎片和微流星体成分探测的飞行时间质谱计，包括抛物面离子反射镜栅极、抛物面离子反射镜、离子接收器入口栅极、离子接收器、质谱计入口栅网、及若干栅极和靶标，其中，等离子体中的离子在靶标和各栅极之间进行加速和减速，而后进入静电式离子反射镜，速度逐渐减小到零，经静电式离子反射镜加速，穿过各栅极和靶标，进入栅极和抛物面反射镜栅极之间的无电场漂移空间，经抛物面反射镜反射，最后进入离子接收器。本发明可将离子初始能量散布造成的飞行时间差别减小至0，能够以较高分辨率得到离子成分分布及其含量。

Description

用于空间微小碎片和微流星体成分探测的飞行时间质谱计
技术领域
本发明属于航天技术空间环境探测技术领域，具体而言，本发明涉及一种用于空间微小碎片和微流星体成分探测的飞行时间质谱装置。
背景技术
近地轨道存在着大量空间碎片及微流星体。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。而微流星体探测是研究宇宙演化、恒星起源等问题的重要手段之一。因此，微米级碎片及微流星体空间探测具有重要意义。
现有探测手段分为在轨就位探测和轨道取样返回探测两种，但已有的在轨就位探测手段无法对微米级碎片或微流星体的成分进行分析。例如对于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成分、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》，其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，无法实时探测碎片成分，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，其采用金属铝制备碎片探测的灵敏区，但同时也无法探测碎片的成分、速度、密度等数值。
李得天等人发明了《一种小型磁偏转质谱计》，专利号未201010186029.5，该文献公开了采用双通道90度扇形磁分析器，用于分析轨道大气成分，但该发明仅能对中性气体分子进行分析，而无法分析固体颗粒。
吴亚雄等人发明了《一种基于法拉第筒的近场羽流质谱诊断E×B探针》，专利号201510166343.X，该专利仅用于分析同一种物质成分的不同价离子，如一价离子和二价离子，无法高精度分析不同成分。
鉴于此，现有技术中均不能提供一种高精度分析不同成分的飞行时间质谱装置，因此无法满足空间碎片及微流星体的探测要求。
发明内容
为了在轨就位获得微米级空间碎片及微流星体的成分信息，本发明的目的是提供一种用于同时探测空间微小碎片和微流星体成分的飞行时间质谱装置。
本发明采用了如下的技术方案：
本发明的用于空间微小碎片和微流星体成分探测的飞行时间质谱计，包括抛物面离子反射镜栅极、抛物面离子反射镜、离子接收器入口栅极、离子接收器、质谱计入口栅网、及若干栅极和靶标，其中，抛物面离子反射镜镜面内部设置抛物面离子反射镜栅极，质谱计入口栅网中依次并列设置第一栅极、第二栅极、第三栅极和靶标，以及第一对位栅极、第二对位栅极，第二栅极、第三栅极分别与第一对位栅极、第二对位栅极设置在质谱计入口栅网相对的两侧，靶标设置在第一栅极与第二栅极之间且包括靶标在内的第一栅极、第二栅极、第三栅极之间等间距设置，抛物面反射镜的镜面中心延长线上设置有离子接收器入口栅极，离子接收器位置处与中心延长线垂直的方向上设置离子接收器，不同部分的施加电压分别为靶标：约+100V；第二栅极3：-300V；第一对位栅极5：125V；第二对位栅极6：145V；抛物面离子反射镜8：145V；其他栅极和抛物面离子反射镜栅极接地。
其中，抛物面离子反射镜镜面和抛物面离子反射镜栅极具有相同的轮廓。
其中，质谱计入口栅网中的第三栅极和第一对位栅极之间的空间上下设置有辅助栅极组，辅助栅极组由8个圆环状金属板构成，固定于质谱计外壳上，并与外壳绝缘，辅助栅极组在所述空间形成均匀电场，其电压按照固定增量设置。
其中，离子接收器为微通道板。
其中，第一栅极与靶标以及第二栅极、第三栅极之间彼此的间距约为10mm，第三栅极和第一对位栅极的间距83.5mm，第一对位栅极和第二对位栅极之间的间距12.5mm。
