CN112147667A

CN112147667A - 一种用于空间低能离子探测的传感器

Info

Publication number: CN112147667A
Application number: CN202010951642.5A
Authority: CN
Inventors: 刘泽; 周颖; 王鹢; 李存惠; 李世勋; 宗朝; 张海燕; 魏晋武
Original assignee: Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Current assignee: Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Priority date: 2020-09-11
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2020-12-29

Abstract

本发明涉及空间环境探测技术领域，尤其涉及一种用于空间低能离子探测的传感器，包括安装板组件、支架组件以及探测器组件，其中：安装板组件包括上安装板、上极板以及顶帽，上极板和顶帽均固定在上安装板上；支架组件包括支架、下极板以及外半球，下极板和外半球均固定在支架上；探测器组件包括外壳、内半球、探测器以及信号处理板，内半球、探测器和信号处理板均固定在外壳上。本发明将安装板组件、支架组件以及探测器组件进行集成式精密装配设计，实现了多组件高精度装配，结构简单，探测范围广，减少了组件数量，有效的控制了装配后传感器各相关物理曲面的形位误差，能够精确的测量空间低能带电离子的情况。

Description

一种用于空间低能离子探测的传感器

技术领域

本发明涉及空间环境探测技术领域，尤其涉及一种用于空间低能离子探测的传感器。

背景技术

低能离子谱仪是利用传感器极板连续高压扫描产生的电场，将合适能量的带电离子进行筛选后进入探测器产生电量信号，来达到对在轨空间等离子体环境中离子的能谱分布和通量分布探测的目的。

传感器所处的外辐射带中心区域空间中离子和电子的通量比较小，为了能够高效探测相应轨道空间的低能带电离子(小于50keV)，需要设计一种具有能量范围宽、能量分辨率高、通量范围宽、探测视场范围广、角度分辨率高的空间低能离子探测传感器，但是现有的低能离子探测传感器大多结构复杂，能量分辨率低，探测范围窄，内部零部件之间的装配存在着误差，不能够精确测量空间低能带电离子的情况。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于空间低能离子探测的传感器，结构简单，使用方便，探测范围广，能够可靠精确的接收满足条件的低能离子。

本发明公开的一种用于空间低能离子探测的传感器，包括安装板组件、支架组件以及探测器组件，其中：安装板组件包括上安装板、上极板以及顶帽，上极板和顶帽均固定在上安装板上；支架组件包括支架、下极板以及外半球，下极板和外半球均固定在支架上；探测器组件包括外壳、内半球、探测器以及信号处理板，内半球、探测器和信号处理板均固定在外壳上；安装板组件通过上安装板与支架组件配合连接，探测器组件通过外壳与支架组件配合连接。

进一步的，上安装板与支架固定连接，上极板和顶帽设置在下极板和外半球的上方。

进一步的，外壳与支架固定连接，内半球、探测器和信号处理板设置在下极板和外半球的下方。

进一步的，上极板环绕顶帽设置，下极板环绕外半球设置。

进一步的，上极板和下极板平行设置，上极板的下端设置为指数曲面，下极板的上端设置为指数曲面，上极板与下极板之间形成离子通道。

进一步的，内半球通过支撑杆固定在外壳上，探测器和信号处理板环绕支撑杆设置。

进一步的，内半球设置在外半球的下方内侧，外半球的内侧球面与内半球的外侧球面之间形成离子通道。

进一步的，顶帽与上安装板之间设置有顶帽绝缘套，上极板与上安装板之间设置有上极板绝缘套。

进一步的，下极板与支架之间设置有下极板绝缘套，外半球与支架之间设置有外半球绝缘套。

进一步的，内半球与支撑杆之间设置有内半球绝缘套，探测器和信号处理板与外壳之间设置有探测器绝缘套。

本发明提供的一种用于空间低能离子探测的传感器，具有以下有益效果：

1、本发明提供的用于空间低能离子探测的传感器将安装板组件、支架组件以及探测器组件进行集成式精密装配设计，实现了多组件高精度装配，结构简单，探测范围广，减少了组件数量，有效的控制了装配后传感器各相关物理曲面的形位误差，能够精确的测量空间低能带电离子的通量和能量情况。

