CN113820265B - 一种复合式尘埃多参量探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合式尘埃多参量探测方法，包括栅网、平行金属平板、金属板与信号采集装置。本发明中，根据Shockley‑Ramo理论，可得颗粒在相邻金属丝上产生的电荷与颗粒在相邻金属丝位置关系，带有电荷的尘埃经过金属栅网时，通过并排放置多层金属栅网，根据不同栅网上产生的电流脉冲时间及飞越栅网时X、Y、Z位置，即可获得尘埃的X、Y、Z方向速度，再利用平行平板电极形成静电场，使带电尘埃颗粒偏转，可得尘埃颗粒的荷质比，接着进行尘埃颗粒电荷量计算，由此推算出单个尘埃颗粒质量，最后计算出单个尘埃颗粒高速撞击形成的离子总电荷及其覆盖面积，从而得到单个尘埃颗粒的具体参数。
Description
技术领域
本发明涉及航天技术飞行器设计和空间环境工程技术领域，尤其涉及一种复合式尘埃多参量探测方法。
背景技术
空间尘埃是指广泛分布在宇宙空间的尺寸小于1mm的固体颗粒。通过探测空间尘埃，获得尘埃的物理化学特性参数，对研究宇宙的形成及演化、生命来源等提供基础数据；此外，尘埃对于在轨运行的航天器产生撞击影响，导致分系统或航天器性能下降，甚至航天任务无法完成。
现有的探测方法大多包括有以下两个方向：第一个是电容式(一种空间微小碎片的探测方法，CN201010522728.2)、第二个是半导体式(微小空间碎片探测用探测器探头及其传感器制备方法，CN201410588832.X)，但是上述两种技术仅能测量尘埃颗粒撞击通量，即单位时间内撞击次数，无法获得单个尘埃的具体参数。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，而提出的一种复合式尘埃多参量探测方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种复合式尘埃多参量探测方法，包括栅网、平行金属平板、金属板与信号采集装置，所述探测方法包括以下步骤：
步骤一、尘埃颗粒在太阳紫外辐射影响下，一般带有正电荷，当其飞经金属丝时在其上产生感生电流脉冲，根据Shockley-Ramo理论，计算得到颗粒在相邻金属丝上产生的电荷与颗粒在相邻金属丝位置关系；
步骤二、带有电荷的尘埃经过金属栅网时，通过并排放置多层金属栅网，根据不同栅网上产生的电流脉冲时间及飞越栅网时X、Y、Z位置，即可获得尘埃的X、Y、Z方向速度；
步骤三、利用栅网一、栅网三可测量沿X轴的飞经坐标，利用栅网二、栅网四、栅网六可测量沿Y轴的飞经坐标，金属板为偏转系统，用来测量颗粒的荷质比，进而得到尘埃颗粒的速度矢量；
步骤四、进行尘埃颗粒电荷量为栅网各金属丝感生电荷求和并推算出尘埃颗粒的质量；
步骤五、等离子体中带正电离子飞向测量电极，而其信号通过电荷敏感放大器获取，推算出高速撞击形成的离子总电荷以及撞击产生的总电荷数正比于离子脉冲包含的面积。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述栅网由多根金属丝组成，且金属丝材料为Becu。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述金属板材质为Cu。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤三中是先利用平行平板电极形成静电场，使带电尘埃颗粒偏转，可得尘埃颗粒的荷质比。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤五中高速尘埃颗粒撞击靶标，形成等离子体。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明中，根据Shockley-Ramo理论，可得颗粒在相邻金属丝上产生的电荷与颗粒在相邻金属丝位置关系，带有电荷的尘埃经过金属栅网时，通过并排放置多层金属栅网，根据不同栅网上产生的电流脉冲时间及飞越栅网时X、Y、Z位置，即可获得尘埃的X、Y、Z方向速度。再利用平行平板电极形成静电场，使带电尘埃颗粒偏转，可得尘埃颗粒的荷质比，接着进行尘埃颗粒电荷量为栅网各金属丝感生电荷求和并推算出单个尘埃颗粒质量，最后计算出单个尘埃颗粒高速撞击形成的离子总电荷及其覆盖面积，从而得到单个尘埃颗粒的具体参数。
附图说明
图1为本发明中颗粒感生电荷与相对位置关系示意图；
图2为本发明中荷质比测量示意图；
图3为本发明中撞击电离探测原理示意图；
图4为本发明中复合式探测方法结构示意图。
图例说明：
1、栅网一；2、栅网二；3、栅网三；4、栅网四；5、金属板；6、栅网五；7、栅网六；8、靶标。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参阅图1-4，一种复合式尘埃多参量探测方法，包括栅网、平行金属平板、金属板5、靶标8与信号采集装置；
