CN115966454A - 一种空间质谱计测量及校准装置 - Google Patents

一种空间质谱计测量及校准装置 Download PDF

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Abstract

本申请涉及真空计量技术领域，具体而言，涉及一种空间质谱计测量及校准装置，包括高压气瓶、混合腔室以及超高真空腔室，其中：高压气瓶为多个，多个高压气瓶均与混合腔室连接；超高真空腔室包括依次连接的第一超高真空腔室、第二超高真空腔室以及第三超高真空腔室；混合腔室通过微调阀与第二超高真空腔室连通，通过截止阀与第一超高真空腔室连通；第一超高真空腔室的进口设置有脉冲弹簧阀和电离电极；第二超高真空腔室的进口设置有锥形孔，第二超高真空腔室的内部设置有脉冲电极；第三超高真空腔室内部设置有离子检测器。本申请不仅可以实现单一气体平衡态的校准，还可以模拟空间复杂气体的环境，实现分子束流、离子束流的测量与校准。

Description

一种空间质谱计测量及校准装置
技术领域
本申请涉及真空计量技术领域，具体而言，涉及一种空间质谱计测量及校准装置。
背景技术
空间质谱计是深空探测中最为重要的科学载荷之一，由于深空探测环境的复杂性，空间质谱计不仅需要单一平衡态气体测量能力，更需要对空间分子束流、真空等离子体等复杂气体环境测量能力。目前德国PTB、日本NIMJ、中国LIP等真空计量机构均构建了分压力质谱计校准装置，但这些装置只能提供平衡态单一气体标定，无法满足空间探测对于复杂环境测量能力的需求。
发明内容
本申请提供了一种空间质谱计测量及校准装置，该装置不仅可以实现稳态单一气体的质谱测量，也可产生模拟太空环境的高速中性分子束与离子束流。
为了实现上述目的，本申请提供了一种空间质谱计测量及校准装置，包括高压气瓶、混合腔室以及超高真空腔室，其中：高压气瓶为多个，多个高压气瓶均与混合腔室连接；超高真空腔室包括依次连接的第一超高真空腔室、第二超高真空腔室以及第三超高真空腔室；混合腔室通过微调阀与第二超高真空腔室连通，通过截止阀与第一超高真空腔室连通；第一超高真空腔室的进口设置有脉冲弹簧阀和电离电极，电离电极与脉冲弹簧阀连接；第二超高真空腔室的进口设置有锥形孔，第二超高真空腔室的内部设置有脉冲电极，脉冲电极与所锥形孔连接；第三超高真空腔室内部设置有离子检测器。
进一步的，还包括压力计，压力计与混合腔室连接，压力计的测量精度为0.0015％，可以测量0-10bar范围内的压力。
进一步的，每个高压气瓶内的气体均为高纯度单一种类气体。
进一步的，微调阀为超高真空全金属微调阀。
进一步的，脉冲弹簧阀的脉冲开关时间≤250μs。
进一步的，电离电极为两片式结构，第一电极产生高压脉冲，第二电极接地。
进一步的，第一电极产生的高压脉冲的电压范围为800-1000V，脉冲时间为1μs-200μs。
进一步的，锥形孔的材料为金属不锈钢，孔口的直径为2-4mm。
进一步的，脉冲电极产生的脉冲电压为-15V，脉冲时间为6μs，脉冲电极的前方还设置有聚集透镜。
进一步的，离子检测器在第三超高真空腔室内部可以沿X轴方向进行移动，移动距离为400-600mm。
本发明提供的一种空间质谱计测量及校准装置，具有以下有益效果：
本申请相比于现有技术，不仅可以实现单一气体平衡态的校准，还可以模拟空间复杂气体的环境，实现分子束流、离子束流的测量与校准。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例提供的空间质谱计测量及校准装置的结构示意图；
图2是根据本申请实施例提供的空间质谱计测量及校准装置的电离电极的示意图；