2、本发明提供的用于空间低能离子探测的传感器对各物理曲面结构进行分体设计，采用微米级加工，有效提高了单件结构的机械加工精度，有效控制了零件形位加工误差、球度误差和表面粗糙度，并且关键物理结构表面形状设计简单，提高了产品表面加工质量，有效控制了物理工作表面的高压放电问题。

3、本发明提供的用于空间低能离子探测的传感器设置有绝缘套，并且将绝缘套设计为台阶结构，有效控制了各物理曲面的高压锐边放电，提高了传感器整体的高压绝缘性能。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明实施例用于空间低能离子探测器的传感器的示意图；

图2为本发明实施例用于空间低能离子探测器的传感器的内部结构示意图；

图3为本发明实施例用于空间低能离子探测器的传感器的安装板组件示意图；

图4为本发明实施例用于空间低能离子探测器的传感器的支架组件示意图；

图5为本发明实施例用于空间低能离子探测器的传感器的探测器组件示意图；

图6为本发明实施例用于空间低能离子探测器的传感器的支架示意图；

图7为本发明实施例用于空间低能离子探测器的传感器的低能离子探测原理图；

图中：1-安装板组件、11-上安装板、12-上极板、13-顶帽、14-顶帽绝缘套、15-上极板绝缘套、2-支架组件、21-支架、22-下极板、23-外半球、24-下极板绝缘套、25-外半球绝缘套、3-探测器组件、31-外壳、32-内半球、33-探测器、34-信号处理板、35-支撑杆、36-内半球绝缘套、37-探测器绝缘套、4-低能离子。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1-7所示，本发明公开了一种用于空间低能离子4探测的传感器，包括安装板组件1、支架组件2以及探测器组件3，其中：安装板组件1包括上安装板11、上极板12以及顶帽13，上极板12和顶帽13均固定在上安装板11上；支架组件2包括支架21、下极板22以及外半球23，下极板22和外半球23均固定在支架21上；探测器组件3包括外壳31、内半球32、探测器33以及信号处理板34，内半球32、探测器33和信号处理板34均固定在外壳31上；安装板组件1通过上安装板11与支架组件2配合连接，探测器组件3通过外壳31与支架组件2配合连接。

具体的，本发明实施例提供的用于空间低能离子探测的传感器，能够精确测量5eV-30keV能量范围内离子的通量和能量，空间内的低能离子4进入传感器，在上极板12和下极板22施加偏转电压，产生电场，从而对进入的低能离子4进行筛选，筛选出能量电荷比和俯仰角方向满足一定关系的离子，然后再对顶帽13、内半球32和外半球23施加偏转电压，形成高压偏转系统，筛选出来的低能离子4会进入该高压偏转系统进行二次偏转，最终到达探测器33，探测器33与低能离子4接触，激发产生电量信号，输出到信号处理板34上，得到低能离子4的能谱分布和通量分布，实现对在轨空间低能带电离子的探测。首先对各零部件分别进行加工组装，将加工检验合格的上极板12和顶帽13通过螺钉安装在上安装板11上，组装成安装板组件1，然后根据实际安装情况，通过三坐标测量仪检测上极板12和顶帽13的形位尺寸，微调上极板12和顶帽13的安装位置，直到满足实际设计要求为止。将加工检验合格的下极板22和外半球23通过螺钉安装在支架21上，组装成支架组件2，然后根据实际安装情况，通过三坐标测量仪检测下极板22和外半球23的形位尺寸，微调下极板22和外半球23的安装位置，直到满足实际设计要求为止。将加工检验合格的探测器33和信号处理板34通过螺钉安装在外壳31上，再将内半球32通过螺钉固定安装在支撑杆35上，穿过探测器33与信号处理板34的中间圆孔，将内半球32和支撑杆35一起固定安装在外壳31上，组装成探测器组件3，然后根据实际安装情况，通过三坐标测量仪检测内半球32、探测器33和信号处理板34的的形位尺寸，微调内半球32、探测器33和信号处理板34的安装位置，直到满足实际设计要求为止。随后对组装好的安装板组件1、支架组件2和探测器组件3进行集成式精密装配，将安装板组件1通过螺钉固定安装到支架组件2上，将探测器组件3通过螺钉安装到支架组件2上，并将高压线穿过支架组件2上支撑结构的过线孔，最后根据实际安装情况，通过三坐标测量仪检测各组件的形位尺寸，微调各组件的装配位置，直到满足设计要求，装配成最终的探测传感器。在本发明实施例中，低能离子4主要指的是小于50keV的带电离子，各零部件尺寸的误差小于0.05mm或小于0.5°，球度加工误差优于20μm，各零件表面粗糙度小于0.2μm，结构总装后各物理曲面形位误差小于80μm。