栅网一1、栅网二2、栅网三3、栅网四4、栅网五6、栅网六7为测量栅网，栅网由多根金属丝组成，金属丝材质为BeCu，直径为1mm，间距20mm。金属板材质为Cu，长40mm，宽20mm，厚1mm。靶标材质为Cu，
探测方法包括以下步骤：
步骤一、尘埃颗粒在太阳紫外辐射影响下，一般带有正电荷，当其飞经金属丝时在其上产生感生电流脉冲，根据Shockley-Ramo理论，计算得到颗粒在相邻金属丝上产生的电荷与颗粒在相邻金属丝位置关系，颗粒在相邻金属丝上产生的电荷与颗粒在相邻金属丝位置关系的表达式为：
其中，i为金属丝编号，r为颗粒与金属丝距离，Q为感生电荷，因此，可获得颗粒在金属丝栅网上的相对位置；
步骤二、带有电荷的尘埃经过金属栅网时，通过并排放置多层金属栅网，根据不同栅网上产生的电流脉冲时间及飞越栅网时X、Y、Z位置，即可获得尘埃的X、Y、Z方向速度；
步骤三、利用平行平板电极形成静电场，使带电尘埃颗粒偏转，可得尘埃颗粒的荷质比，具体而言，利用栅网一1、栅网三3可测量沿X轴的飞经坐标，利用栅网二2、栅网四4、栅网六7测量沿Y轴的飞经坐标。金属板5为偏转系统，用来测量颗粒的荷质比，进而得到尘埃颗粒的速度矢量，
其中，d为栅网之间的间距，Δt为栅网电流脉冲时间差，x、y为颗粒飞经栅网的x、y坐标。
尘埃颗粒电荷量为栅网各金属丝感生电荷求和：
步骤四、进行尘埃颗粒电荷量为栅网各金属丝感生电荷求和并推算出尘埃颗粒的质量，经过公式推导，可得尘埃的荷质比表达式为：
其中，Udf为偏转电极电势差，
由此可确定尘埃颗粒质量m。；
步骤五、高速尘埃颗粒撞击靶标，形成等离子体。靶标电势为0，而测量栅网电极电压为-200V左右，等离子体中带正电离子飞向测量电极，而其信号通过电荷敏感放大器获取，推算出高速撞击形成的离子总电荷以及撞击产生的总电荷数正比于离子脉冲包含的面积，高速撞击形成的离子总电荷可以按下式计算：
Q+＝C1mαVβ
其中，α、β为试验标定得到的常数。С1与靶标材料及电离探测器结构有关的常数；m,V为颗粒的质量和速度。
电荷脉冲前沿与颗粒飞行速度有关，可以下式表示为：
t＝C2Vγ
由上述两式可计算得到颗粒的质量m和速度V。
工作原理：使用时，根据Shockley-Ramo理论，可得颗粒在相邻金属丝上产生的电荷与颗粒在相邻金属丝位置关系，带有电荷的尘埃经过金属栅网时，通过并排放置多层金属栅网，根据不同栅网上产生的电流脉冲时间及飞越栅网时X、Y、Z位置，即可获得尘埃的X、Y、Z方向速度。再利用平行平板电极形成静电场，使带电尘埃颗粒偏转，可得尘埃颗粒的荷质比，接着进行尘埃颗粒电荷量为栅网各金属丝感生电荷求和并推算出单个尘埃颗粒质量，最后计算出单个尘埃颗粒高速撞击形成的离子总电荷及其覆盖面积，从而得到单个尘埃颗粒的具体参数。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种复合式尘埃多参量探测方法，包括栅网、平行金属平板、金属板与信号采集装置，其特征在于，所述探测方法用于测量速度在1m/s-1km/s尘埃颗粒参数，其包括以下步骤：
步骤一、尘埃颗粒在太阳紫外辐射影响下，一般带有正电荷，当其飞经金属丝时在其上产生感生电流脉冲，根据Shockley-Ramo理论，计算得到颗粒在相邻金属丝上产生的电荷与颗粒在相邻金属丝位置关系；
步骤二、带有电荷的尘埃经过金属栅网时，通过并排放置多层金属栅网，根据不同栅网上产生的电流脉冲时间及飞越栅网时X、Y、Z位置，即可获得尘埃的X、Y、Z方向速度；
步骤三、利用栅网一、栅网三可测量沿X轴的飞经坐标，利用栅网二、栅网四、栅网六可测量沿Y轴的飞经坐标，金属板为偏转系统，用来测量颗粒的荷质比，进而得到尘埃颗粒的速度矢量；
步骤四、进行尘埃颗粒电荷量为栅网各金属丝感生电荷求和并推算出尘埃颗粒的质量。
2.根据权利要求1所述的一种复合式尘埃多参量探测方法，其特征在于，所述栅网由多根金属丝组成，且金属丝材料为BeCu。
3.根据权利要求1所述的一种复合式尘埃多参量探测方法，其特征在于，所述金属板材质为Cu。
4.根据权利要求1所述的一种复合式尘埃多参量探测方法，其特征在于，所述步骤三中是先利用平行平板电极形成静电场，使带电尘埃颗粒偏转，可得尘埃颗粒的荷质比。
5.根据权利要求1所述的一种复合式尘埃多参量探测方法，其特征在于，用于测量速度在1km/s以上的尘埃颗粒参数，所述方法包括：通过测量离子脉冲，得到离子总电荷量和脉冲前沿时间，根据经验公式得到颗粒质量和速度。
6.根据权利要求5所述的一种复合式尘埃多参量探测方法，其特征在于，所述经验公式分别用于测量离子总电荷和尘埃颗粒的质量和速度，所述离子总电荷按下式计算：
Q+＝C1mαVβ
其中，α、β为试验标定得到的常数，С1为与靶标材料及电离探测器结构有关的常数；m,V为颗粒的质量和速度；
电荷脉冲前沿与颗粒飞行速度有关，可以下式表示为：
tC2Vγ
由上述两式可计算得到颗粒的质量m和速度V。
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