CN114973899B - 一种电子激发大气辐射的模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电子激发大气辐射的模拟装置，电子枪腔体与气体腔的前端相连接；所述电子枪用于发射电子并注入气体腔中，电子与气体腔中的气体分子发生碰撞，使气体分子电离激发。本发明所搭建小型化的电子激发大气辐射的模拟装置，该装置可实现高能电子对中性气体的电离激发实验，产生一系列特殊场景下的光学辐射现象，另外，本发明还借助于光学观测设备，能够获取中性气体电离后的光学辐射信号，从而进一步获取不同入射电子能量、不同辐射强度、不同大气成分情况下的辐射规律。本发明在验证高空大气辐射模型方向具有重要意义，并为后续研究气体电离碰撞等光学反应特性提供平台支撑。
Description
技术领域
本发明涉及辐射模拟技术领域，尤其是一种电子激发大气辐射的模拟装置。
背景技术
临近空间一般指大气层垂直剖面中距地面高度在20～120km的部分，包含平流层、中间层和热层底部。临近空间与大气物理学、环境科学中的中高层大气这一研究概念范围相近，研究临近空间大气的物质能量循环和反应动力学过程对构建更加科学合理的环境大气模型和中高层大气工程应用具有重要指导意义。
临近空间空气非常稀薄，但主要成分与比例分布同地表大气相似，以氮气和氧气为主。相较于近地的对流层大气，临近空间中水汽极少，没有雨雪等气象过程。由于太阳光紫外线的照射催生一系列化学/光化学反应，大气中性气体发生电离，并随之产生大量的离子，与从外层空间进入的高能质子和中子共同构成丰富的微观大气组分。此外，临近空间还存在许多光学现象，包括气辉、极光、夜光云和中层大气闪电等。
相较可见光波段成像，红外成像系统在对地观测、实时监控的部分方面更有优势。红外观测不仅可以分辨地表形貌，而且对温度变化十分敏感，在防治自然灾害、天基目标探测和能源矿物勘探等方面发挥着重要作用。为提高红外遥感的灵敏度，不仅要选择合适的观测波段，而且要考虑环境背景辐射和大气传输效应对成像系统探测能力的影响。
中高层大气光辐射环境通常采用空天光学探测系统进行直接测量，但这种测量方式代价十分巨大。由于缺乏对高空大气辐射特性的认识，导致光学探测系统性能设计存在较大不足。因此，开展高空稀薄大气的光辐射特性地面仿真实验研究十分必要。国内外已有高层大气辐射测量实验证实，当极光发生时，穿过极光区域的探测视线的辐射测量值明显大于静态大气。
因此，研究临近空间的光学现象对中高层大气红外辐射的增强效应，对于准确理解中高层大气光化学反应动力学和辅助各类机载/星载红外测量系统设计具有重要意义。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种电子激发大气辐射的模拟装置，可模拟高能电子对中高层大气的电离激发过程，产生一系列特殊场景下的光学辐射现象。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：
一种电子激发大气辐射的模拟装置，模拟装置包括：气体池、电子发射系统；
所述气体池包括：用于盛装气体的气体腔；
所述电子发射系统包括：电子枪腔体，位于电子枪腔体中的电子枪；
所述电子枪腔体与气体腔的前端相连接；所述电子枪用于发射电子并注入气体腔中，电子与气体腔中的气体分子发生碰撞，使气体分子电离激发。
优选的，所述电子枪腔体通过差分腔与气体腔的前端相连接；所述差分腔与电子枪腔体和气体腔相连接的左右两侧壁上开设有第二同轴孔，所述电子枪所发射的电子通过差分腔左右两侧壁上的第二同轴孔进入气体腔中。
优选的，所述电子枪腔体使用的涡轮分子泵排除腔内空气；所述差分腔的上下分别设有涡轮分子泵，用于防止气体腔内的气体向电子枪腔体倒吸。
优选的，所述电子发射系统还包括：电子光学单元、驱动电源；
所述电子枪的发射端与电子光学单元相连接；所述电子光学单元包括：沿电子发射方向设置的若干片电极，此若干片电极之间沿电子发射方向具有一系列第一同轴孔，此若干片电极通电后可在电子枪的发射端前方形成稳定的静电场，通过该一系列第一同轴孔将电子枪所发射的电子汇聚为电子束，提高束流能量后注入气体腔中；
所述驱动电源用于向电子枪施加直流电，以及用于向电子光学单元的若干片电极施加不同电压，通过改变电子光学单元中各片电极之间的电压配比，获得不同能量的电子束。
