CN114878670A - 一种行星轨道大气中性气体分子的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于空间环境探测设备技术领域，具体地说，涉及一种行星轨道大气中性气体分子的测量装置，包括：球形热平衡室、冷阴极电子发射与反射子装置、中性气体电离室电压调控子装置、离子聚焦与收集子装置和外壳；所述外壳为顶端设有开口的圆柱体结构，球形热平衡室设置在外壳的顶端，球形热平衡室设有入射口和出射口；入射口位于外壳外，出射口位于外壳顶端开设的开口处，离子聚焦与收集子装置设置在外壳的底部，离子聚焦与收集子装置的上方设置冷阴极电子发射与反射子装置和中性气体电离室电压调控子装置。

Description

一种行星轨道大气中性气体分子的测量装置

技术领域

本发明属于空间环境探测设备技术领域，具体地说，涉及一种行星轨道大气中性气体分子的测量装置。

背景技术

地球中高层大气与太阳系其他行星大气是地球空间环境和地外行星环境的重要组成部分，是当前地球空间探测和地外行星探测重点关注的探测对象。获取高精度行星轨道大气中性气体分子探测数据，对于建立高精度行星大气模型具有重要的支撑作用；不同行星大气层中性气体的探测范围差异很大，探测装置应具备大的探测量程才能满足探测地外行星轨道大气中性气体分子的需求。行星轨道大气中性气体分子和卫星之间的相对速度，通常可达数公里每秒的量级，常用的地面测量装置不能测量行星轨道大气中性气体分子，而现有的测量装置多采用挡板阻流器、热阴极灯丝电子发射源和B-A规(Bayard-AlpertIon Gauge)的传统方法，受热适应系数与背景噪声的影响，其测量误差较大，探测量程较狭窄，压力探测下限仅能达到10^-8Pa左右,探测精度低，应用范围受限于地球轨道300-600公里左右。

发明内容

为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种行星轨道大气中性气体分子的测量装置，该装置包括：球形热平衡室、冷阴极电子发射与反射子装置、中性气体电离室电压调控子装置、离子聚焦与收集子装置和外壳；

所述外壳为顶端设有开口的圆柱体结构，球形热平衡室设置在外壳的顶端，球形热平衡室设有入射口和出射口；入射口位于外壳外，出射口位于外壳顶端开设的开口处，离子聚焦与收集子装置设置在外壳的底部，离子聚焦与收集子装置的上方设置冷阴极电子发射与反射子装置和中性气体电离室电压调控子装置，且中性气体电离室电压调控子装置设置在冷阴极电子发射与反射子装置内。

作为上述技术方案的改进之一，所述冷阴极电子发射与反射子装置包括相对设置在外壳内的电子发射冷阴极弧面组件和电子反射极弧面板；

所述电子发射冷阴极弧面组件包括：电子发射冷阴极弧面板和支架；支架的一端设置电子发射冷阴极弧面板，电子发射冷阴极弧面板上设置碳纳米管电子发射体；支架的另一端设置电子反射极弧面板，电子发射冷阴极弧面板和电子反射极弧面板处于同一水平面。

作为上述技术方案的改进之一，所述中性气体电离室电压调控子装置包括：引出栅网和两个调制栅网；

调制栅网设置在冷阴极电子发射与反射子装置的上方，两个相对设置的引出栅网布设在电子发射冷阴极弧面组件和电子反射极弧面板之间的区域内，且两个引出栅网之间形成电离区，引出栅网通过施加电压将电子发射冷阴极弧面组件中的碳纳米管电子发射体发射电子，并将其出射的电子引入到电离区内部，两个引出栅网和调制栅网通过施加的电压使得两个引出栅网之间的电离区内部运动的电子能量保持一致，并使得大气中性气体分子电离后的离子向中轴线方向运动。

作为上述技术方案的改进之一，所述引出栅网由90％透过率的钼网制成，调制栅网是由90％透过率的同心圆环制成。

作为上述技术方案的改进之一，离子聚焦与收集子装置包括：两个偏转电极、半圆形反射电极和离子收集电极；

两个偏转电极水平放置在中性气体电离室电压调控子装置的下方，且两个偏转电极处于同一水平线上，二者之间留有缝隙，供电离后的离子进入，半圆形反射电极设置在两个偏转电极的正下方，且半圆形反射电极的中部插入竖直设置的离子收集电极；

