CN110686817B - 一种粒子束发射角的测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种粒子束发射角的测量装置,包括粒子加速器、绝缘垫、控制开关、压力传感阵列、阵列绝缘板、数据收集器、数据处理器和数据同步显示器,通过高灵敏度的压力传感器来测量由电子枪产生的中性粒子束的发射角。本发明测量的是粒子束的力学特性,不仅仅局限于中性粒子束,其他粒子束也适用,应用的范围更广。

Description

一种粒子束发射角的测量装置
技术领域
本发明属于粒子束测量领域,尤其涉及一种粒子束发射角的测量装置。
背景技术
测量中性粒子束的力学特性对于研究中子在太空碎片的清除领域具有重大意义,到目前为止,人类已经将大约6000余颗航天器送入地球外太空,但是只有1000多颗航天器可以正常工作,绝大部分的航天器都因为各种故障损坏、燃料耗尽等原因而成为了空间碎片,即太空垃圾。美国的SSN检测数据显示,太空垃圾数量十分庞大,总重量大约在6300吨,且空间碎片的数量随着时间的增长而不断最多,且增速呈加快趋势。太空垃圾显然已经给太空活动造成了严重的威胁,治理空间碎片污染是一项非常紧急且重大的课题,利用粒子束产生的推力来推移离轨空间碎片垃圾的方式由于其具有:
(1)由于中性粒子束不带电,则它不会受到空间中的尘埃颗粒的影响,因此也不存在变轨问题,在清除空间碎片的过程中更加稳定;
(2)它是接触式的离轨方法,通过发射的中性粒子束与空间碎片进行相互作用但工作卫星不需要与碎片直接接触进而达到清除的目的,能维持目标的稳定性;
(3)它可以用一个管控卫星执行多个碎片的清除任务,当清除一个碎片后可以机动到下一个碎片继续进行清除,具有很高的效率;
(4)它还具有使用简单、成本低、操作安全等潜在优势,适用于不同轨道、不同尺寸大小的空间碎片的清除等优势而成为了当下较为流行的研究方法。此方法的其中一个关键就在于通过粒子束系统向空间碎片发射高能粒子束,进而产生足够的推力。
对于中性粒子束,由于其不带电,则无法直接利用测量带电粒子束的方法测量其发射情况,目前实验室测量粒子束能量常见的方法有射程法、能量灵敏探测器测量方法和磁分析等方法。通常采用探测器、前置放大器和主放大器构成的多道分析测量系统及磁分析计数测量系统进行测量,常见的谱仪可分为电离室类型、半导体探测器类型、光电探测器类型等,但它测量的都是粒子束的能量和能谱特性,其主要也是用于研究空间辐射对人体的生物效应提供的重要参量以及用于执行行星找水任务、寻找地球以外的生命现象、行星表面混合辐射环境测量等方面,并不属于力学范畴的测量。
发明内容
针对现有技术中的上述不足,本发明提供的一种粒子束发射角的测量装置用于测量中性粒子束的力学特效。
为了达到以上目的,本发明采用的技术方案为:
本方案提供一种粒子束发射角的测量装置,包括粒子加速器、绝缘垫、控制开关、压力传感阵列、阵列绝缘板、数据收集器、数据处理器和数据同步显示器,其中:
所述粒子加速器与所述压力传感阵列连接;
所述压力传感阵列与所述数据收集器连接;
所述数据收集器与所述数据处理器连接;
所述数据处理器与所述数据同步显示器连接;
所述压力传感阵列分布于所述阵列绝缘板上;
所述绝缘垫位于所述压力传感阵列下;
所述控制开关分别位于所述阵列绝缘板的前壁和后盖上,并与所述压力传感阵列连接。
进一步地,所述压力传感阵列中各压力传感器均为压阻式压力传感器,相邻压力传感器之间有一间隙并相互咬合分布于所述阵列绝缘板上,且任意两个压力传感器之间电绝缘。
再进一步地,每个所述压力传感器内设置有电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4以及弹性平行梁,其中:
所述电阻R1和电阻R3分别粘贴于所述弹性平行梁的上表面;
所述电阻R2和电阻R4分别粘贴于所述弹性平行梁的下表面。
再进一步地,每个所述压力传感器包括由引线、敏感栅、基底和覆盖层构成的应变片,且所述应变片与外部测量电路连接,其中:
所述基底与所述弹性平衡梁连接;
所述引线与所述敏感栅连接;
所述敏感栅通过黏合剂与所述基底连接;
所述覆盖层覆盖于所述引线与所述敏感栅上方。