优选的，所述电子光学单元的若干片电极为：沿电子发射方向依次设置的一片栅极和若干片加速极；
所述栅极与电子枪的阴极相连接；各片电极之间设置隔离柱。
优选的，模拟装置还包括：环参监测控制系统；
所述环参监测控制系统包括：大气参数控制单元、大气参数监测单元、气体配比单元；
所述大气参数监测单元用于对气体腔内的气体浓度、气压、温度进行实时监测；
所述气体配比单元用于配比气体，并将配比后的气体通入气体腔中；
所述大气参数控制单元用于对气体腔内的气体浓度和气压进行控制。
优选的，所述大气参数控制单元采用真空抽气泵对气体腔内的空气进行抽气，所述大气参数控制单元包括与气体腔相连接的干式涡旋泵，通过控制干式涡旋泵的运转维持气体腔的气压稳定。
优选的，模拟装置还包括：光谱辐射测量系统；
所述光谱辐射测量系统与气体腔的后端相连接，用于对气体腔后端出射的辐射光进行测量；所述光谱辐射测量系统采用可见光近红外光谱仪，测量可见及红外波段的辐射信号。
本发明的优点在于：
(1)本发明可以通过高能电子直接激发中性气体观测其光学光谱辐射，模拟高能电子对中高层大气的辐射增强效应，用于开展高能电子对中高层大气气体电离激发过程的实验研究。
(2)本发明为模拟高空大气环境，使用具备良好气密性的真空腔体将气体与外界隔离，同时为满足电子枪的工作条件、防止阴极氧化烧毁，采用多个腔体串联构成阶梯压力差分。
(3)本发明为保证高能电子顺利从电子枪腔体、差分腔依次进入气体腔，在差分腔与电子枪腔体和气体腔相连接的左右两侧壁上开设有第二同轴孔，该第二同轴孔使的相邻两腔体之间可维持数百倍的压力差。
(4)本发明所设计电子光学单元使得电子加速聚焦，通过电子光学单元的一系列同轴孔到达气体腔，且通过改变电子光学单元中各片电极的电压配比，即可获得不同能量的电子束。
(5)电子光学单元中的栅极与电子枪的阴极相连接，用于约束电子枪的电子发射截面，限制电子的径向发散，并使得离轴角较大的电子偏转重新汇入主流，避免二次电子破坏静电场的稳定性；各电极之间设置隔离柱保证电源间不相互干涉。
(6)本发明通过高能电子激发中性气体，从而模拟出临近空间的光学现象，实验测量中性气体被高能电子激发后发射出的特征谱线或谱带的辐射信号，研究辐射强度随入射电子能量的变化特性。
(7)本发明本发明搭建小型化的电子激发大气辐射的模拟装置，该装置可实现高能电子对中性气体的电离激发实验，产生一系列特殊场景下的光学辐射现象。另外，本发明还借助于光学观测设备，能够获取中性气体电离后的光学辐射信号，从而进一步获取不同入射电子能量、不同辐射强度、不同大气成分情况下的辐射规律。本发明在验证高空大气辐射模型方向具有重要意义，并为后续研究气体电离碰撞等光学反应特性提供平台支撑。
(8)利用本发明装置分别对单组份中性气体(如氮气或氧气)、或其混合气体设计电离激发实验，通过后端的光谱辐射测量系统测量电离激发气体分子发出的光谱辐射信号，从而研究不同种类气体分子电子激发态特征，以及激发谱线辐射强度与入射电子能量之间的变化关系。
附图说明
图1为电子激发大气光学辐射的模拟装置示意图。
图2为真空腔体整体图示、腔体连接部分局部放大。
图3为环参监测控制系统原理图。
图4为应用工况下各腔体压力分布。
图5为电子光学单元结构示意图。
图6为电子枪外部电路示意图。
图7为束流检测系统示意图。
图8为光谱辐射测量系统示意图。
附图标记说明：
1-气体池、2-电子发射系统、3-环参监测控制系统、4-光谱辐射测量系统、5-差分腔、11-气体腔、21-电子枪腔体、22-电子枪、23-电子光学单元、栅极231、232-加速极、233-隔离柱、234-第一同轴孔、31-气参数控制单元、32-大气参数监测单元、33-气体配比单元。
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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
由图1所示，一种电子激发大气辐射的模拟装置包括：气体池1、电子发射系统2、环参监测控制系统3、光谱辐射测量系统4。
