CN111487483A - 基于微通道板的紧凑型空间带电粒子探测器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微通道板的空间等离子体探测结构，主要包括两套上下对称固定设置的探测系统，每套探测系统包括一个静电偏转系统、用于能量分析的静电分析器和用于计数的微通道板和阳极板，其中探测器的外包络形状为圆柱体，顶部外接圆锥体，每个静电偏转系统由两块偏转极构成，加上高压静电后形成电场，任何带电粒子在电场作用下发生偏转，通过改变偏转极所加高压静电的大小与极性，来改变进入带电粒子的偏转角度，两套探测系统分别探测的带电粒子为离子和电子。本发明的优点在于，在紧凑的结构中实现了对空间环境中的离子、电子同时探测，互不干扰，既不占用体积、重量等星上资源，更不会因此影响探测范围、精度等关键指标。

Description

基于微通道板的紧凑型空间带电粒子探测器结构
技术领域
本发明属于星载探测结构的技术领域。具体来说，本发明涉及一种在空间环境中用于探测带电粒子的紧凑型探测器结构，可同时探测空间电子和空间离子。
背景技术
在卫星使用过程中，卫星疑似充放电异常主要表现为导航下行频内差、频间差跳变。根据归零分析结论，该异常是由于卫星10.23MHz时钟信号受扰，导致测距值出现整码片的跳变。通过分析某型号卫星在轨期间的环境引起异常事件来看，疑似充放电现象占此类卫星故障总数的47.29％。因此充放电事件在轨引起的卫星异常不可忽视。
进一步地，由于表面带电效应主要由磁层亚暴在磁尾注入的热等离子体引起，因此，需要对卫星附近空间环境的等离子体参量开展探测。探测数据可以用于辅助卫星在轨故障判别、在轨管理等；积累的探测数据可用于为表面带电风险分析及告警提供技术手段。目前，主要采用的探测装置为卫星携带带电粒子探测器，对等离子体环境开展探测。
上述的带电粒子探测器已知包括离子探测器和电子探测器两大类，但数据处理往往需要两者比对分析。因此，如果条件允许，通常同颗卫星上会同时携带一个离子探测器和电子探测器共同开展探测。但是，这样的弊端在于将占用星上更多的体积和重量，提高了卫星携带的成本。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于紧凑型的空间带电粒子探测器结构，该结构从飞行路径的角度来看，离子依次通过静电偏转系统测定其俯仰角，能量分析系统测定其能量电荷比，最后在计数系统测定方位角和通量，即可获得离子的能量、方向、通量等信息；于此同时，电子则通过了另一套静电偏转系统、能量分析系统、计数系统，同样的方法可获得电子的能量、方向、通量等信息。即一个结构同时兼具两种功能。
本发明的发明目的通过以下的技术方案实现：
空间带电粒子探测结构，主要包括两套上下对称固定设置的探测系统，其中每套探测系统包括一静电偏转系统、用于能量分析的静电分析器和用于计数的微通道板和阳极板，其中探测器的外包络形状为圆柱体，顶部外接圆锥体，每个静电偏转系统由两块偏转极构成，加上高压静电后形成电场，任何带电粒子在电场作用下发生偏转，通过改变偏转极所加高压静电的大小与极性，来改变进入带电粒子的偏转角度，两套探测系统分别探测的带电粒子为离子和电子；静电分析器为球面静电分析器，由两块电极组成，两者间的狭缝形成一个标准的几何球面，其作用是筛选E/q在一定范围内的带电粒子；计数系统由微通道板和阳极板构成，微通道板是经过高温热处理后的玻璃材料，能将收到的带电粒子信号强度放大，阳极板是一块印制电路板，正面紧贴微通道板，背面安装有电气插座将收到的放大信号转化为电路信号输出，在静电分析器的出口处使用微通道板探测静电分析器出射的带电粒子，经微通道板倍增后，带电粒子转化为电子束团，电子束团由微通道板下方的阳极板收集，在阳极板上产生电荷脉冲信号，脉冲信号传输至其他电路板后即可读取、分析。
其中，圆锥体中央轴线上部设置一碗状的偏转极，圆锥体与圆柱体连接处设置一圆环形的偏转极，其从外向内圆环高度逐渐降低并在横截面上形成圆弧形，其圆弧形与碗状偏转极之间形成电场，通过电场大小设置来控制带电粒子的偏转。
其中，印制电路板的形状大小与微通道板一致。
其中，偏转极、能量分析器均由铝合金加工制成。
其中，偏转极所加高压静电的大小与极性改变，会改变带电粒子的偏转角度。
其中，本发明结构需要在真空度小于10-3Pa的真空环境下工作。
其中，空间带电粒子探测结构外接的供电和测量设备为电压放大器装置。