进一步地，抛物面反射镜栅极和抛物面反射镜间距5mm，离子接收器与离子接收器栅极之间间距3mm。
其中，进行质谱检测时，高速空间的微小碎片或微流星体以较高速度飞经质谱计入口栅网，撞击靶标，气化电离，产生等离子体。
进一步地，等离子体中的离子在靶标和各栅极之间进行加速和减速，而后进入静电式离子反射镜，速度逐渐减小到零，而后被静电式离子反射镜加速，穿过各栅极和靶标，进入栅极和抛物面反射镜栅极之间的无电场漂移空间，而后被抛物面反射镜反射，最后进入离子接收器。
进一步地，离子接收器与控制存储设备相连，得到与离子数成正比的电流，根据标定关系得到离子的含量。
本发明通过理论分析证明，通过上述复杂电场，可将离子初始能量散布造成的飞行时间差别减小至0，能够以较高分辨率得到离子成分分布及其含量。
附图说明
图1为本发明的用于空间微小碎片和微流星体成分探测的飞行时间质谱计结构图。
其中，1–栅极，2-靶标，3-栅极，4-栅极，5-栅极，6–栅极，7-抛物面离子反射镜栅极，8-抛物面离子反射镜，9-离子接收器入口栅极，10-离子接收器，11-质谱计入口栅网。
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。
参见图1，图1是用于空间微小碎片和微流星体成分探测的飞行时间质谱计的结构示意图。其中，本发明的用于空间微小碎片和微流星体成分探测的飞行时间质谱计内部结构按照图中从左至右的顺序分别为抛物面离子反射镜8、抛物面离子反射镜栅极7、离子接收器入口栅极9、离子接收器10、第一栅极1、靶标2、第二栅极3、第三栅极4、第一对位栅极5、第二对位栅极6、质谱计入口栅网11、和辅助栅极组12。
从功能上划分，飞行时间质谱计可以分为三部分。第一部分由靶标2、第二栅极3、第三栅极4、第一对位栅极5、第二对位栅极6、栅网11和辅助栅极组12组成，该部分功能为离子减速和加速区间。高速颗粒撞击产生等离子体，该部分用于消除其离子的初始能量散布，而后将离子加速至相同能量。第二部分由抛物面反射镜8、抛物面离子反射镜栅极7、第一栅极1、离子接收器入口栅极9组成，该部分为形成无电场漂移空间。不同质量的离子具有不同速度，漂移空间使不同质量的离子实现分离。第三部分为离子接收器10，其接收不同时间到达的离子流，生成脉冲信号。其中，抛物面离子反射镜8镜面内部设置抛物面离子反射镜栅极7，质谱计入口栅网11中依次并列设置第一栅极1、靶标2、距离靶标另一侧最近的第二栅极3和相对较远的第三栅极4，以及第一对位栅极5和第二对位栅极6，栅极1,3,4分别与第一对位栅极5、第二对位栅极6设置在质谱计入口栅网相对的两侧，在具体的实施方式中，靶标2和第二栅极3间距10mm，第二栅极3和第三栅极4间距10mm，第三栅极4和第一对位栅极5间距83.5mm，第一对位栅极5和第二对位栅极6间距12.5mm，抛物面反射镜栅极7和抛物面反射镜8间距5mm，抛物面反射镜8的镜面中心延长线上设置有离子接收器入口栅极9，离子接收器位置处与中心延长线垂直的方向上设置微通道板的离子接收器10，微通道板的离子接收器10与离子接收器栅极9之间间距3mm。不同部分的施加电压分别为靶标2：+100V；第一栅极3：-300V；第一对位栅极5：125V；第二对位栅极6：145V；栅极8：145V；第三栅极4：接地；第一栅极1：接地；抛物面反射镜栅极7：接地。
如图所示，辅助栅极组12由8个圆环状金属板构成，固定于质谱计外壳上，并与外壳绝缘，设置在质谱计入口栅网11的第三栅极极4和第一对位栅极5之间，形成尽可能均匀的电场，其电压按照固定增量设置。
其中，第一栅极1、第二栅极3、第三栅极4、第一对位栅极5、第二对位栅极6、以及其他栅极均为金属丝网，金属丝材质为铝。抛物面离子反射镜8、抛物面离子反射镜栅极7、第一栅极1、靶标2、第二栅极3、第三栅极4、第一对位栅极5、第二对位栅极6和质谱计入口栅网11均固定于飞行质谱计外壳上。其中，第一栅极1、第三栅极4、抛物面离子反射镜栅极7、离子接收器栅极9与外壳电连接，外壳接地。而靶标2、第三栅极3、第一对位栅极5、第二对位栅极6、抛物面反射镜8与外壳绝缘。离子接收器固定于外壳上，与质谱计同轴，与质谱计外壳绝缘。