所述环参监测控制系统3分别与气体池1的进气口和出气口相连接，用于根据实验需求配制一定浓度的气体，并通过进气口通入气体池1；所述环参监测控制系统3还用于对气体池1中的气体浓度、气压、温度进行实时监测，并通过进气口和出气口调节控制气体池1的气体浓度、气压。其中，单种或多种气体组分，由标准气体发生器进行配气。
所述电子发射系统2与气体池1的前端相连接，用于向气体池1注入高能电子，高能电子与气体池1中的气体分子发生碰撞，使气体分子电离激发。
所述光谱辐射测量系统4与气体池1的后端相连接，用于采集气体池1后端出射的辐射光，测量气体池1内电离激发气体分子发出的光学辐射信号。
本发明中，为模拟临近空间大气环境，需要使用具备良好气密性的真空腔体将气体池1与外界隔离。同时，为满足电子枪的工作条件、防止阴极氧化烧毁，需要多个腔体串联构成阶梯压力差分。
由图2所示，气体池1采用一个六通的不锈钢真空腔体作为气体腔11，气体腔11的前端通过一个方形六通的差分腔5，与六通的电子枪腔体21相连接。其中，在电子枪腔体21下方使用抽速为350sLpm的涡轮分子泵排除腔内空气；差分腔5上下另设有抽速350sLpm和700sLpm的涡轮分子泵，防止气体腔11向电子枪腔体21倒吸，(前级泵未在图2中显示)。各腔体之间、分子泵与腔体之间的均有标准CF100真空法兰接口。
为保证高能电子顺利从电子枪腔体21、差分腔5依次进入气体腔11，差分腔5的两侧壁面上开设直径为2mm的第二同轴孔51，该第二同轴孔51的存在使相邻两腔体之间可维持数百倍的压力差，CH1、CH2、CH3分别表示电子枪腔体21、差分腔5、气体腔11的压力分布，具体数值分别可达9.96-6Pa、5.49-4Pa和0.148Pa。
本发明中，由图3所示，环参监测控制系统3主要包含大气参数控制单元31、大气参数监测单元32、气体配比单元33。
大气参数监测单元32对气体池1内的温度和气压进行实时监测。
其中，大气参数监测单元32利用温度探针测量气体温度。大气参数监测单元32利用全量程真空计对气体池1内的气压进行测量，本实施例中，采用全量程的皮拉尼/冷阴极真空规对气体池1内的气压进行测量。
气体配比单元33将不同组分气体分别通过多路D07-19B标准流量计充分预混合后得到实验所需的一定浓度的气体，并通过Swagelok蝶阀将配比后气体通入气体池1，Swagelok蝶阀用于调节气体池1的进气流量。
大气参数控制单元31对气体池1的气体浓度和气压进行控制。
其中，大气参数控制单元31采用真空抽气泵对气体池1内空气进行抽气，使得气体池1的气压达到临近空间环境的低压。并且，为维持气体池1的气压稳定，气体池1与干式涡旋泵相连连接，本实施例采用独立的小型干式涡旋泵与气体池1相连。所述大气参数控制单元31通过控制干式涡旋泵的运转参数维持气体池1的气压稳定。
本发明的电离激发实验不仅需要保证气体池1具有良好的气密性能，而且需要保证气体池1进气时，电子枪腔体21仍维持较高真空，以满足电子枪的正常工作条件。
验证实验中，向气体腔11通入氮气并逐步提高气体腔11的进气流量，记录气体腔11在应用工况下，差分腔5和电子枪腔体21的气压变化，相关数据。由图4所示。为保持合适比例图中纵坐标采用对数标度，实际CH3—CH1、CH3—CH2均为线性关系。由图4可知当气体腔11的压力达到103Pa时，电子枪腔体21的压力仅为6.70×10-3Pa，能够满足电子枪的正常工作条件。
本发明中，由图5所示，电子发射系统2包括：电子枪22、电子光学单元23、驱动电源。电子发射系统2具备热电子发射、电子能量调节、电子束流加速聚焦的功能。
所述电子枪22的阴极为一根直径0.1mm的钨丝，尖端附着直径1.2mm的钽片，通入电流时可沿轴线方向发射电子。
向电子枪22施加一定的直流电，提高阴极表面温度，使阴极内部电子平均内能超过材料逸出功并被牵引至尖端表面，通过电子光学单元23加速提高束流能量并聚焦到气体池1。
随着直流电的提升，电子枪22阴极发射的理论束流强度也随之增大。一般地，为保证热阴极的使用寿命，电子枪22两端施加的加热电流不超过2.5A，此时可检测电子枪22阴极发射的理论束流约为10-6A。
电子自阴极表面逸出时初动能较低，一般不超过0.5eV。因此需要设计一套电子光学单元23即静电透镜使电子加速聚焦，通过电子光学单元的一系列第一同轴孔234到达气体池1。