再进一步地,所述弹性平行梁的一端固定,另一端悬空。
再进一步地,所述压力传感阵列的粒子收集端为黄铜。
再进一步地,所述阵列绝缘板采用高分子合成树脂制成。
再进一步地,所述绝缘垫采用特氟龙材料制成。
本发明的有益效果:
(1)本发明利用传感器阵列装置解决了目前实验室无法测量粒子束的力学特性的困难,且本发明中压力传感阵列分布于所述阵列绝缘板上,即对传感器阵列做了绝缘设计,进一步提高了测量精度;
(2)本发明采用的是传感器阵列,可以全部接收到来自发射集所发射出的全部粒子,进一步提供了测量结果的准确度;
(3)本发明中压力传感器的测量电路可在直流状态下工作,相比交流电路而言,其不受频率影响,更容易精确控制与测量;
(4)本发明可以用于航空航天领域中的空间碎片清除,当能够测量出中性粒子束中发射出去的各粒子的推力的大小时,管控卫星就可以根据不同发射角发射出去的粒子的力的大小不同做出调整,精确地向不同大小的碎片目标发射高能粒子束,从而使清除任务变得更精确,同时也能大大地减低清除成本。本发明不仅仅局限于中性粒子束,其他粒子束也适用,应用的范围更广。
附图说明
图1为本发明的粒子束测量装置的原理图。
图2为本发明中的由压力传感器构成的矩形粒子束收集模块的布局示意图。
图3为本发明中使用的高灵敏度压力传感器的应变片的示意图。
图4为本发明中使用的高灵敏度压力传感器的原理示意图。
图5为本发明中加速完的带电粒子束的发散范围情况示意图。
图6为本发明中矩形粒子束收集模块所对应的结果示意图。
图7为本发明中的由压力传感器构成的圆形粒子束收集模块的正面布局示意图。
其中,1-粒子加速器,2-绝缘垫,3-控制开关,4-压力传感器阵列,401-第一压力传感器,402-第二压力传感器,403-第三压力传感器,404-第四压力传感器,405-第五压力传感器,406-第六压力传感器,407-第七压力传感器,5-阵列绝缘板,501-前壁,502-后盖,6-数据收集器,7-数据处理器,8-数据同步显示器,9-引线,10-敏感栅,11-基底,12-覆盖层,13-弹性平行梁。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
如图1所示,本发明提供了一种粒子束发射角的测量装置,其通过高灵敏度的压力传感器来测量中性粒子束的冲击力特性的装置,用于测量中性粒子束的力学特效,包括粒子加速器1、绝缘垫2、控制开关3、压力传感阵列4、阵列绝缘板5、数据收集器6、数据处理器7和数据同步显示器8,所述粒子加速器1与所述压力传感阵列4连接;所述压力传感阵列4与所述数据收集器6连接;所述数据收集器6与所述数据处理器7连接;所述数据处理器7与所述数据同步显示器8连接;所述压力传感阵列4分布于所述阵列绝缘板5上;所述绝缘垫2位于所述压力传感阵列4下;所述控制开关3分别位于所述阵列绝缘板5的前壁和后盖上,并与所述压力传感阵列4连接,所述压力传感阵列4中各压力传感器均为压阻式压力传感器,相邻压力传感器之间有一间隙并相互咬合分布于所述阵列绝缘板5上,且任意两个压力传感器之间电绝缘,每个所述压力传感器内设置有电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4以及弹性平行梁13,所述电阻R1和电阻R3分别粘贴于所述弹性平行梁13的上表面;所述电阻R2和电阻R4分别粘贴于所述弹性平行梁13的下表面,每个所述压力传感器包括由引线9、敏感栅10、基底11和覆盖层12构成的应变片,且所述应变片与外部测量电路连接,所述基底11与所述弹性平衡梁13连接;所述引线9与所述敏感栅10连接;所述敏感栅10通过黏合剂与所述基底11连接;所述覆盖层12覆盖于所述引线9与所述敏感栅10上方,所述弹性平行梁13的一端固定,另一端悬空,所述压力传感阵列4的粒子收集端为黄铜;所述阵列绝缘板5采用高分子合成树脂制成;所述绝缘垫2采用特氟龙材料制成。