偏转电极和反射电极通过施加电压使得进入的离子向离子收集电极方向运动；离子收集电极收集总离子流的电信号。

作为上述技术方案的改进之一，所述热平衡室为一球形空腔；

其中，所述入射口和出射口为两个同样大小的圆形开口，该开口直径与热平衡室的球形空腔的直径比小于0.1；

出射口的中心和球形空腔的中心连线平行于该测量装置的中轴线，入射口的中心和热平衡室的球形空腔的中心连线与出射口的中心和球形空腔的中心连线的夹角为90°。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明的测量装置，通过热平衡室连续改变粒子入射方向，增大气体撞击器壁次数，使得行星轨道大气中性气体分子达到充分的热平衡；通过冷阴极电子发射与反射子装置、中性气体电离室电压调控子装置和离子聚焦与收集子装置，大幅提高中性气体分子的电离效率，扩大了测量范围,降低了背景噪声的干扰,实现了行星轨道大气中性气体分子的高精度和大量程测量。

附图说明

图1是本发明的一种行星轨道大气中性气体分子的测量装置的结构剖视图。

图2是本发明的一种行星轨道大气中性气体分子的测量装置的一个实施例中的冷阴极电子发射与反射子装置与中性气体电离室电压调控子装置的俯视图

图3是本发明的一种行星轨道大气中性气体分子的测量装置安装在卫星平台上的位置关系结构示意图。

附图标记：

1.1、进气口 1.2、出气口 1.3、热平衡室

2.1、电子发射冷阴极 2.2、电子反射极

3.1、引出栅网 3.2、调制栅网

4.1、偏转电极 4.2、反射电极 4.4、离子收集电极

5、外壳

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，针对行星轨道大气中性气体分子测量的原理，将与卫星相对速度达公里每秒量级的中性气体分子流降速后，再电离成带电离子，再利用带电离子的测量方法进行测量，本发明提供了一种行星轨道大气中性气体分子的测量装置，通过连续改变粒子入射方向，增大气体撞击器壁次数，实现行星大气卫星运行轨道中性气体与测量装置之间的热平衡，通过冷阴极电子发射与反射子装置、中性气体电离室电压调控子装置和离子聚焦与收集装置，增加某一行星轨道大气中性气体分子的电离率、减小背景噪声干扰,使检测下限延伸到小于10^-10Pa，实现了行星轨道大气中性气体分子的测量，极大的增加了探测的精度和量程，拓展了装置所应用的领域，在地球空间领域以及地外行星探测领域都有着广泛的应用需求。

如图1所示，该装置包括：球形热平衡室1.3、冷阴极电子发射与反射子装置、中性气体电离室电压调控子装置、离子聚焦与收集子装置和外壳5；

所述外壳5为顶端设有开口的圆柱体结构，球形热平衡室1.3设置在外壳5的顶端，球形热平衡室1.3设有入射口1.1和出射口1.2；入射口1.1位于外壳5外，出射口1.2位于外壳5顶端开设的开口处，离子聚焦与收集子装置设置在外壳5的底部，离子聚焦与收集子装置的上方设置冷阴极电子发射与反射子装置和中性气体电离室电压调控子装置，且中性气体电离室电压调控子装置设置在冷阴极电子发射与反射子装置内；将从入射口1.1入射进来的某一行星轨道大气中性气体分子在球形热平衡室1.3内将附带的带电粒子消除并降速，再经出射口1.2改变入射方向后，垂直入射至位于中性气体电离室电压调控子装置内的电离区，在冷阴极电子发射与反射子装置发射的电子在中性气体电离室电压调控子装置的引导下水平进入位于中性气体电离室电压调控子装置内的电离区,对该大气中性气体分子进行电离，获得多个离子；再通过施加的电压，，使其全部进入离子聚焦与收集子装置，从而提取和收集电离区的离子，获得离子的数密度信息。

所述球形热平衡室，用于增大某一入射的行星轨道大气中性气体和球形热平衡室内壁的撞击次数，实现行星轨道大气中性气体在球形热平衡室内的热平衡，并消除空间入射的行星轨道大气中性气体中携带的带电粒子；其中，所述热平衡室1.3为一球形空腔，其中，所述入射口1.1和出射口1.2为两个同样大小的圆形开口，该开口直径与热平衡室1.3的球形空腔的直径比小于0.1，出射口1.2的中心和球形空腔的中心连线平行于该测量装置的中轴线，入射口1.1的中心和热平衡室1.3的球形空腔的中心连线与出射口1.2的中心和球形空腔的中心连线的夹角为90°。