所述电子光学单元23由若干片施加不同电压的电极构成，此若干片电极之间具有一系列第一同轴孔234，通电后可在电子枪前方形成稳定的静电场，汇聚为通过该一系列第一同轴孔234的电子束。
由图5所示，所述电子光学单元23的若干片电极具体为：沿电子发射方向依次设置的一片栅极231和三片加速极232，此三片加速极232沿电子发射方向依次为第一加速极、第二加速极、第三加速极；所述栅极231与电子枪22的阴极相连接，用于约束电子枪22的电子发射截面，限制电子的径向发散，并使得离轴角较大的电子偏转重新汇入主流，避免二次电子破坏静电场的稳定性。各电极之间设置隔离柱233保证电源间不相互干涉。
由图6所示，为保证电子枪22发射的电子电位与各电极电压相匹配，需要对热阴极施加浮地电压V0，与电子枪22构成闭合回路的外部电路由图5所示，通过并联两个5MΩ的低温漂电阻耦合灯丝加热直流电源与浮地电压源。电子枪22的接电引脚从带有BNC接线柱的标准CF35法兰引出后连接外部电路。
通过改变电子光学单元23中各电极的电压配比，可以获得不同能量的电子束。由于解析法求取电子在静电场内的轨迹方程非常困难，通常采用一些成熟的工业化软件对电子轨迹进行数值模拟。因此，使用SIMION软件辅助设计电子光学单元23中各电极的电压配比，并精确模拟电子在电子光学单元23中的运动轨迹。为便于后续实验对照，预设了三组电子能量(350eV,1500eV,3000eV)，模拟中聚焦效果较好的各电极电压配比如下表2所示：
| 电子能量 | V0(V) | V1(V) | V2(V) | V3(V) |
| 350eV | -100 | -102 | -90 | +350 |
| 1500eV | -500 | -503 | -420 | +1500 |
| 3000eV | -1000 | -1002 | -102 | +3000 |
表2
其中，V0为热阴极施加浮地电压，V1为栅极231的电压，V2为第一加速极的电压，V3为第三加速极的电压。按照图6的电路连接方式，第二加速极的电压也为V0。
由于第二加速极连接于真空腔体，腔体外壳接地(零电位)，且气体池1内部空间可视为等势，电子束的最终动能仅取决于V3；因此可通过调节阴极浮地电压V0和栅极231的电压V1、第一加速极的电压V2改善聚焦效果。设置各电极电压及电子属性后即可得到模拟电子束轨迹，且经通电测试，热阴极可在真空腔体中点亮。
由于电子束流不能被直接观测，为了检测电子是否进入气体腔11以及模拟电子轨迹与实际电子轨迹的相符程度，需要设计一套束流接收检测系统。束流接收检测系统主要部件为：与腔体外壳隔离的金属法拉第筒和Keithley 6514型静电计。由图7所示，法拉第筒通过三轴运动导入器固定于气体腔11的前端，位于气体腔11电子束进口的前方，通过导线经由真空BNC法兰连接静电计。为减小环境电场影响，导线外部包覆了一层金属屏蔽网。
待电子发射与接收测量部分安装完毕后，首先应测定气体腔11电子束进口附近的电流密度分布，通过移动三轴运动导入器保证法拉第筒与小孔同轴。
本发明中，光谱辐射测量系统4主要由可见近红外光谱仪构成，通过光谱辐射测量系统4对气体池1后端出射的辐射光进行测量，测量气体池1内在可见及红外波段的辐射信号。
采用可见光近红外光谱仪，测量O2(a1Δg)的辐射激发光谱。O2(a1Δg)到的跃迁谱线位于1270nm。通过监测离子化学推算生成O2(a1Δg)的化学反应速率，测量光路如图8所示。
利用本发明装置分别对单组份中性气体(如氮气)、主动红外气体(如二氧化碳)和大气组分混合气体设计电离激发实验，通过后端的光谱辐射测量系统测量电离激发气体分子发出的光谱辐射信号，从而研究不同种类气体分子电子激发态特征，以及激发谱线辐射强度与注入高能电子能量之间的变化关系。
单组份中性气体的电离激发试验中，通过调节电流使电子枪发射一定能量的高能电子，对纯净的氮气或氧气进行电离激发，采用可见光近红外光谱仪测量氮气和氧气电子激发态的特征谱线的辐射信号。通过电子激发中性气体实验，查验测量的辐射信号是否包含(Meinel和1NG)带，并确认是否存在其他特征谱线。通过逐步提高注入电子能量，查看氮气和氧气电子激发态特征激发谱线辐射强度的变化情况。通过单组份中性气体的电离研究，并构建其红外光谱辐射测量系统，完成电子注入红外光谱辐射测量。