进一步的，上安装板11与支架21固定连接，上极板12和顶帽13设置在下极板22和外半球23的上方。上安装板11为圆柱形，支架21为空心圆柱状，上安装板11固定安装在支架21上，上极板12和顶帽13设置在支架21的内部，顶帽13设置在外半球23的正上方，顶帽13的下端设置成球面形状，与外半球23球面之间形成离子通道。

进一步的，外壳31与支架21固定连接，内半球32、探测器33和信号处理板34设置在下极板22和外半球23的下方。外壳31设置为空心柱体，外壳31固定安装在在支架21的下方，内半球32、探测器33和信号处理板34设置在支架21的内部，内半球32设置在外半球23的内部，内半球32的外侧球面与外半球23的内侧球面之间形成离子通道，探测器33和信号处理板34设置在内半球32的下方，进入的低能离子4通过离子通道，最终落在探测器33上。

进一步的，上极板12环绕顶帽13设置，下极板22环绕外半球23设置。上极板12为圆环状，顶帽13设置在上极板12的圆环中心处，上极板12环绕顶帽13设置，下极板22为圆环状，外半球23设置在下极板22的圆环中心处，下极板22环绕外半球23设置。

进一步的，上极板12和下极板22平行设置，上极板12的下端设置为指数曲面，下极板22的上端设置为指数曲面，上极板12与下极板22之间形成离子通道。上极板12和下极板22平行对称设置，上极板12的下端表面加工成指数曲面，下极板22的上端表面加工成指数曲面，两个指数曲面之间形成离子通道。探测时，同时为上极板12和下极板22施加偏转电压，在上下极板之间施加-5000V～+5000V的扫描高压，上下极板之间会产生电场，根据公式

其中U_def是偏转板上的电压，E_k/q为离子的能量电荷比，k₁是偏转系数，U₀为离子源电位和地电位的电势差(由地面标定系统决定)，会筛选出能量电荷比和俯仰角方向满足上述公式的低能离子4进入传感器内部的探测器33，实现对低能离子4的筛选和探测。

进一步的，内半球32通过支撑杆35固定在外壳31上，探测器33和信号处理板34环绕支撑杆35设置。探测器33和信号处理板34为圆环状，中间设置有圆孔，支撑杆35通过圆孔和外壳31固定连接，支撑杆35主要起到支撑和连接的作用，一方面用于支撑固定内半球32，使内半球32能够固定在外半球23的下方，另一方面用于固定支撑探测器33和信号处理板34，探测器33和信号处理板34环绕支撑杆35设置，通过支撑杆35稳定的固定在外壳31上。

进一步的，内半球32设置在外半球23的下方内侧，外半球23的内侧球面与内半球32的外侧球面之间形成离子通道。内半球32和外半球23之间设置有离子通道，探测时，对内球面和外球面之间施加-5000V～0V的扫描高压，内球面和外球面之间会形成高压偏转系统，使进入传感器内部的低能离子4发生二次偏转，到达探测器33和信号处理板34。

进一步的，顶帽13与上安装板11之间设置有顶帽绝缘套14，上极板12与上安装板11之间设置有上极板绝缘套15。顶帽绝缘套14和上极板绝缘套15主要用于高压电极的绝缘，没有绝缘套，高压电极之间会导通，不会形成离子偏转电场，低能离子4不会按预定的通道到达探测器33。

