CN112526585A - 一种原位测量轨道中性气体粒子速度的探测器及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航天探测设备技术领域,具体地说,涉及一种原位测量轨道中性气体粒子速度的探测器,其包括彼此连接的传感器和信号处理电路;所述传感器,用于对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离,获取不同调制电压下所通过的离子数量;所述信号处理电路,用于对当前调制电压下的离子信号进行电压放大,获得对应的多个电压信号,并基于得到的多个电压信号进行制图,得到当前调制电压下的离子的调制能量图,从而获得离子速度,进而得到轨道中性气体粒子速度。
Description
技术领域
本发明属于航天探测设备的技术领域,具体地说,涉及一种原位测量轨道中性气体粒子速度的探测器及探测方法。
背景技术
地球热层大气是空间环境的重要组成部分,受太阳活动、地磁扰动、经度纬度高度等因素影响,热层大气变化十分剧烈,国内外均正在开展相关探测。轨道空间中的中性气体粒子要素对于磁层和热层、电离层和热层耦合机制研究有重要意义,而中性气体粒子速度是其重要参数,对于带电粒子的复合、中性气体的电离几率及其分布有着重要影响。
火箭测量中性气体粒子速度的方法是从测风舱内弹出示综物,由地面雷达跟踪示综物,测得中性气体粒子速度;但是其测量持续时间短,空间分布小,不能测量热层气体速度。
非相干散射雷达只能测量稳态大气条件下的中性风速,夜间误差可达数十米/秒,非相干散射雷达技术难度大,只能定点测量。
多普勒频移方法可直接测量粒子速度,从多个方向进行测量可以得到中性粒子速度,但是,测量局限于晴朗、没有月光的夜晚,观测时间受限制。
用于测量轨道中性气体粒子速度的航天器载探测器,可长时间在轨道上运行进行探测,获取全球中性气体粒子速度的时空分布。
因此发明了一种用于测量轨道中性气体粒子速度的探测器,轨道中性气体粒子速度探测器由传感器、电子线路组成。传感器由开源离子源、能量分析器和检测器组成,开源离子源用于无速度损失电离中性气体粒子,而能量分析器用于测量电离后离子的动能,检测器用于检测经能量分析器后的离子。传感器配合相应的电路后,得出在检测器上的动能调制图,通过该调制图得出轨道中性气体粒子速度。
发明内容
为解决现有技术存在的上述缺陷,本发明提出了一种原位测量轨道中性气体粒子速度的探测器,可开展全球热层中性气体粒子速度测量,测量周期长(数年),时空分辨率高,可获得全球中性粒子速度的时空分布变化,用于研究全球热层大气变化。
所述用于原位测量轨道中性气体粒子速度的探测器包括彼此连接的传感器和信号处理电路;
所述传感器,用于对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离,获取不同调制电压下所通过的离子数量;
所述信号处理电路,用于将当前调制电压下的离子信号进行电压放大,获得对应的多个电压信号,并基于得到的多个电压信号进行制图,得到当前调制电压下的离子的调制能量图,从而获得离子速度,进而得到轨道中性气体粒子速度。
作为上述技术方案的改进之一,所述传感器包括:开源离子源、能量分析器和检测器;
所述开源离子源,用于采用垂直入射式电子轰击,对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离,同时,通过对开源离子源设置电场,将电离后的离子沿着原有的运动轨迹输入能量分析器;
所述能量分析器,用于根据测得的电离后离子的动能,施加对应能段的调制电压,将高于该能段的调制电压的离子发射至检测器;
所述检测器,用于检测经能量分析器射出的离子,获得不同调制电压下所通过的离子数量。
作为上述技术方案的改进之一,所述信号处理电路包括:调制电压发生器、电极电压产生器、离子源控制电路、微弱信号放大器、图像处理器和电源电路;
所述调制电压发生器,用于分时产生不同能段的调制电压,并将不同能段的调制电压提供至能量分析器,对电离后的离子的动能进行调制;
所述微弱信号放大器,用于对检测器中获得的当前调制电压下所通过的离子进行电压放大,转换成对应的电压信号;
所述图像处理器,用于根据建立的离子动能与速度的函数关系,利用获得的当前调制电压下所通过的多个离子对应的电压信号,绘制当前调制电压下的离子的调制能量图,从而获得离子速度,进而得到轨道中性气体粒子速度;
