CN112799120B - 一种离子和电子同步测量的双通道静电分析器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空间物理、空间环境探测技术领域，具体涉及一种离子和电子同步测量的双通道静电分析器，其包括：静电偏转装置、轨迹导引装置、双通道半球形静电分析器、分离电极装置、信号前置放大装置、电子学处理器(17)和装置外壳(1)；所述装置外壳(1)布设在电子学处理器(17)上，且其内设有静电偏转装置、轨迹导引装置、双通道半球形静电分析器、分离电极装置、信号前置放大装置；静电偏转装置的下方设置有轨迹导引装置，并与轨迹导引装置连接；双通道半球形静电分析器设置在轨迹导引装置的下方，并与轨迹导引装置连接；双通道半球形静电分析器的下方依次顺序设置分离电极装置、信号前置放大装置，并通过电缆与电子学处理器连接。

Description

一种离子和电子同步测量的双通道静电分析器

技术领域

本发明属于空间物理、空间环境探测技术领域，具体涉及一种离子和电子同步测量的双通道静电分析器。

背景技术

目前，地球空间、行星际以及太阳系其他行星空间到处都存在带电的离子和电子。这些带电粒子是空间中主要的环境要素之一，带电粒子可以与在轨航天器相互作用，引起充放电等各种空间环境效应。带电粒子的探测可用于研究人类关心的基本物理问题，比如低能量粒子如何加速至高能量粒子，太阳如何影响行星大气的形成和耗散等问题。这些问题的解决有助于人类认识和了解未知世界，也为人类各种航天活动的安全开展提供了保障。带电粒子探测是空间环境探测的必备探测项目，比如欧空局CLUSTER卫星、美国MMS卫星、欧空局的火星快车(Mars Express)、美国MAVEN上均配备有离子探测器和电子探测器开展离子和电子的探测。

目前，针对低能量的离子和电子的测量通用的方法是：利用静电分析的方法，对入射粒子的方向和能量进行分析，然后利用微通道板作为信号放大输出给电子学处理，获得粒子的能量、方向和通量信息。低能离子和电子的测量方法基本一致。但是，由于离子和电子所带电荷极性不同，离子探测和电子探测通常作为两台独立的探测设备，分别采用单通道的静电分析器结构。此方法导致仪器的总重量和功耗较大。而在小型卫星探测平台上，特别是面向深空探测的卫星平台上，要求其搭载的仪器的重量和功耗尽可能的小，以降低发射成本。因此，采用独立的两台设备对离子和电子分开测量的方法就限制了其在小型卫星平台上的应用。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有的方法存在的上述缺陷，本发明提出了一种离子和电子同步测量的双通道静电分析器，解决了当前空间低能离子和电子探测无法集成到一台设备中的技术问题，特别是一种双通道的半球形静电分析器，可以在一台设备中集成离子和电子的测量功能，实现离子和电子的同步测量，大大降低了设备的重量和功耗，提升了空间低能粒子探测仪器的小型化水平，拓展了低能粒子探测仪器的应用领域。

为了实现上述目的，本发明提出了一种离子和电子同步测量的双通道静电分析器，解决空间环境探测中一台设备内离子和电子同步测量的技术问题。

该双通道静电分析器包括：静电偏转装置、轨迹导引装置、双通道半球形静电分析器、分离电极装置、信号前置放大装置、电子学处理器和装置外壳；

所述装置外壳布设在电子学处理器上，且其内设有静电偏转装置、轨迹导引装置、双通道半球形静电分析器、分离电极装置、信号前置放大装置；静电偏转装置的下方设置在轨迹导引装置，并与轨迹导引装置连接；双通道半球形静电分析器设置在轨迹导引装置的下方，并与轨迹导引装置连接；双通道半球形静电分析器的下方依次顺序设置分离电极装置、信号前置放大装置，并通过电缆与电子学处理器连接。

作为上述技术方案的改进之一，所述静电偏转装置包括：上偏转板和下偏转板；所述上偏转板呈碗状结构，且其碗口向上，其底部设有开口；所述下偏转板呈花瓶瓶口状结构，且其瓶口向上；所述上偏转板和下偏转板为两个对称设置的剖面45°的圆弧板，并形成入射通道；

