CN111182708A - 一种结合紫外辐射产生中性尘埃粒子流的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于尘埃粒子加速器技术领域，具体涉及一种结合紫外辐射产生中性尘埃粒子流的装置。本发明技术方案在电离腔中设置了底部为网格的尘埃容器且尘埃容器上设有可受控启闭的振动机构。达到释放条件时，开启振动机构即可实现尘埃粒子从尘埃容器中快速、均匀分散到电离腔中。并且，本发明装置还设置了辐射腔，可以利用紫外光等促进光电效应的发生，从而低耗、高效地获得可在真空环境的太空中应用的中性粒子流，进而有效清除空间碎片，具有极大的推广价值和广阔的应用前景。

Description

一种结合紫外辐射产生中性尘埃粒子流的装置

技术领域

本发明属于中性尘埃粒子加速器技术领域，具体涉及一种结合紫外辐射产生中性尘埃粒子流的装置。

背景技术

空间碎片是指人类在太空活动中产生的废弃物及其衍生物，主要包括废弃航天器、火箭末子级、执行任务过程中的抛弃物、火箭爆炸物、空间飞行器解体以及碎片之间相互碰撞产生的碎片等。空间碎片是空间环境的主要污染源，轨道上日益增多的空间碎片必将影响和威胁人类对空间资源的可持续利用，空间碎片移除是未来航天任务必须面对的重要问题。

目前国内外常规的技术方案里，通常采用推移离轨、增阻离轨、抓捕离轨这三类技术手段实现空间碎片的移除。推移离轨利用激光、离子束、太阳辐射等能量束作用于空间碎片，产生特定力的作用，使其离开原来的轨道；增阻离轨通过增加碎片的飞行阻力，降低碎片轨道高度，进而缩短碎片轨道寿命，使其在规定的时间内离轨再入大气；抓捕移除通过任务飞行器与空间碎片直接物理接触的方式来移除碎片。其中，通过离子束推移离轨的方法，由于操作安全等优点正受到各方的广泛关注和研究。离子束推移离轨技术是一种新型的非接触式空间 碎片清除方式，适合于远距离操作，不需要交会过程和复杂的控制系统，适合于不同轨道、不同尺寸大小的空间碎片。对比激光等通过材料熔融实现离轨的技术，使用同样的能源成本，离子束推移离轨方式的动量传递效要高得多。目前， 欧空局、日本、俄罗斯都提出了类似的概念。

在离子束推移空间碎片离轨的方法中，重要问题之一就是产生和释放大量且稳定的离子束，并且为了实现离子束的物理连接，通常需要额外的消耗来产生适当的离子束。这种技术的缺点是喷射出的离子束自由分散，可控性较差；效率较低，离轨时间较长，实现起来代价较高。因此，尘埃粒子加速器技术领域，亟需一种能提高离子束可控性和工作效率的离子束产生装置。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种能有效降低消耗成本、明显提高推进效率的产生并发射离子束的装置。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种结合紫外辐射产生中性尘埃粒子流的装置，包括首尾顺次连通的电离腔、加速腔、辐射腔和偏转腔，所述电离腔、所述加速腔、所述辐射腔和所述偏转腔均为两端开口的平置圆筒状，所述装置还包括与所述电离腔管道相通的真空系统以及为所述电离腔、所述加速腔、所述辐射腔和所述偏转腔提供电能的电力系统；

所述电离腔中设有电离组件，所述加速腔设有加速组件，所述辐射腔内设有辐射组件，所述偏转腔外侧壁设有偏转组件，所述加速腔的尾端与所述辐射腔的首端之间、所述辐射腔的尾端与所述偏转腔的首端之间分别设有绝缘环。

进一步的，所述电离组件包括同心设置于所述电离腔中的网状放电电极，所述网状放电电极的外侧面与所述电离腔的内壁之间有序设置若干将二者相连的第一绝缘柱，所述网状放电电极所围空间的上部设有可受控释放尘埃的尘埃容器，所述电离腔首部端口设有观察窗。