图3是根据本申请实施例提供的空间质谱计测量及校准装置的脉冲电极的示意图；
图中：1-高压气瓶、2-混合腔室、3-第一超高真空腔室、4-第二超高真空腔室、5-第三超高真空腔室、6-微调阀、7-截止阀、8-脉冲弹簧阀、9-电离电极、10-锥形孔、11-脉冲电极、12-离子检测器、13-压力计、14-聚集透镜。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1所示，本申请提供了一种空间质谱计测量及校准装置，包括高压气瓶1、混合腔室2以及超高真空腔室，其中：高压气瓶1为多个，多个高压气瓶1均与混合腔室2连接；超高真空腔室的真空度在1×10-5Pa以下，包括依次连接的第一超高真空腔室3、第二超高真空腔室4以及第三超高真空腔室5；混合腔室2通过微调阀6与第二超高真空腔室4连通，能够有效控制气体量，实现空间质谱静态测量，通过截止阀7与第一超高真空腔室3连通，可以释放高压气体，产生脉冲气体束，便于产生高速中性分子束和离子束；第一超高真空腔室3的进口设置有脉冲弹簧阀8和电离电极9，电离电极9与脉冲弹簧阀8连接；第二超高真空腔室的进口设置有锥形孔10，第二超高真空腔室的内部设置有脉冲电极11，脉冲电极11与所锥形孔10连接；第三超高真空腔室5内部设置有离子检测器12。
具体的，本申请实施例提供的空间质谱计测量及校准装置，可以产生高速中性分子束与离子束，实现空间环境的模拟，用以测量及校准空间质谱计。其中，高压气瓶1主要用于提供校准气体，根据校准气体的具体组成成分可以设置多个高压气瓶1，每个高压气瓶1均通过减压阀与混合腔室2连通，混合腔室2用于混合气体，测量与校准过程中，通过减压阀可以控制各个气瓶内气体进入混合腔的速度，多种气体在混合腔室2内部进行混合后，形成校准气体；校准气体一方面通过微调阀6的控制可以直接从混合腔室2进入第二超高真空腔室4，将第一超真空腔室3换接质谱计，通过混合腔室2的抽气系统与微调阀6实现动态稳定，完成静态质谱测量，另一方面通过截止阀7的控制从混合腔依次进入第一超高真空腔室3、第二超高真空腔4以及第三超高真空腔5，实现分子束流与离子束流的测量与校准。
更具体的，校准气体通过截止阀7的控制，先与第一超高真空腔室3进口处的脉冲弹簧阀8接触，利用脉冲弹簧阀8的特性产生高速分子束，分子束流速度的计算公式为：
Figure BDA0004015845360000051
式中，γ＝Cp/CV，表示比热容比，m表示气体分子质量，kB表示玻尔兹曼常数，T表示脉冲弹簧阀初始气体温度，根据上述公式可以得到分子束流的速度，通过比对质谱计测量分子束流速度与计算分子束流速度，实现分子束流的校准；高速的分子束会进入后面的电离电极9中，在电离电极9处实现分子束的电离，从而产生离子束，离子束通过锥形孔10进入第二超高真空腔室4，而第二超高真空腔室4内部的脉冲电极11会对离子束进行加速，使离子束加速进入第三超高真空腔室5，通过第三超高真空腔室5内部的离子检测器12测量离子束流的速度，通过离子检测器12测量的离子束流速度与质谱计测量的离子束流比对，实现离子束流的测量与校准。
进一步的，还包括压力计13，压力计13与混合腔室2连接，压力计13的测量精度为0.0015％，可以测量0-10bar范围内的压力。压力计13优选为活塞压力计，主要用于检测混合腔内的压力，根据校准气体的具体组成成分，并且观察压力计13的压力示数，通过减压阀调节各个高压气瓶1内气体进入混合腔内的压力，从而实现混合校准气体的配制。
进一步的，每个高压气瓶1内的气体均为高纯度单一种类气体。每个高压气瓶1内充有纯度高达99.99％的任意单一种类的气体，具体的气体种类根据实际混合的校准气体来确定。