所述冷阴极电子发射与反射子装置，用于发射电子，电子在中性气体电离室电压调控子装置的引导下进入电离区，将空间入射的行星轨道大气中性气体分子电离，得到离子；

所述中性气体电离室电压调控子装置，用于通过根据其施加的电压，调控电子能量和运动方向，控制行星轨道大气中性气体分子的电离率和气体分子电离后的带电离子的运动方向；

所述离子聚焦与收集装置，用于提取和收集电离区的带电离子，获得每个带电离子的数密度信息。

其中，如图1和2所示，所述冷阴极电子发射与反射子装置包括相对设置在外壳5内的电子发射冷阴极弧面组件2.1和电子反射极弧面板2.2；

所述电子发射冷阴极弧面组件2.1包括：电子发射冷阴极弧面板和支架；支架的一端设置电子发射冷阴极弧面板，电子发射冷阴极弧面板上设置碳纳米管电子发射体；支架的另一端设置电子反射极弧面板2.2，电子发射冷阴极弧面板和电子反射极弧面板2.2处于同一水平面。目的是发射电子，使得中性气体电离，电子的平均能量为70-80eV。电子反射极弧形面板2.2偏转电子的运动方向，通过施加的电压，使得电子在电离区往复运动，从而在电离区对大气中性气体分子进行电离。

其中，如图1所示，所述中性气体电离室电压调控子装置包括：两个引出栅网3.1和调制栅网3.2；

调制栅网3.2设置在冷阴极电子发射与反射子装置的上方，两个相对设置的引出栅网3.1布设在电子发射冷阴极弧面组件2.1和电子反射极弧面板2.2之间的区域内，且两个引出栅网3.1之间形成电离区，引出栅网3.1通过施加电压将电子发射冷阴极弧面组件2.1中的碳纳米管电子发射体发射电子，并将其出射的电子引入到电离区内部，两个引出栅网3.1和调制栅网3.2通过施加的电压使得两个引出栅网3.1之间的电离区内部运动的电子能量保持一致，并使得大气中性气体分子电离后的离子向中轴线方向运动。

具体地，引出栅网3.1由90％透过率的钼网制成，调制栅网由90％透过率的同心圆环制成。引出栅网3.1通过施加的电压将从电子发射冷阴极弧面组件2.1中的碳纳米管电子发射体出射的电子引入至电离区，引出栅网3.1和调制栅网3.2通过施加的电压使得在栅网内部电子的运动方向垂直于整个测量装置的中轴线且能量保持一致，并使得中性气体分子电离后的离子向整个测量装置的中轴线方向运动。

其中，如图1所示，离子聚焦与收集子装置包括：两个偏转电极4.1、半圆形反射电极4.2和离子收集电极4.3；所述反射电极4.2包括：两个剖面90°的1/4圆形面板；离子收集极4.3为针状；

两个偏转电极4.1水平放置在中性气体电离室电压调控子装置的下方，且两个偏转电极4.1处于同一水平线上，二者之间留有缝隙，供电离后的离子进入，半圆形反射电极4.2设置在两个偏转电极4.1的正下方，且两个剖面90°的1/4圆形面板之间插入竖直设置的离子收集电极4.3；

偏转电极4.1和反射电极4.2通过施加电压使得进入的离子向离子收集电极4.3方向运动；离子收集电极4.3收集总离子流的电信号。

如图3所示，本发明的测量装置在卫星上的安装位置示意图，该测量装置嵌入式地安装在卫星表面的卫星平台上，大气中性气体分子进入热平衡室1.3上开设的入射口，该入射口作为进气口，该进气口指向卫星飞行方向，夹角不超过30°，热平衡室1.3及下部设置的外壳的伸出卫星表面，将探测窗口尽量远离卫星表面，以减小卫星表面羽流对中性气体分子测量的干扰。

除了电子发射冷阴极弧形面组件2.1的碳纳米管电子发射体以及引出栅网3.1外，图1中示出的其他所有的结构件，即偏转电极4.1、半圆形反射电极4.2、离子收集电极4.3、电子反射极弧面板2.2、热平衡室1.3和外壳5均可由铝材料制成。

所述的电子发射冷阴极弧形面组件2.1、电子反射极弧形面板2.2、引出栅网3.1、调制栅网3.2、偏转电极4.1分别通过氧化铝陶瓷材料固定于装置外壳5内。所述的反射电极4.2通过氧化铝陶瓷材料与偏转电极4.1连接，离子收集电极4.4通过氧化铝陶瓷材料与反射电极4.2连接。热平衡室1.3和装置外壳5内壁镀金膜抗氧化。