进一步的，所述尘埃容器为竖置圆筒状，所述尘埃容器的底面为网孔结构，所述尘埃容器的顶部或侧壁设有可受控启闭的振动机构。

进一步的，所述观察窗通过可拆卸式紧固旋钮固定在所述电离腔的首部端口位置，所述观察窗与所述电离腔的首部端口之间设有密封垫片。

进一步的，所述真空系统包括气罐，所述气罐的输出端通过进气管道与所述电离腔的侧壁上开设的进气孔连通，所述进气管道上设有控制阀；所述真空系统还包括真空泵，所述真空泵的输入端通过出气管道与所述电离腔侧壁上开设的出气孔连通，所述出气管道上设有控制阀。

进一步的，所述加速组件包括设置于所述加速腔首部端口与所述电离腔尾部端口之间的网状正电极和设置于所述加速腔尾部端口与所述辐射腔首部端口之间的网状负电极，所述加速腔外侧壁同心设置有磁聚焦线圈；所述磁聚焦线圈通过若干在加速腔外侧壁有序分布的第二绝缘柱与所述加速腔连接，在所述加速腔内形成恒定磁场。

进一步的，所述辐射组件包括设置于所述辐射腔内部空间的紫外氘灯，所述紫外氘灯通过第三绝缘柱与所述辐射腔内侧壁连接。

进一步的，所述偏转组件包括同心设置于所述偏转腔外侧壁的偏转电极，所述偏转电极通过若干在所述偏转腔外侧壁有序分布的第四绝缘柱与偏转腔连接，在所述偏转腔内形成恒定电场。

进一步的，所述电力系统包括交流电源、脉冲电源、控光电源及直流电源，所述交流电源一端穿过所述电离腔侧壁上开设的第一通道与所述网状放电电极电性连接，另一端与谐振电感和电离腔外侧壁电性连接；所述脉冲电源两端分别穿过加速腔侧壁上开设的第二通道与正电极、负电极电性连接；所述控光电源两端分别穿过辐射腔侧壁上开设的第三通道与紫外氘灯电性连接；所述直流电源与偏转电极电性连接。

进一步的，所述辐射腔和所述加速腔的内径小于所述电离腔的内径。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述技术方案在电离腔中设置了底部为网格的尘埃容器且容器上设有可受控启闭的振动机构，达到释放条件时通过开启振动机构即可实现尘埃粒子从尘埃容器中快速、均匀分散到电离腔中，并且本发明中设置了辐射腔，可以利用紫外光等促进光电效应的发生，从而低耗、高效地获得可在真空环境的太空中应用的中性粒子流，进而有效清除空间碎片，具有极大的推广价值和广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明装置整体结构的正视剖切图；

图2为本发明电离腔的横切截面示意图；

图3为本发明加速腔的横切截面示意图；

图4为本发明辐射腔的横切截面示意图；

图5为本发明偏转腔的横切截面示意图；

图中：1-电离腔；2-加速腔；3-辐射腔；4-偏转腔；101-进气孔；102-出气孔；103-放电电极；104-第一通道；105-第一绝缘柱；106-尘埃容器；107-密封垫片；108-观察窗；109-紧固旋钮；201-正电极；202-第二通道；203-第二绝缘柱；204-磁聚焦线圈；205-负电极；301-第三通道；302-紫外氘灯；303-第三绝缘柱；304-控光电源；305-绝缘圆环；401-偏转电极；402-第四绝缘柱；501-控制阀；502-气罐；503-真空计；504-真空泵；601-交流电源；602-谐振电感；603-脉冲电源；604-直流电源。

具体实施方式

结合图1～图5所示，一种结合紫外辐射产生中性尘埃粒子流的装置，包括首尾顺次连通的电离腔1、加速腔2、辐射腔3、偏转腔4。电离腔1、加速腔2、辐射腔3、偏转腔4均为两端开口的平置圆筒状。该装置还包括与电离腔1管道相通的真空系统以及为电离腔1、加速腔2、辐射腔3、偏转腔4提供电能的电力系统。电离腔1中设有电离组件，加速腔2首部端口、尾部端口、外侧壁设有加速组件，辐射腔3内设有辐射组件，偏转腔4外侧壁设有偏转组件，加速腔2尾端与辐射腔3首端之间、辐射腔3尾端与偏转腔4首端之间设有绝缘环305。可以理解的是，通过设置辐射腔2，利用紫外光等促进光电效应的发生，从而低耗、高效地获得可在真空环境的太空中应用的中性粒子流，进而有效清除空间碎片。在辐射腔3两端设置绝缘环305是为了隔绝加速腔2腔体与辐射腔3腔体、辐射腔3腔体与偏转腔4腔体，保证装置能正常完成产生中性尘埃粒子流的工作进程。