进行质谱检测时，高速空间的微小碎片或微流星体以较高速度飞经质谱计入口栅网11，撞击靶标2，气化电离，产生等离子体。由于靶标2的电压为正电压(例如+100V)，栅极3电压为负电压(例如-300V)，等离子体中的离子在靶标2和栅极3之间被加速，而后飞经栅极3和栅极4之间空间时，由于栅极4接地，电场方向与离子速度方向相反，离子被减速，而后进入静电式离子反射镜(栅极4、栅极5、栅极6组成，例如电压分别为接地、+125V，+145V)，速度逐渐减小到零，而后被静电式离子反射镜加速，穿过栅极4、栅极3，在栅极3和靶标2之间减速，穿过接地的栅极1，进入栅极1和栅极7之间的无电场漂移空间，而后被抛物面反射镜(栅极7和电极8组成)反射，最后进入离子接收器(栅极9和微通道板10组成)。离子接收器与计算机相连，得到与离子数成正比的电流。根据标定关系可以得到离子的含量。
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 (9)

1.用于空间微小碎片和微流星体成分探测的飞行时间质谱计，包括抛物面离子反射镜栅极（7）、抛物面离子反射镜（8）、离子接收器（10）、质谱计入口栅网（11）、及若干栅极（1,3,4，5,6）和靶标（2），其中，抛物面离子反射镜（8）镜面内部设置抛物面离子反射镜栅极（7），质谱计入口栅网（11）中依次并列设置第一栅极（1）、第二栅极（3）、第三栅极（4）和靶标（2），以及第一对位栅极（5）、第二对位栅极（6），第二栅极（3）、第三栅极（4）分别与第一对位栅极（5）、第二对位栅极（6）设置在质谱计入口栅网（11）相对的两侧，靶标（2）设置在第一栅极（1）与第二栅极（3）之间且包括靶标（2）在内的第一栅极（1）、第二栅极（3）、第三栅极（4）之间等间距设置，抛物面反射镜（8）的镜面中心延长线上设置有离子接收器入口栅极（9），离子接收器位置处与中心延长线垂直的方向上设置离子接收器（10），不同部分的施加电压分别为靶标（2）： +100V；第二栅极（3）：-300V；第一对位栅极（5）：125V；第二对位栅极（6）：145V；抛物面离子反射镜（8）：145V；其他栅极和抛物面离子反射镜栅极接地。
2.如权利要求1所述的飞行时间质谱计，其中，抛物面离子反射镜镜面和抛物面离子反射镜栅极具有相同的轮廓。
3.如权利要求1所述的飞行时间质谱计，其中，离子接收器为微通道板。
4.如权利要求1所述的飞行时间质谱计，其中，质谱计入口栅网中的第三栅极和第一对位栅极之间的空间上下设置有辅助栅极组，辅助栅极组由8个圆环状金属板构成，固定于质谱计外壳上，并与外壳绝缘，辅助栅极组在所述空间形成均匀电场，其电压按照固定增量设置。
5.如权利要求1所述的飞行时间质谱计，其中，第一栅极（1）与靶标（2）以及第二栅极（3）、第三栅极（4）之间彼此的间距约为10mm，第三栅极（4）和第一对位栅极（5）的间距83.5mm，第一对位栅极（5）和第二对位栅极（6）之间的间距12.5mm。
6.如权利要求1所述的飞行时间质谱计，其中，抛物面反射镜栅极（7）和抛物面反射镜（8）间距5mm，离子接收器（10）与离子接收器栅极（9）之间间距3mm。
7.如权利要求1所述的飞行时间质谱计，其中，进行质谱检测时，高速空间的微小碎片或微流星体以较高速度飞经质谱计入口栅网，撞击靶标，气化电离，产生等离子体。
8.如权利要求1-6任一项所述的飞行时间质谱计，其中，等离子体中的离子在靶标和各栅极之间进行加速和减速，而后进入静电式离子反射镜，速度逐渐减小到零，而后被静电式离子反射镜加速，穿过各栅极和靶标，进入栅极和抛物面反射镜栅极之间的无电场漂移空间，而后被抛物面反射镜反射，最后进入离子接收器。
9.如权利要求1-6任一项所述的飞行时间质谱计，其中，离子接收器与控制存储设备相连，得到与离子数成正比的电流，根据标定关系得到离子的含量。
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