在上述实验基础上向气体池1内填充高浓度的氧气。高能电子发射一定能量的电子对氧气进行激发，确认光谱仪实测谱线中是否存在0.76μm、O2(a1Δg)1.27μm等特征辐射谱线。在此基础上进一步验证是否存在其他辐射谱线。
高空大气辐射效应实验中，真空环境下的光谱辐射测量系统4可采用窗口玻璃等对气体池1进行密闭处理。出射的红外辐射光通过光学组合透镜聚焦后，被光电探测器接收，可以得到光学辐射信号。
实验之前，采用气体发生器配置一定比例的N2和CO2的混合气体，开展不同能量电子注入混合气体的电离实验研究。通过测量混合气体的红外辐射信号，识别其中的发射谱带，诸如CO2气体的辐射带(如2.7μm、4.3μm)的中心波数和光谱形状分布。当逐步加大注入电子能量时，观测CO2混合气体的红外辐射谱带强度是否逐步增强。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种电子激发大气辐射的模拟装置，其特征在于，模拟装置包括：气体池(1)、电子发射系统(2)；
所述气体池(1)包括：用于盛装气体的气体腔(11)；
所述电子发射系统(2)包括：电子枪腔体(21)，位于电子枪腔体(21)中的电子枪(22)；
所述电子枪腔体(21)与气体腔(11)的前端相连接；所述电子枪(22)用于发射电子并注入气体腔(11)中，电子与气体腔(11)中的气体分子发生碰撞，使气体分子电离激发；
模拟装置还包括：环参监测控制系统(3)；
所述环参监测控制系统(3)包括：大气参数控制单元(31)、大气参数监测单元(32)、气体配比单元(33)；
所述大气参数监测单元(32)用于对气体腔(11)内的气体浓度、气压、温度进行实时监测；
所述气体配比单元(33)用于配比气体，并将配比后的气体通入气体腔(11)中；
所述大气参数控制单元(31)用于对气体腔(11)内的气体浓度和气压进行控制；
模拟装置还包括：光谱辐射测量系统(4)；
所述光谱辐射测量系统(4)与气体腔(11)的后端相连接，用于对气体腔(11)后端出射的辐射光进行测量；所述光谱辐射测量系统(4)采用可见光近红外光谱仪，测量可见及红外波段的辐射信号。
2.根据权利要求1所述的一种电子激发大气辐射的模拟装置，其特征在于，所述电子枪腔体(21)通过差分腔(5)与气体腔(11)的前端相连接；所述差分腔(5)与电子枪腔体(21)和气体腔(11)相连接的左右两侧壁上开设有第二同轴孔(51)，所述电子枪(22)所发射的电子通过差分腔(5)左右两侧壁上的第二同轴孔(51)进入气体腔(11)中。
3.根据权利要求2所述的一种电子激发大气辐射的模拟装置，其特征在于，所述电子枪腔体(21)使用的涡轮分子泵排除腔内空气；所述差分腔(5)的上下分别设有涡轮分子泵，用于防止气体腔(11)内的气体向电子枪腔体(21)倒吸。
4.根据权利要求1所述的一种电子激发大气辐射的模拟装置，其特征在于，所述电子发射系统(2)还包括：电子光学单元(23)、驱动电源；
所述电子枪(22)的发射端与电子光学单元(23)相连接；所述电子光学单元(23)包括：沿电子发射方向设置的若干片电极，此若干片电极之间沿电子发射方向具有一系列第一同轴孔(234)，此若干片电极通电后可在电子枪(22)的发射端前方形成稳定的静电场，通过该一系列第一同轴孔(234)将电子枪(22)所发射的电子汇聚为电子束，提高束流能量后注入气体腔(11)中；
所述驱动电源用于向电子枪(22)施加直流电，以及用于向电子光学单元(23)的若干片电极施加不同电压，通过改变电子光学单元(23)中各片电极之间的电压配比，获得不同能量的电子束。
5.根据权利要求4所述的一种电子激发大气辐射的模拟装置，其特征在于，所述电子光学单元(23)的若干片电极为：沿电子发射方向依次设置的一片栅极(231)和若干片加速极(232)；
所述栅极(231)与电子枪(22)的阴极相连接；各片电极之间设置隔离柱。
6.根据权利要求1所述的一种电子激发大气辐射的模拟装置，其特征在于，所述大气参数控制单元(31)采用真空抽气泵对气体腔(11)内的空气进行抽气，所述大气参数控制单元(31)包括与气体腔(11)相连接的干式涡旋泵，通过控制干式涡旋泵的运转维持气体腔(11)的气压稳定。
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