电离组件包括电离腔1中同心设置的网状放电电极103。网状放电电极103外径小于电离腔1内径，通过第一绝缘柱105与电离腔1连接为同心圆结构。网状放电电极103外侧面与电离腔1内壁之间有序设置若干将二者相连的第一绝缘柱105，网状放电电极103所围空间的上部设有可受控释放尘埃的尘埃容器106，电离腔1首部端口设有观察窗108。尘埃容器106为竖置圆筒状，尘埃容器106的底面为网孔结构，具体可采用金属网孔结构，网孔大小为5微米，尘埃容器106的顶部或侧壁设有可受控启闭的振动机构，金属粉尘放置在尘埃容器106中。尘埃容器106采用可更换式底面网孔，通过更换不同孔径大小的底面网孔以筛选不同尺寸尘埃颗粒。观察窗108通过可拆卸式紧固旋钮109固定在电离腔1首部端口位置，观察窗108与电离腔1首部端口之间设有密封垫片107。可以理解的是，设置观察窗108是为了便于通过窗口观察腔体内部的工作情况，在尘埃容器106上设置振动机构可以通过振动促使金属粉尘从尘埃容器106中掉入电离腔1中。

真空系统包括气罐502，气罐502输出端通过进气管道与电离腔1侧壁上开设的进气孔101连通，进气管道上设有控制阀501；真空系统还包括真空泵504，真空泵504的输入端通过出气管道与电离腔1侧壁上开设的出气孔102连通，出气管道上设有控制阀501。可以理解的是，通过真空系统调控电离腔1中的真空度，从而保证能够惰性气体冲入电离腔1之后能够因持续电离发生电子雪崩，进而产生足够的带负电尘埃粒子进入加速腔2。

加速腔2和辐射腔3也成圆筒状，辐射腔3和加速腔2的内径小于电离腔1的内径。加速组件包括加速腔2首部端口与电离腔1尾部端口之间设置的网状正电极201和加速腔2尾部端口与辐射腔3首部端口之间设置的网状负电极205。加速腔2外侧壁同心设置的磁聚焦线圈204。磁聚焦线圈204通过若干在加速腔2外侧壁有序分布的第二绝缘柱203与加速腔2连接，在加速腔2内形成恒定磁场。在加速腔2内形成恒定磁场和负电极205和正电极201之间的电场，磁场可以使带负电尘埃粒子聚焦，电场可以加速带负电尘埃粒子，通过电场、磁场双重作用叠加，能够使带负电尘埃粒子速度快速提升。

辐射组件包括辐射腔3内部空间设置的紫外氘灯302，紫外氘灯302通过第三绝缘柱303与辐射腔3内侧壁连接。紫外氘灯302作为一种紫外光源，也可替换为其他类型的紫外光源。可以理解的是，带负电尘埃粒子经紫外光源辐射，大部分电子发生逃逸，只留下中性尘埃粒子和小部分的带负电尘埃粒子，混合尘埃粒子继续前行，进入偏转腔4。

偏转组件包括偏转腔4外侧壁同心设置的偏转电极401，偏转电极401通过若干在偏转腔4外侧壁有序分布的第四绝缘柱402与偏转腔4连接，在偏转腔4内形成恒定电场。进入偏转腔4的混合尘埃粒子在恒定电场的作用下，带负电尘埃粒子发生偏转，而只剩下中性尘埃粒子独自前行，从而就是产生了中性尘埃粒子流。