图2(a)是本发明中的由压力传感器构成的矩形粒子束收集模块的正面布局示意图,图2(b)是本发明中的由压力传感器构成的矩形粒子束收集模块的反面布局示意图;在图1-图2中,本发明中的粒子束测量装置包括粒子加速器1、绝缘垫2、控制开关3、前壁501、后盖502、压力传感阵列4、阵列绝缘板5、数据收集器6、数据处理器7和数据同步显示器8。其中,阵列绝缘板5上设置有多个用于接收粒子束的高灵敏度的压力传感器阵列4,即图中的第一压力传感器401、第二压力传感器402、第三压力传感器403、第四压力传感器404、第五压力传感器405、第六压力传感器406和第七压力传感器407,压力传感器阵列4有一间隙相互咬合布满整个阵列绝缘板5,压力传感器阵列4下面设置有绝缘垫2,所述控制开关3分别位于阵列绝缘板5的前壁501和后盖502的下边。阵列绝缘板5和绝缘垫2均为电绝缘体,压力传感器阵列4和前壁501均为电导体,压力传感器阵列4的导出线贯穿整个阵列绝缘板5最终和控制开关口3相连,任意两个压力传感器之间电绝缘,任意一个压力传感器与本装置的外壁之间也电绝缘。
本实施例中,图3是本发明中使用的高灵敏度压力传感器的应变片的示意图;本装置的外壁前端设置有开关端与外界控制电路相连,装置中间的传感器之间有阵列绝缘板5,压力传感器包括由引线9、敏感栅10、基底11、覆盖层12构成的应变片,敏感栅10用一根高电阻系数的细丝弯曲成栅状,用黏合剂把它固定在基底11上,基底11很薄,用引线9把敏感栅10的电阻元件和测量电路连接,压力传感器的数量为多个,多个压力传感器构成一个矩形阵列,其表面是一个粒子收集模块,用于同时收集并测量从电子枪发射出来的分散的粒子束。
本实施例中,图4是本发明中使用的高灵敏度压力传感器的原理示意图;压力传感器是将四片电阻R1、R2、R3、R4分别粘贴在弹性平行梁13的上下两表面适当的位置,梁的一端固定,另ー端自由,用于加载粒子束的冲击力F。弹性梁受载荷作用而弯曲,梁的上表面受拉,其对应的电阻R1和R3则受拉伸作用电阻增大,同理,梁的下表面受压,其对应的电阻R2和R4则减小。所有的压力传感器都和数据处理模块相连,其集成了总数据收集器6和总数据处理器7两个模块,用于收集并处理来自压力传感器上的所有数据,每一个压力传感器都对应一个显示器,这些显示器合并构成了数据同步显示器8,其最终结果通过显示器阵列同步显示出来,高灵敏度的压力传感器可以测量出毫牛(mN)级别大小的力,从而非常直观地观察出带电粒子束的力学分布特性。本实施例中,本发明的粒子束测量装置所述的前壁501、第一压力传感器401、第二压力传感器402、第三压力传感器403、第四压力传感器404、第五压力传感器405、第六压力传感器406和第七压力传感器407上的粒子收集模块的材料为黄铜,阵列绝缘板5为高分子合成树脂,绝缘垫2为特氟龙。多个压力传感器和阵列绝缘板的结构通过印制电路板的焊盘、过孔、表面敷铜等制造工艺实现。
本实施例中,如图5所示,从电子枪发射出来的中性粒子束经过粒子加速器1带电并由给定电压的回旋加速器加速后,成为具有一定速度的粒子束,最终以不同的发散角(图5中所示的α为向上发射的最大发射角,β为向下的最大发射角)打到上述压力传感器阵列上,即第一压力传感器401、第二压力传感器402、第三压力传感器403、第四压力传感器404、第五压力传感器405、第六压力传感器406和第七压力传感器407上,再被压力传感器表面的粒子束数据收集器6收集,于是应变片的敏感栅10获得形变,则电阻R1-R4也随之发生变化,压力传感器内部将电阻变化转换为电压变化,通过A/D转换之后在数据同步显示器8上实时地显示出来。由于发射出的粒子束的各个粒子具有不同的发射角,其速度存在大小差异,则在各个传感器上收集到的粒子的冲击力也存在强弱差异,从而可以测量出带电粒子束的力学特效分布。设从加速器发射出去的粒子为氩粒子,其形成的氩粒子束的向上的最大发射角为α,向下的最大发射角为β,可知,从这两个角度发射出去的粒子是少数的,它打在压力传感器阵列上的冲击力最小,而沿着水平方向发射出去的粒子的冲击力最大,以水平线为分界线,粒子打在压力传感器阵列上的冲击力随着发射角增大而逐渐变小。对于沿着水平方向(即发射角为0°)发射出去的氩粒子,设在一个脉冲时间内从电子枪中喷出的氩粒子束经过圆截面管道传输,设截面为圆,其半径R用ω表示。管道中粒子的体密度为n个/m3,粒子的速度为v,每个粒子的带电量为q=6.67×10-26kg。又设在粒子处理装置1中的加速器上加的电压为50kv,从电子枪加速喷出的氩粒子束打到传感器上的时间dt为1ms=1×10-3s,经过数据处理器8处理,在数据同步显示器8上显示了其力为1.3N,为最大值;随着发射角的增大,粒子打在压力传感器阵列上的冲击力随着发射角增大而逐渐变小,当发射角为最大值α和β=5°时,数据收集器6上已经无法采集到数据,于是可以测出其发射角范围为[0°-5°],数据同步显示器上显示的矩形阵列传感器所测量的数据如图6(a)所示。