进一步的，微调阀6为超高真空全金属微调阀。微调阀6选择超高真空全金属微调阀主要为了有效控制气体流量，保证气体动态稳定质谱测量。
进一步的，脉冲弹簧阀8的脉冲开关时间≤250μs。脉冲弹簧阀8具有短时脉冲功能，可实现高压气体脉冲，实现高速分子束流的产生，脉冲高速分子束流的速度可通过理论计算。
进一步的，如图2所示，电离电极9为两片式结构，第一电极产生高压脉冲，第二电极接地。电离电极9主要用于产生高压脉冲，从而对分子束实现电离，形成离子束。
进一步的，第一电极产生的高压脉冲的电压范围为800-1000V，脉冲时间为1μs-200μs，能够产生模拟空间飞行器飞行速度的离子束(51m/s)。
进一步的，锥形孔10的材料为金属不锈钢，孔口的直径为2-4mm。锥形孔的主要用于聚集分子气体，通过此进入脉冲分子束流道，实现脉冲电离，产生离子束流。材料优选采用金属不锈钢，方便连接与制造。
进一步的，如图3所示，脉冲电极11产生的脉冲电压为-15V，脉冲时间为6μs，脉冲电极11的前方还设置有聚集透镜14。脉冲电极11为加速电极，通过控制脉冲的时间与电极电压，实现离子束脉冲的加速与聚焦。
进一步的，离子检测器12在第三超高真空腔室5内部可以沿X轴方向进行移动，移动距离为400-600mm。离子检测器12在第三超高真空腔室5内部可以沿X轴方向进行移动，移动距离优选为500mm，用于测量离子束的速度，进而实现空间质谱计离子束流的测量与校准。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空间质谱计测量及校准装置，其特征在于，包括高压气瓶、混合腔室以及超高真空腔室，其中：
所述高压气瓶为多个，多个所述高压气瓶均与所述混合腔室连接；
所述超高真空腔室包括依次连接的第一超高真空腔室、第二超高真空腔室以及第三超高真空腔室；
所述混合腔室通过微调阀与所述第二超高真空腔室连通，通过截止阀与所述第一超高真空腔室连通；
所述第一超高真空腔室的进口设置有脉冲弹簧阀和电离电极，所述电离电极与所述脉冲弹簧阀连接；
所述第二超高真空腔室的进口设置有锥形孔，所述第二超高真空腔室的内部设置有脉冲电极，所述脉冲电极与所锥形孔连接；
所述第三超高真空腔室内部设置有离子检测器。
2.根据权利要求1所述的空间质谱计测量及校准装置，其特征在于，还包括压力计，所述压力计与所述混合腔室连接，所述压力计的测量精度为0.0015％，可以测量0-10bar范围内的压力。
3.根据权利要求1所述的空间质谱计测量及校准装置，其特征在于，每个所述高压气瓶内的气体均为高纯度单一种类气体。
4.根据权利要求1所述的空间质谱计测量及校准装置，其特征在于，所述微调阀为超高真空全金属微调阀。
5.根据权利要求1所述的空间质谱计测量及校准装置，其特征在于，所述脉冲弹簧阀的脉冲开关时间≤250μs。
6.根据权利要求1所述的空间质谱计测量及校准装置，其特征在于，所述电离电极为两片式结构，第一电极产生高压脉冲，第二电极接地。
7.根据权利要求6所述的空间质谱计测量及校准装置，其特征在于，所述第一电极产生的高压脉冲的电压范围为800-1000V，脉冲时间为1μs-200μs。
8.根据权利要求1所述的空间质谱计测量及校准装置，其特征在于，所述锥形孔的材料为金属不锈钢，孔口的直径为2-4mm。
9.根据权利要求1所述的空间质谱计测量及校准装置，其特征在于，所述脉冲电极产生的脉冲电压为-15V，脉冲时间为6μs，所述脉冲电极的前方还设置有聚集透镜。
10.根据权利要求1所述的空间质谱计测量及校准装置，其特征在于，所述离子检测器在所述第三超高真空腔室内部可以沿X轴方向进行移动，移动距离为400-600mm。
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