电力系统包括交流电源601、脉冲电源603、控光电源304、直流电源604。交流电源601一端穿过电离腔1侧壁上开设的第一通道104与网状放电电极103电性连接，另一端与谐振电感602、电离腔1外侧壁电性连接，输出电压100V-500V，输出频率在10kHz~50kHz之间。脉冲电源603两端分别穿过加速腔2侧壁上开设的第二通道202与正电极201、负电极205电性连接。正电极201是内径为0.2m的圆形网状结构，通过第二通道202与幅值为50kV左右，频率在10kHz~50kHz之间，占空比为50%的脉冲电源603相连。加速腔2内径为0.2m。负电极205为圆形网状，内径为0.2m，通过第二通道202接地。控光电源304两端分别穿过辐射腔3侧壁上开设的第三通道301与紫外氘灯302电性连接。紫外氘灯302主要发射波长在紫外区的190-400nm的紫外光，用以辐射带负电尘埃粒子，功率25w左右。直流电源604与偏转电极401电性连接。可以理解的是，电力系统根据不同的需要为电离腔1、加速腔2、辐射腔3、偏转腔4提供电能。电离腔1、正电极201、加速腔2、磁聚焦线圈204、负电极205、辐射腔3、偏转电极401、偏转腔4环绕同一中轴线，沿该中轴线对称。

本发明产生中性尘埃粒子流的过程是：将可拆卸式紧固旋钮109拧紧，使观察窗108挤压密封垫片107密封电离腔1腔体。打开真空泵504对电离腔1腔体开始抽气，抽气管路上安装有真空计503，通过真空计503测量并显示当前电离腔1腔体内气压。当检测到电离腔1腔体内气压为100Pa时，打开控制阀501，将气罐502中的惰性气体充入电离腔1腔体内。继续抽气，当检测到电离腔1腔体内气压为20Pa时，打开交流电源601，放电电极103和电离腔1腔体内壁等效的电容与谐振电感602一起构成谐振回路，交流电源601工作在谐振回路的谐振点上，使网状放电电极103与电离腔1腔体内壁间形成高电压间隙放电。与此同时，开启尘埃容器106内的震动装置，自由电子在放电空间电场作用下，与中性气体和尘埃粒子碰撞，使中性气体电离，尘埃粒子带负电，中性气体的持续电离引起电子雪崩，气体最终被击穿。电压继续升高，放电实现自持并实现辉光放电。保持电离腔1腔体内气压稳定，经过一段时间后，打开脉冲电源603，同时给控光电源304发送触发信号，通过控光电源304驱动氘灯302进入工作状态。此时，电离腔1内的带负电尘埃粒子受到由磁聚焦线圈204产生的恒定磁场和负电极205与正电极201之间的电场作用，流向负电极205，同时进入电子加速通道2中。带负电尘埃粒子在电场和磁场共同作用下，加速并聚焦通过电子加速通道2，并通过负电极205网孔进入辐射腔3。带负电尘埃粒子在紫外氘灯302的辐射下发生光电效应，大部分电子逃逸后留下由中性尘埃粒子及小部分带负电尘埃粒子组成的混合尘埃粒子。此时混合尘埃粒子流进入偏转腔4，在偏转电极401产生的恒定电场的作用下，混合尘埃粒子中的带负电尘埃粒子发生偏转，最终只有中性尘埃粒子通过出口，形成中性尘埃粒子流。

可以理解的是，本发明还设有中央控制器，中央控制器的内核可以是单片机或PLC。辐射腔3尾端出口继续与其他设备连通，整个产生和利用中性粒子流的装置内部是个密封环境，因此可以通过位于电离腔1的真空系统来调节压力和粒子成分。这些是本技术领域的常规技术或常规选择，为本领域技术人员所熟知，又不是本技术方案的改进重点，在这里略作说明就不再赘述。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

可以理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的组件或机构必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

上述实施方式为本专利较佳的实施例，但本专利的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种结合紫外辐射产生中性尘埃粒子流的装置，其特征在于：包括首尾顺次连通的电离腔（1）、加速腔（2）、辐射腔（3）和偏转腔（4），所述电离腔（1）、所述加速腔（2）、所述辐射腔（3）和所述偏转腔（4）均为两端开口的平置圆筒状，所述装置还包括与所述电离腔（1）管道相通的真空系统以及为所述电离腔（1）、所述加速腔（2）、所述辐射腔（3）和所述偏转腔（4）提供电能的电力系统；