本发明的优点在于，不仅能满足等离子体探测的需求，还能很好的适应空间环境，包括了发射段的力学环境、在轨热环境、在轨辐照环境等。而且，离子和电子分别通过了两套静电偏转系统、能量分析系统、计数系统，可分别获得离子和电子的能量、方向、通量等信息。即：一个结构，两种功能兼顾；以下在具体实施方式中详细说明。
附图说明
图1为本发明的基于微通道板的紧凑型空间等离子体探测结构示意图，是沿着轴线切开的剖面图。
其中，1、微通道板B；2、静电分析器B(含一块阳极板)；3、偏转极三；4、偏转极四；5、偏转极一；6、偏转极二；7、静电分析器A；8、微通道板A(含一块阳极板)。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明，这些说明仅仅是示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。
在本发明的具体实施方式中，基于微通道板的紧凑型空间等离子体探测结构，主要包括两套上下对称固定设置的探测系统，其中上面一套离子探测系统包括一个静电偏转系统、用于能量分析的静电分析器B2和用于计数的微通道板B1(含阳极板)，其中探测器的外包络形状为圆柱体，顶部外接圆锥体，每个静电偏转系统由两块偏转极构成，其中，圆锥体中央轴线上部设置一碗状的偏转极三3，圆锥体与圆柱体连接处设置一圆环形的偏转极四4，其从外向内圆环高度逐渐降低并在横截面上形成圆弧形，其圆弧形与碗状的偏转极三3之间形成电场，通过电场大小设置来控制带电粒子的偏转，加上高压静电后形成电场，任何带电粒子在电场作用下发生偏转，通过改变偏转极所加高压静电的大小与极性，来改变进入带电粒子的偏转角度，上部探测系统探测的带电粒子为离子；上部的静电分析器B为球面静电分析器，由两块电极组成，两者间的狭缝形成一个标准的几何球面，其作用是筛选E/q在一定范围内的离子；计数系统由微通道板B1和阳极板构成，微通道板B1是经过高温热处理后的玻璃材料，能将收到的带电粒子信号强度放大，阳极板是一块印制电路板，正面紧贴微通道板B1，背面安装有电气插座将收到的放大信号转化为电路信号输出，在静电分析器的出口处使用微通道板探测静电分析器出射的带电粒子，经微通道板倍增后，带电粒子转化为电子束团，电子束团由微通道板下方的阳极板收集，在阳极板上产生电荷脉冲信号，脉冲信号传输至其他电路板后即可读取、分析。
同样地，下部为另一套离子探测系统包括一静电偏转系统、用于能量分析的静电分析器A7和用于计数的微通道板A8和阳极板，其中探测器的外包络形状为圆柱体，顶部外接圆锥体，每个静电偏转系统由两块偏转极构成，其中，圆锥体中央轴线上部设置一碗状的偏转极一5，圆锥体与圆柱体连接处设置一圆环形的偏转极二6，其从外向内圆环高度逐渐降低并在横截面上形成圆弧形，其圆弧形与碗状的偏转极一5之间形成电场，通过电场大小设置来控制带电粒子的偏转，加上高压静电后形成电场，任何电子在电场作用下发生偏转，通过改变偏转极所加高压静电的大小与极性，来改变进入电子的偏转角度；下面的静电分析器A7为球面静电分析器，由两块电极组成，两者间的狭缝形成一个标准的几何球面，其作用是筛选E/q在一定范围内的电子；计数系统由微通道板A8和阳极板构成，微通道板A8是经过高温热处理后的玻璃材料，能将收到的带电粒子信号强度放大，阳极板是一块印制电路板，正面紧贴微通道板A8，背面安装有电气插座将收到的放大信号转化为电路信号输出，在静电分析器的出口处使用微通道板探测静电分析器出射的电子，经微通道板A8倍增后，电子转化为电子束团，电子束团由微通道板A8下方的阳极板收集，在阳极板上产生电荷脉冲信号，脉冲信号传输至其他电路板后即可读取、分析。
在具体的实施方式中，外包络体为主要由铝合金进行支撑，只有满足入射角度的带电粒子才能沿着虚线箭头所示方向偏转，从而进入后面的能量分析系统，其他带电粒子都会被本探测结构“筛选”掉，无法继续飞行。带电粒子这个入射角度范围定义为一个探测像素的视场角。视场方位角的中心值定义为偏转角。电子探测器偏转板所加高压静电的大小与极性可显著改变偏转角。
需要说明的是，偏转极一和二成对固定，可控制进入静电分析器A的离子偏转角度；偏转极三和偏转极四成对固定，可控制进入静电分析器B的电子偏转角度。这里最能体现出本发明的特点：不仅实现了离子和电子同时探测，而且将两股束流分开测量，互不影响。
以下介绍的球面静电分析器、微通道板和阳极板均属于成熟技术，应用广泛，不属于本发明的保护范围，仅用于辅助说明。