实施例2
图7(a)是本发明中的由压力传感器构成的圆形粒子束收集模块的正面布局示意图;图7(b)是本发明中的由压力传感器构成的圆形粒子束收集模块的反面布局示意图;本实例中的粒子束测量原理和实例1没有区别,其区别在于粒子束测量装置在结构上与实例1有细微区别,图7(a)和图7(b)的压力传感器是圆形,其构成的阵列是圆形阵列。测出的发射角范围为[0°-3°],数据同步显示器上显示的矩形阵列传感器所测量的数据如图6(b)所示。
需要说明的是,在上述描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是,本发明所阐述的测量装置并不局限于中性粒子束和氩粒子束,对于一般带电粒子束的测量也同样适用,本发明中所设计的压力传感器阵列所用传感器的个数不局限于36(矩形,6*6)个和19(圆形)个。压力传感器阵列所用传感器的形状也不局限于矩形或圆形,对于其他诸如扇形、环形或正n边形都适用。因此,本发明的保护范围并不受以上公开的具体实施例的限制。

Claims (8)

1.一种粒子束发射角的测量装置,其特征在于,包括粒子加速器(1)、绝缘垫(2)、控制开关(3)、压力传感阵列(4)、阵列绝缘板(5)、数据收集器(6)、数据处理器(7)和数据同步显示器(8),其中:
所述粒子加速器(1)与所述压力传感阵列(4)连接;
所述压力传感阵列(4)与所述数据收集器(6)连接;
所述数据收集器(6)与所述数据处理器(7)连接;
所述数据处理器(7)与所述数据同步显示器(8)连接;
所述压力传感阵列(4)分布于所述阵列绝缘板(5)上;
所述绝缘垫(2)位于所述压力传感阵列(4)下;
所述控制开关(3)分别位于所述阵列绝缘板(5)的前壁和后盖上,并与所述压力传感阵列(4)连接。
2.根据权利要求1所述的粒子束发射角的测量装置,其特征在于,所述压力传感阵列(4)中各压力传感器均为压阻式压力传感器,相邻压力传感器之间有一间隙并相互咬合分布于所述阵列绝缘板(5)上,且任意两个压力传感器之间电绝缘。
3.根据权利要求2所述的粒子束发射角的测量装置,其特征在于,每个所述压力传感器内设置有电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4以及弹性平行梁(13),其中:
所述电阻R1和电阻R3分别粘贴于所述弹性平行梁(13)的上表面;
所述电阻R2和电阻R4分别粘贴于所述弹性平行梁(13)的下表面。
4.根据权利要求3所述的粒子束发射角的测量装置,其特征在于,每个所述压力传感器包括由引线(9)、敏感栅(10)、基底(11)和覆盖层(12)构成的应变片,且所述应变片与外部测量电路连接,其中:
所述基底(11)与所述弹性平行梁(13)连接;
所述引线(9)与所述敏感栅(10)连接;
所述敏感栅(10)通过黏合剂与所述基底(11)连接;
所述覆盖层(12)覆盖于所述引线(9)与所述敏感栅(10)上方。
5.根据权利要求3所述的粒子束发射角的测量装置,其特征在于,所述弹性平行梁(13)的一端固定,另一端悬空。
6.根据权利要求1所述的粒子束发射角的测量装置,其特征在于,所述压力传感阵列(4)的粒子收集端为黄铜。
7.根据权利要求1所述的粒子束发射角的测量装置,其特征在于,所述阵列绝缘板(5)采用高分子合成树脂制成。
8.根据权利要求1所述的粒子束发射角的测量装置,其特征在于,所述绝缘垫(2)采用特氟龙材料制成。
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