所述离子源控制电路,用于控制开源离子源,使其发射出恒定的垂直入射式电子;
所述电极电压产生器,用于产生传感器中的各部件正常工作所需的各路电压;
所述电源电路,用于将航天器的一次电源转换成二次电源,为探测器提供正常工作的电源。
作为上述技术方案的改进之一,所述图像处理器,用于根据建立的离子动能与调制能量的函数关系,利用获得的当前调制电压下所通过的多个离子对应的电压信号,绘制当前调制电压下的离子的调制能量图,从而获得离子速度,进而得到轨道中性气体粒子速度;其具体实现过程如下:
建立离子动能与调制能量的函数关系:
其中,e为离子电荷量;U为调制电压发生器产生的电场电压;m为离子的质量;v为离子的速度;
根据上式,在能量分析器中,根据每个离子的速度,计算对应的动能,调制电压发生器根据每个离子的动能,分时产生不同能段的调制电压,通过逐步改变不同能段下的调制电压,根据每个能段下,高于当前调制电压下所通过的多个离子对应的离子动能,绘制当前调制电压下的离子动能对应的扫描图像,作为当前调制电压下的离子的调制能量图;
根据当前的调制电压、离子的电荷量和离子种类,反演出当前调制电压下的离子的速度;
基于对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离,则当前调制电压下的离子的速度等于该轨道中性气体粒子的速度。
本发明还提供了一种原位测量轨道中性气体粒子速度的探测方法,该方法包括:
传感器对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离,获取不同调制电压下所通过的离子数量;
信号处理电路将当前调制电压下的每个离子信号进行电压放大,获得对应的多个电压信号,并基于得到的多个电压信号进行制图,得到当前调制电压下的离子的调制能量图,从而获得离子速度,进而得到轨道中性气体粒子速度。
作为上述技术方案的改进之一,所述传感器对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离,获取不同调制电压下所通过的离子数量;其具体过程为:
开源离子源采用垂直入射式电子轰击,对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离,同时,通过对开源离子源设置电场,将电离后的离子沿着原有的运动轨迹输入能量分析器;
能量分析器根据测得的电离后离子的动能,施加对应能段的调制电压,将高于该能段的调制电压的离子发射至检测器;
检测器检测经能量分析器射出的离子,获得不同调制电压下所通过的离子数量。
作为上述技术方案的改进之一,所述信号处理电路将当前调制电压下的每个离子信号进行电压放大,获得对应的多个电压信号,并基于得到的多个电压信号进行制图,得到当前调制电压下的离子的调制能量图,从而获得离子速度,进而得到轨道中性气体粒子速度;其具体过程为:
调制电压发生器分时产生不同能段的调制电压,并将不同能段的调制电压提供至能量分析器,对电离后的离子的动能进行调制;
微弱信号放大器对检测器中获得的当前调制电压下所通过的离子进行电压放大,转换成对应的电压信号;
图像处理器根据建立的离子动能与速度的函数关系,利用获得的当前调制电压下所通过的多个离子对应的电压信号,绘制当前调制电压下的离子的调制能量图,从而获得离子速度,进而得到轨道中性气体粒子速度。
作为上述技术方案的改进之一,所述图像处理器根据建立的离子动能与调制能量的函数关系,利用获得的当前调制电压下所通过的多个离子对应的电压信号,绘制当前调制电压下的离子的调制能量图,从而获得离子速度,进而得到轨道中性气体粒子速度;其具体实现过程如下:
所述图像处理器中,建立离子动能与调制能量的函数关系:
其中,e为离子电荷量;U为调制电压发生器产生的电场电压;m为离子的质量;v为离子的速度;
根据上式,在能量分析器中,根据每个离子的速度,计算对应的动能,调制电压发生器根据每个离子的动能,分时产生不同能段的调制电压,通过逐步改变不同能段下的调制电压,根据每个能段下,高于当前调制电压下所通过的多个离子对应的离子动能,绘制当前调制电压下的离子动能对应的扫描图像,作为当前调制电压下的离子的调制能量图;
根据当前的调制电压、离子的电荷量和离子种类,反演出当前调制电压下的离子的速度;
基于对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离,则当前调制电压下的离子的速度等于该轨道中性气体粒子的速度。