能量分析系统，即球面静电分析器。分析器由两块电极组成，两者间的狭缝恰好形成一个标准的几何球面，其作用是筛选E/q在一定范围内的带电粒子。具体来说，当某一方位角方向的带电粒子束平行进入静电分析器后，在球面狭缝内的电场作用下运动方向发生偏转，只有E/q(E-电场强度；q-带电粒子所带电荷)在一定范围内的带电粒子才能够通过静电分析器，并在方位角方向聚焦于相应的位置，被后续的计数系统(由微通道板和阳极板构成)记录。因此，它不仅能够同时探测360°范围内的带电粒子，而且具有角度分辨，在做能量分析的同时还可以对带电粒子的入射角度进行分析。同样的，离子、电子分别有一个对应的静电分析器A、B。
计数系统由微通道板和阳极板构成，用弹簧片和螺钉等部件组装成整体。微通道板是一种经过高温热处理后的玻璃材料，能将收到的带电粒子信号强度放大，国内仅北方夜视技术股份有限公司南京分公司能研制；阳极板是一块印制电路板，形状大小与微通道板一致，正面紧贴微通道板，背面安装有电气插座可将收到的放大信号转化为电路信号输出。具体来说，在静电分析器的出口处使用微通道板探测静电分析器出射的带电粒子。经微通道板倍增后，带电粒子转化为电子束团。电子束团由微通道板下方的阳极板收集，在阳极板(无需做任何设置)上产生电荷脉冲信号。脉冲信号传输至其他电路板后即可读取、分析。
将本发明的基于微通道板的空间等离子体探测结构设置在空间环境中，按照以下原理/步骤工作：
(1)用螺钉、压紧等方式将上述部件组成探测器整体；
(2)将探测器整体放置于真空环境下，静置至少96小时；(微通道板对水汽十分敏感，需要在真空中充分静置后再使用)；
(3)给静电偏转系统(偏转极)、能量分析系统(静电分析器)和计数系统(微通道板)依次加电；
(4)调节电压的输出，可改变所测等离子体能量、方位角等参数；
(5)从探测器传输出来的电路信号中读取所测数据。
本发明的空间等离子体探测结构，监测轨道的空间环境，获取等离子体参数的时空分布，包括等离子体的电子能量、通量、方向，为空间等离子体环境引起的表面带电风险预警提供环境探测数据。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，相关技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例作出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (7)

1.空间带电粒子探测结构，主要包括两套上下对称固定设置的探测系统，其中，每套探测系统包括一个静电偏转系统、用于能量分析的静电分析器和用于计数的微通道板和阳极板，其中探测器的外包络形状为圆柱体，顶部外接圆锥体，每个静电偏转系统由两块偏转极构成，加上高压静电后形成电场，任何带电粒子在电场作用下发生偏转，通过改变偏转极所加高压静电的大小与极性，来改变进入带电粒子的偏转角度，两套探测系统分别探测的带电粒子为离子和电子；静电分析器为球面静电分析器，由两块电极组成，两者间的狭缝形成一个标准的几何球面，其作用是筛选E/q在一定范围内的带电粒子；计数系统由微通道板和阳极板构成，微通道板是经过高温热处理后的玻璃材料，能将收到的带电粒子信号强度放大，阳极板是一块印制电路板，正面紧贴微通道板，背面安装有电气插座将收到的放大信号转化为电路信号输出，在静电分析器的出口处使用微通道板探测静电分析器出射的带电粒子，经微通道板倍增后，带电粒子转化为电子束团，电子束团由微通道板下方的阳极板收集，在阳极板上产生电荷脉冲信号，脉冲信号传输至其他电路板后即可读取、分析。
2.如权利要求1所述的空间带电粒子探测结构，其中，圆锥体中央轴线上部设置一碗状的偏转极，圆锥体与圆柱体连接处设置一圆环形的偏转极，其从外向内圆环高度逐渐降低并在横截面上形成圆弧形，其圆弧形与碗状偏转极之间形成电场，通过电场大小设置来控制带电粒子的偏转。
3.如权利要求1所述的空间带电粒子探测结构，其中，印制电路板的形状大小与微通道板一致。
4.如权利要求1所述的空间带电粒子探测结构，其中，偏转极、能量分析器均由铝合金加工制成。
5.如权利要求1所述的空间带电粒子探测结构，其中，偏转极所加高压静电的大小与极性改变，会改变带电粒子的偏转角度。
6.如权利要求1-5任一项所述的空间带电粒子探测结构，其中，所述结构需要在真空度小于10-3Pa的真空环境下工作。
7.如权利要求1所述的空间带电粒子探测结构，其中，空间带电粒子探测结构外接的供电和测量设备为电压放大器装置。
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