其中，上偏转板和下偏转板通过其施加的电压扫描90°范围内任意方向的离子和电子同时沿着入射通道入射。

作为上述技术方案的改进之一，所述上偏转板和下偏转板形成的入射通道呈圆周向喇叭状结构，且该圆周向喇叭状结构的开口朝向装置外壳；所述上偏转板和下偏转板的对称中心线与电子学处理器上边线的夹角为45°。

作为上述技术方案的改进之一，所述轨迹导引装置包括：上电极、中电极和下电极；

上电极和下电极分别位于中电极的上、下位置；三者形成上、下两端开口的圆柱形空间；上电极设置在上偏转板的底部开口处；下电极设置在双通道半球形静电分析器之上，并在该圆柱形空间的上、下开有第一开口、第二开口；所述上电极可加高压，中电极和下电极接地，形成特定的电场将静电偏转装置出射的离子和电子引入到位于其后端连接的双通道静电分析器内。

作为上述技术方案的改进之一，所述双通道半球形静电分析器，用于通过其施加的电压对进入该静电分析器的离子和电子进行能量分析，筛选输出与该电压的数值对应能量的离子和电子，分别从不同的通道出射；

其中，所述双通道半球形静电分析器包括：外半球电极、中半球电极和内半球电极；

所述中半球电极位于外半球电极和内半球电极之间；中半球电极分别和外半球电极、内半球电极间形成供离子和电子进行偏转运动的外侧通道和内侧通道两个通道；通过在中半球电极上施加阶梯扫描电压，外半球电极和内半球电极接地，在中半球电极和外半球电极之间，以及中半球电极和内半球电极之间分别形成周期变化的电场，筛选输出与该阶梯扫描电压的数值对应能量的离子和电子，分别将筛选输出的离子和电子沿着对应的外侧通道和内侧通道出射。

作为上述技术方案的改进之一，所述外半球电极、中半球电极和内半球电极均为半球形电极；外侧通道和内侧通道均为开口向下的圆周向的碗状结构，且该碗状结构的顶部设有开口。

作为上述技术方案的改进之一，所述分离电极装置包括：外环电极和内环电极；所述外环电极和内环电极均呈环形结构；

外环电极所加电压极性与中半球电极的电压极性相同；内环电极所加电压极性与中半球电极的电压极性相反。

作为上述技术方案的改进之一，所述信号前置放大装置包括：外环微通道板、内环微通道板、外环阳极和内环阳极；

所述外环微通道板上设置外环电极，用于将静电分析器外侧通道输出的离子的电荷信号放大，输出对应的电荷脉冲信号，并由位于外环微通道板下方的、相隔一段距离的外环阳极接收；

所述的内环微通道板上设置内环电极，用于将静电分析器内侧通道输出的电子的电荷信号放大，输出对应的电荷脉冲信号，并由位于内环微通道板下方的、相隔一段距离的内环阳极接收；

所述外环阳极和内环阳极，用于收集对应的电荷脉冲信号分别通过电缆输入至电子学处理器。

作为上述技术方案的改进之一，所述的电子学处理器包括：信号前置放大电路、高压电路、低压电路、电源系统、接口电路和FPGA处理器；

所述信号前置放大电路，用于通过连接的电缆对外环阳极和内环阳极输出的对应的电荷脉冲信号进行放大，获得放大后的离子电信号和电子电信号；

所述FPGA处理器，用于根据获得的放大后的离子电信号和电子电信号，将单位时间内的脉冲计数与静电分析器所施加的电压数据以及静电偏转装置所施加电压数据结合计算，得出离子和电子的能量、方向和通量信息；

所述高压电路，用于提供所需要的多路高压；其中，所述多路高压进一步包括：正高压和负高压；

所述低压电路，用于配合FPGA控制整个电子学处理器的运行，包括通过FPGA控制接口电路与外界通讯，可用于与卫星总线进行通信；通过FPGA和DA转换器使高压电路输出所需的高压。