所述电离腔（1）中设有电离组件，所述加速腔（2）设有加速组件，所述辐射腔（3）内设有辐射组件，所述偏转腔（4）外侧壁设有偏转组件，所述加速腔（2）的尾端与所述辐射腔（3）的首端之间、所述辐射腔（3）的尾端与所述偏转腔（4）的首端之间分别设有绝缘环（305）。

2.根据权利要求1所述的结合紫外辐射产生中性尘埃粒子流的装置，其特征在于：所述电离组件包括同心设置于所述电离腔（1）中的网状放电电极（103），所述网状放电电极（103）的外侧面与所述电离腔（1）的内壁之间有序设置若干将二者相连的第一绝缘柱（105），所述网状放电电极（103）所围空间的上部设有可受控释放尘埃的尘埃容器（106），所述电离腔（1）首部端口设有观察窗（108）。

3.根据权利要求2所述的一种结合紫外辐射产生中性尘埃粒子流的装置，其特征在于：所述尘埃容器（106）为竖置圆筒状，所述尘埃容器（106）的底面为网孔结构，所述尘埃容器（106）的顶部或侧壁设有可受控启闭的振动机构。

4.根据权利要求2所述的一种结合紫外辐射产生中性尘埃粒子流的装置，其特征在于：所述观察窗（108）通过可拆卸式紧固旋钮（109）固定在所述电离腔（1）的首部端口位置，所述观察窗（108）与所述电离腔（1）的首部端口之间设有密封垫片（107）。

5.根据权利要求1所述的一种结合紫外辐射产生中性尘埃粒子流的装置，其特征在于：所述真空系统包括气罐（502），所述气罐（502）的输出端通过进气管道与所述电离腔（1）的侧壁上开设的进气孔（101）连通，所述进气管道上设有控制阀（501）；所述真空系统还包括真空泵（504），所述真空泵（504）的输入端通过出气管道与所述电离腔（1）侧壁上开设的出气孔（102）连通，所述出气管道上设有控制阀（501）。

6.根据权利要求2所述的一种结合紫外辐射产生中性尘埃粒子流的装置，其特征在于：所述加速组件包括设置于所述加速腔（2）首部端口与所述电离腔（1）尾部端口之间的网状正电极（201）和设置于所述加速腔（2）尾部端口与所述辐射腔（3）首部端口之间的网状负电极（205），所述加速腔（2）外侧壁同心设置有磁聚焦线圈（204）；所述磁聚焦线圈（204）通过若干在加速腔（2）外侧壁有序分布的第二绝缘柱（203）与所述加速腔（2）连接，在所述加速腔（2）内形成恒定磁场。

7.根据权利要求6所述的一种结合紫外辐射产生中性尘埃粒子流的装置，其特征在于：所述辐射组件包括设置于所述辐射腔（3）内部空间的紫外氘灯（302），所述紫外氘灯（302）通过第三绝缘柱（303）与所述辐射腔（3）内侧壁连接。

8.根据权利要求7所述的一种结合紫外辐射产生中性尘埃粒子流的装置，其特征在于：所述偏转组件包括同心设置于所述偏转腔（4）外侧壁的偏转电极（401），所述偏转电极（401）通过若干在所述偏转腔（4）外侧壁有序分布的第四绝缘柱（402）与偏转腔（4）连接，在所述偏转腔（4）内形成恒定电场。

9.根据权利要求8所述的一种结合紫外辐射产生中性尘埃粒子流的装置，其特征在于：所述电力系统包括交流电源（601）、脉冲电源（603）、控光电源（304）及直流电源（604），所述交流电源（601）一端穿过所述电离腔（1）侧壁上开设的第一通道（104）与所述网状放电电极（103）电性连接，另一端与谐振电感（602）和电离腔（1）外侧壁电性连接；所述脉冲电源（603）两端分别穿过加速腔（2）侧壁上开设的第二通道（202）与正电极（201）、负电极（205）电性连接；所述控光电源（304）两端分别穿过辐射腔（3）侧壁上开设的第三通道（301）与紫外氘灯（302）电性连接；所述直流电源（604）与偏转电极（401）电性连接。

10.根据权利要求1所述的一种结合紫外辐射产生中性尘埃粒子流的装置，其特征在于：所述辐射腔（3）和所述加速腔（2）的内径小于所述电离腔（1）的内径。

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