电子发射冷阴极弧形面板、电子反射极弧形面板2.2、引出栅网3.1、调制栅网3.2、偏转电极4.1、反射电极4.2、离子收集电极4.3均采用氧化铝陶瓷材料进行绝缘处理，热平衡室1.3和外壳5的内壁镀金膜抗氧化。

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 (6)

1.一种行星轨道大气中性气体分子的测量装置，其特征在于，该装置包括：球形热平衡室(1.3)、冷阴极电子发射与反射子装置、中性气体电离室电压调控子装置、离子聚焦与收集子装置和外壳(5)；

所述外壳(5)为顶端设有开口的圆柱体结构，球形热平衡室(1.3)设置在外壳(5)的顶端，球形热平衡室(1.3)设有入射口(1.1)和出射口(1.2)；入射口(1.1)位于外壳(5)外，出射口(1.2)位于外壳(5)顶端开设的开口处，离子聚焦与收集子装置设置在外壳(5)的底部，离子聚焦与收集子装置的上方设置冷阴极电子发射与反射子装置和中性气体电离室电压调控子装置，且中性气体电离室电压调控子装置设置在冷阴极电子发射与反射子装置内。

2.根据权利要求1所述的行星轨道大气中性气体分子的测量装置，其特征在于，所述冷阴极电子发射与反射子装置包括相对设置在外壳(5)内的电子发射冷阴极弧面组件(2.1)和电子反射极弧面板(2.2)；

所述电子发射冷阴极弧面组件(2.1)包括：电子发射冷阴极弧面板和支架；支架的一端设置电子发射冷阴极弧面板，电子发射冷阴极弧面板上设置碳纳米管电子发射体；支架的另一端设置电子反射极弧面板(2.2)，电子发射冷阴极弧面板和电子反射极弧面板(2.2)处于同一水平面。

3.根据权利要求2所述的行星轨道大气中性气体分子的测量装置，其特征在于，所述中性气体电离室电压调控子装置包括：两个引出栅网(3.1)和调制栅网(3.2)；

调制栅网(3.2)设置在冷阴极电子发射与反射子装置的上方，两个相对设置的引出栅网(3.1)布设在电子发射冷阴极弧面组件(2.1)和电子反射极弧面板(2.2)之间的区域内，且两个引出栅网(3.1)之间形成电离区，引出栅网(3.1)通过施加电压将电子发射冷阴极弧面组件(2.1)中的碳纳米管电子发射体发射电子，并将其出射的电子引入到电离区内部，两个引出栅网(3.1)和调制栅网(3.2)通过施加的电压使得两个引出栅网(3.1)之间的电离区内部运动的电子能量保持一致，并使得大气中性气体分子电离后的离子向中轴线方向运动。

4.根据权利要求3所述的行星轨道大气中性气体分子的测量装置，其特征在于，所述引出栅网(3.1)由90％透过率的钼网制成，调制栅网(3.2)是由90％透过率的同心圆环制成。

5.根据权利要求3所述的行星轨道大气中性气体分子的测量装置，其特征在于，离子聚焦与收集子装置包括：两个偏转电极(4.1)、半圆形反射电极(4.2)和离子收集电极(4.3)；

两个偏转电极(4.1)水平放置在中性气体电离室电压调控子装置的下方，且两个偏转电极(4.1)处于同一水平线上，二者之间留有缝隙，供电离后的离子进入，半圆形反射电极(4.2)设置在两个偏转电极(4.1)的正下方，且半圆形反射电极(4.2)的中部插入竖直设置的离子收集电极(4.3)；

偏转电极(4.1)和反射电极(4.2)通过施加电压使得进入的离子向离子收集电极(4.3)方向运动；离子收集电极(4.3)收集总离子流的电信号。

6.根据权利要求1所述的行星轨道大气中性气体分子的测量装置，其特征在于，所述热平衡室(1.3)为一球形空腔；

其中，所述入射口(1.1)和出射口(1.2)为两个同样大小的圆形开口，该开口直径与热平衡室(1.3)的球形空腔的直径比小于0.1；

出射口(1.2)的中心和球形空腔的中心连线平行于该测量装置的中轴线，入射口(1.1)的中心和热平衡室(1.3)的球形空腔的中心连线与出射口(1.2)的中心和球形空腔的中心连线的夹角为90°。

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