本发明与现有技术相比的有益效果是:
本发明的探测器采用开源离子源,可实现中性气体粒子的无速度损失电离;采用扫描式能量分析器,实现宽广的离子速度的测量;所采用的传感器的体积小、功耗小,仅需集成三个模块,以及信号处理电路,即可实现中性气体粒子速度的原位探测;通过图像处理器,实施获取轨道中性气体粒子速度。
附图说明
图1是本发明的一种原位测量轨道中性气体粒子速度的探测器的结构示意图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示,本发明提供了一种原位测量轨道中性气体粒子速度的探测器,其包括彼此连接的传感器和信号处理电路;
所述传感器,用于对轨道中性气体粒子进行电离,获取不同调制电压下的离子数量;
具体地,所述传感器包括:开源离子源、能量分析器和检测器;
所述开源离子源,用于采用垂直入射式电子轰击,对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离,同时,对开源离子源附加电场,通过电场的合理设置,能够保证电离区内的电位始终保持为地电位,即零电位,从而不会影响离子原有的运动轨迹,使电场内的离子速度和方向保持原来状态,将电离后的离子输入能量分析器;
所述能量分析器,用于根据测得的电离后离子的动能,施加对应能段的调制电压,将高于该能段的调制电压的离子发射至检测器;
具体地,当调制电压高于离子动能时,离子不能通过能量分析器;当调制电压低于离子动能时,离子则可以通过能量分析器;
所述检测器,用于检测经能量分析器射出的离子,获得不同调制电压下所通过的离子数量。
所述信号处理电路,用于将当前调制电压下的离子信号进行电压放大,获得对应的多个电压信号,并基于得到的多个电压信号进行制图,得到当前调制电压下的离子的调制能量图,从而获得离子速度,进而得到轨道中性气体粒子速度。
具体地,所述信号处理电路包括:调制电压发生器、电极电压产生器、离子源控制电路、微弱信号放大器、图像处理器和电源电路;
所述调制电压发生器,用于分时产生不同能段的调制电压,并将不同能段的调制电压提供至能量分析器,对电离后的离子的动能进行调制;具体地,当调制电压高于离子动能时,离子不能通过能量分析器;当调制电压低于离子动能时,离子则可以通过能量分析器;
所述微弱信号放大器,用于对检测器中获得的当前调制电压下所通过的离子进行电压放大,转换成对应的电压信号;
所述图像处理器,用于根据建立的离子动能与速度的函数关系,利用获得的当前调制电压下所通过的多个离子对应的电压信号,绘制当前调制电压下的离子的调制能量图,从而获得离子速度,进而得到轨道中性气体粒子速度;
具体地,建立离子动能与调制能量的函数关系:
其中,e为离子电荷量;U为调制电压发生器产生的电场电压;m为离子的质量;v为离子的速度;
根据上式,在能量分析器中,根据每个离子的速度,计算对应的动能,调制电压发生器根据每个离子的动能,分时产生不同能段的调制电压,通过逐步改变不同能段下的调制电压,根据每个能段下,高于当前调制电压下所通过的多个离子对应的离子动能,绘制当前调制电压下的离子动能对应的扫描图像,作为当前调制电压下的离子的调制能量图;
根据当前的调制电压、离子的电荷量和离子种类,反演出当前调制电压下的离子的速度;
基于对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离,则当前调制电压下的离子的速度等于该轨道中性气体粒子的速度。
所述离子源控制电路,用于控制开源离子源,使其发射出恒定的垂直入射式电子;
所述电极电压产生器,用于产生传感器中的各部件工作所需的各路电压,并提供给传感器中的各部件,保证其正常工作;
所述电源电路,用于将航天器的一次电源转换成二次电源,为探测器提供正常工作的电源。
本发明还提供了一种原位测量轨道中性气体粒子速度的探测方法,该方法包括:
传感器对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离,获取不同调制电压下所通过的离子数量;
具体地,开源离子源采用垂直入射式电子轰击,对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离,同时,通过对开源离子源设置电场,将电离后的离子沿着原有的运动轨迹输入能量分析器;
能量分析器根据测得的电离后离子的动能,施加对应能段的调制电压,将高于该能段的调制电压的离子发射至检测器;