进一步的，下极板22与支架21之间设置有下极板绝缘套24，外半球23与支架21之间设置有外半球绝缘套25。同理，下极板绝缘套24和外半球绝缘套25同样用于高压电极的绝缘。

进一步的，内半球32与支撑杆35之间设置有内半球绝缘套36，探测器33和信号处理板34与外壳31之间设置有探测器绝缘套37。同理，内半球绝缘套36和探测器绝缘套37同样用于高压电极的绝缘，使低能离子4能够沿预定的通道到达探测器33。

本发明实施例提供的用于空间低能离子探测的传感器主要安装在航天器的舱外，在探索地球以外的空间环境时，具有一定速度(即能量)和方向的离子经过入口进入传感器内部，通过对上下极板加压形成电场，会筛选出能量电荷比和俯仰角方向满足上述公式的低能离子4，低能离子4会沿离子通道在传感器内部移动，在经过内外半球形成的电场时，在电场的作用下，移动方向会发生偏转，调节内外半球之间的电压，只有满足能量范围内的低能离子4会到达下方的探测器33进行后续的测量探测，而不符合能量范围的电子和其他离子则不会到达探测器，能量范围宽，分辨率高，通量范围宽，能够实现对5eV～30keV能量范围内离子通量和能量的精确测量探测。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims

1.一种用于空间低能离子探测的传感器，其特征在于，包括安装板组件、支架组件以及探测器组件，其中：

所述安装板组件包括上安装板、上极板以及顶帽，所述上极板和所述顶帽均固定在所述上安装板上；

所述支架组件包括支架、下极板以及外半球，所述下极板和所述外半球均固定在所述支架上；

所述探测器组件包括外壳、内半球、探测器以及信号处理板，所述内半球、所述探测器和所述信号处理板均固定在所述外壳上；

所述安装板组件通过所述上安装板与所述支架组件配合连接，所述探测器组件通过所述外壳与所述支架组件配合连接。

2.根据权利要求1所述的用于空间低能离子探测的传感器，其特征在于，所述上安装板与所述支架固定连接，所述上极板和所述顶帽设置在所述下极板和所述外半球的上方。

3.根据权利要求1所述的用于空间低能离子探测的传感器，其特征在于，所述外壳与所述支架固定连接，所述内半球、所述探测器和所述信号处理板设置在所述下极板和所述外半球的下方。

4.根据权利要求2所述的用于空间低能离子探测的传感器，其特征在于，所述上极板环绕所述顶帽设置，所述下极板环绕所述外半球设置。

5.根据权利要求4所述的用于空间低能离子探测的传感器，其特征在于，所述上极板和所述下极板平行设置，所述上极板的下端设置为指数曲面，所述下极板的上端设置为指数曲面，所述上极板与所述下极板之间形成离子通道。

6.根据权利要求3所述的用于空间低能离子探测的传感器，其特征在于，所述内半球通过支撑杆固定在所述外壳上，所述探测器和所述信号处理板环绕所述支撑杆设置。

7.根据权利要求6所述的用于空间低能离子探测的传感器，其特征在于，所述内半球设置在所述外半球的下方内侧，所述外半球的内侧球面与所述内半球的外侧球面之间形成离子通道。

8.根据权利要求1所述的用于空间低能离子探测的传感器，其特征在于，所述顶帽与所述上安装板之间设置有顶帽绝缘套，所述上极板与所述上安装板之间设置有上极板绝缘套。

9.根据权利要求1所述的用于空间低能离子探测的传感器，其特征在于，所述下极板与所述支架之间设置有下极板绝缘套，所述外半球与所述支架之间设置有外半球绝缘套。

10.根据权利要求6所述的用于空间低能离子探测的传感器，其特征在于，所述内半球与所述支撑杆之间设置有内半球绝缘套，所述探测器和所述信号处理板与所述外壳之间设置有探测器绝缘套。