检测器检测经能量分析器射出的离子,获得不同调制电压下所通过的离子数量。
信号处理电路将当前调制电压下的每个离子信号进行电压放大,获得对应的多个电压信号,并基于得到的多个电压信号进行制图,得到当前调制电压下的离子的调制能量图,从而获得离子速度,进而得到轨道中性气体粒子速度。
具体地,调制电压发生器分时产生不同能段的调制电压,并将不同能段的调制电压提供至能量分析器,对电离后的离子的动能进行调制;具体地,当调制电压高于离子动能时,离子不能通过能量分析器;当调制电压低于离子动能时,离子则可以通过能量分析器;
微弱信号放大器对检测器中获得的当前调制电压下所通过的离子进行电压放大,转换成对应的电压信号;
图像处理器根据建立的离子动能与速度的函数关系,利用获得的当前调制电压下所通过的多个离子对应的电压信号,绘制当前调制电压下的离子的调制能量图,从而获得离子速度,进而得到轨道中性气体粒子速度。
具体地,建立离子动能与调制能量的函数关系:
其中,e为离子电荷量;U为调制电压发生器产生的电场电压;m为离子的质量;v为离子的速度;
根据上式,在能量分析器中,根据每个离子的速度,计算对应的动能,调制电压发生器根据每个离子的动能,分时产生不同能段的调制电压,通过逐步改变不同能段下的调制电压,根据每个能段下,高于当前调制电压下所通过的多个离子对应的离子动能,绘制当前调制电压下的离子动能对应的扫描图像,作为当前调制电压下的离子的调制能量图;
根据当前的调制电压、离子的电荷量和离子种类,反演出当前调制电压下的离子的速度;
基于对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离,则当前调制电压下的离子的速度等于该轨道中性气体粒子的速度。
最后所应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种原位测量轨道中性气体粒子速度的探测器,其特征在于,其包括彼此连接的传感器和信号处理电路;
所述传感器,用于对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离,获取不同调制电压下所通过的离子数量;
所述信号处理电路,用于对当前调制电压下的离子信号进行电压放大,获得对应的多个电压信号,并基于得到的多个电压信号进行制图,得到当前调制电压下的离子的调制能量图,从而获得离子速度,进而得到轨道中性气体粒子速度。
2.根据权利要求1所述的原位测量轨道中性气体粒子速度的探测器,其特征在于,所述传感器包括:开源离子源、能量分析器和检测器;
所述开源离子源,用于采用垂直入射式电子轰击,对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离,同时,通过对开源离子源设置电场,将电离后的离子沿着原有的运动轨迹输入能量分析器;
所述能量分析器,用于根据测得的电离后离子的动能,施加对应能段的调制电压,将高于该能段的调制电压的离子发射至检测器;
所述检测器,用于检测经能量分析器射出的离子,获得不同调制电压下所通过的离子数量。
3.根据权利要求2所述的原位测量轨道中性气体粒子速度的探测器,其特征在于,所述信号处理电路包括:调制电压发生器、电极电压产生器、离子源控制电路、微弱信号放大器、图像处理器和电源电路;
所述调制电压发生器,用于分时产生不同能段的调制电压,并将不同能段的调制电压提供至能量分析器,对电离后的离子的动能进行调制;
所述微弱信号放大器,用于对检测器中获得的当前调制电压下所通过的离子进行电压放大,转换成对应的电压信号;
所述图像处理器,用于根据建立的离子动能与速度的函数关系,利用获得的当前调制电压下所通过的多个离子对应的电压信号,绘制当前调制电压下的离子的调制能量图,从而获得离子速度,进而得到轨道中性气体粒子速度;
所述离子源控制电路,用于控制开源离子源,使其发射出恒定的垂直入射式电子;
所述电极电压产生器,用于产生传感器中的各部件工作所需的各路电压,并提供给传感器中的各部件,保证其正常工作;
所述电源电路,用于将航天器的一次电源转换成二次电源,为探测器提供正常工作的电源。
4.根据权利要求3所述的原位测量轨道中性气体粒子速度的探测器,其特征在于,所述图像处理器,用于根据建立的离子动能与调制能量的函数关系,利用获得的当前调制电压下所通过的多个离子对应的电压信号,绘制当前调制电压下的离子的调制能量图,从而获得离子速度,进而得到轨道中性气体粒子速度;其具体实现过程如下:
建立离子动能与调制能量的函数关系:
其中,e为离子电荷量;U为调制电压发生器产生的电场电压;m为离子的质量;v为离子的速度;
根据上式,在能量分析器中,根据每个离子的速度,计算对应的动能,调制电压发生器根据每个离子的动能,分时产生不同能段的调制电压,通过逐步改变不同能段下的调制电压,根据每个能段下,高于当前调制电压下所通过的多个离子对应的离子动能,绘制当前调制电压下的离子动能对应的扫描图像,作为当前调制电压下的离子的调制能量图;
根据当前的调制电压、离子的电荷量和离子种类,反演出当前调制电压下的离子的速度;
基于对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离,则当前调制电压下的离子的速度等于该轨道中性气体粒子的速度。
5.一种原位测量轨道中性气体粒子速度的探测方法,其特征在于,该方法基于上述权利要求1-4中任一所述的原位测量轨道中性气体粒子速度的探测器实现,该方法包括:
传感器对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离,获取不同调制电压下所通过的离子数量;
信号处理电路将当前调制电压下的每个离子信号进行电压放大,获得对应的多个电压信号,并基于得到的多个电压信号进行制图,得到当前调制电压下的离子的调制能量图,从而获得离子速度,进而得到轨道中性气体粒子速度。
6.根据权利要求5所述的原位测量轨道中性气体粒子速度的探测方法,其特征在于,所述传感器对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离,获取不同调制电压下所通过的离子数量;其具体过程为:
开源离子源采用垂直入射式电子轰击,对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离,同时,通过对开源离子源设置电场,将电离后的离子沿着原有的运动轨迹输入能量分析器;
能量分析器根据测得的电离后离子的动能,施加对应能段的调制电压,将高于该能段的调制电压的离子发射至检测器;
检测器检测经能量分析器射出的离子,获得不同调制电压下所通过的离子数量。
7.根据权利要求5所述的原位测量轨道中性气体粒子速度的探测方法,其特征在于,所述信号处理电路将当前调制电压下的每个离子信号进行电压放大,获得对应的多个电压信号,并基于得到的多个电压信号进行制图,得到当前调制电压下的离子的调制能量图,从而获得离子速度,进而得到轨道中性气体粒子速度;其具体过程为:
调制电压发生器分时产生不同能段的调制电压,并将不同能段的调制电压提供至能量分析器,对电离后的离子的动能进行调制;具体地,当调制电压高于离子动能时,离子不能通过能量分析器;当调制电压低于离子动能时,离子则可以通过能量分析器;
微弱信号放大器对检测器中获得的当前调制电压下所通过的离子进行电压放大,转换成对应的电压信号;
图像处理器根据建立的离子动能与速度的函数关系,利用获得的当前调制电压下所通过的多个离子对应的电压信号,绘制当前调制电压下的离子的调制能量图,从而获得离子速度,进而得到轨道中性气体粒子速度。
8.根据权利要求7所述的原位测量轨道中性气体粒子速度的探测方法,其特征在于,所述图像处理器根据建立的离子动能与调制能量的函数关系,利用获得的当前调制电压下所通过的多个离子对应的电压信号,绘制当前调制电压下的离子的调制能量图,从而获得离子速度,进而得到轨道中性气体粒子速度;其具体实现过程如下:
所述图像处理器中,建立离子动能与调制能量的函数关系:
其中,e为离子电荷量;U为调制电压发生器产生的电场电压;m为离子的质量;v为离子的速度;
根据上式,在能量分析器中,根据每个离子的速度,计算对应的动能,调制电压发生器根据每个离子的动能,分时产生不同能段的调制电压,通过逐步改变不同能段下的调制电压,根据每个能段下,高于当前调制电压下所通过的多个离子对应的离子动能,绘制当前调制电压下的离子动能对应的扫描图像,作为当前调制电压下的离子的调制能量图;
根据当前的调制电压、离子的电荷量和离子种类,反演出当前调制电压下的离子的速度;
基于对轨道中性气体粒子进行无速度损失电离,则当前调制电压下的离子的速度等于该轨道中性气体粒子的速度。
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