所述电源系统，用于供电。

本发明相比于现有技术的有益效果在于：

本发明将离子和电子测量进行充分的集成，在一台设备中同步实现离子和电子的测量，大大减小了仪器的重量和功耗需求，在重量、功耗等资源紧张的空间探测领域特别是深空探测领域有着广泛的应用需求。

附图说明

图1是本发明的一种离子和电子同步测量的双通道静电分析器的剖面结构示意图；

图2是本发明的一种离子和电子同步测量的双通道静电分析器的三维剖面结构示意图；

图3是本发明的一种离子和电子同步测量的双通道静电分析器安装在卫星平台上的结构示意图；

图4是本发明的一种离子和电子同步测量的双通道静电分析器的电子学处理器的结构示意图。

附图标记：

1、装置外壳 2、上偏转板

3、下偏转板 4、上电极

5、中电极 6、下电极

7、外半球电极 8、中半球电极

9、内半球电极 10、外环电极

11、内环电极 12、外环微通道板

13、内环微通道板 14、外环阳极

15、内环阳极 15、内环阳极

16、电缆 17、电子学处理器

18、第一开口 19、第二开口

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，本发明提供了一种离子和电子同步测量的双通道静电分析器，克服现有空间低能离子和电子探测设备无法完成单台设备内同步测量离子和电子的问题，采用双通道半球形静电分析器的设计，实现离子和电子的同步测量；利用轨迹导引装置的电压设置改变仪器的探测灵敏度，扩大探测动态范围；利用双分离电极的设计，充分分离离子和电子信号，避免相互干扰。

该双通道静电分析器包括：静电偏转装置、轨迹导引装置、双通道半球形静电分析器、分离电极装置、信号前置放大装置、电子学处理器17和装置外壳1；

所述装置外壳1布设在电子学处理器17上，且其内设有静电偏转装置、轨迹导引装置、双通道半球形静电分析器、分离电极装置、信号前置放大装置；静电偏转装置的下方设置在轨迹导引装置，并与轨迹导引装置连接；双通道半球形静电分析器设置在轨迹导引装置的下方，并与轨迹导引装置连接；双通道半球形静电分析器的下方依次顺序设置分离电极装置、信号前置放大装置，并通过电缆与电子学处理器连接。

所述静电偏转装置，用于扩大俯仰角探测视场，并将从空间入射的离子和电子引入轨迹导引装置；

其中，所述静电偏转装置包括：上偏转板2和下偏转板3；所述上偏转板2呈碗状结构，且其碗口向上，其底部设有开口；所述下偏转板3呈花瓶瓶口状结构，且其瓶口向上；

所述上偏转板2和下偏转板3为两个对称设置的剖面45°的圆弧板，并形成入射通道；其中，上偏转板2和下偏转板3通过其施加的电压扫描90°范围内任意方向的离子和电子同时沿着入射通道入射。其中，上偏转板2和下偏转板3形成的入射通道呈圆周向喇叭状结构，且该圆周向喇叭状结构的开口朝向装置外壳1并向外，用于引进电子和离子。

所述上偏转板2和下偏转板3的对称中心线与电子学处理器17上边线的夹角为45°，可以实现离子和电子的2π视场的测量。

所述轨迹导引装置，用于引入从空间入射的离子和电子，并将其引入双通道半球形静电分析器，通过其上所加电压来改变仪器探测灵敏度，扩大仪器探测动态范围；

其中，所述轨迹导引装置包括：上电极4、中电极5和下电极6；

上电极4和下电极6分别位于中电极5的上、下位置；三者形成上、下两端开口的圆柱形空间；上电极4设置在上偏转板2的底部开口处；下电极6设置在双通道半球形静电分析器之上，并在该圆柱形空间的上、下两端开有第一开口18、第二开口19；所述上电极4可加高压，中电极5和下电极6接地，形成特定的电场将静电偏转装置出射的离子和电子引入到位于其后端连接的双通道静电分析器内，同时调整上电极4的高压值还可以控制通过的离子和电子的个数，改变仪器探测灵敏度。电极4不加电压时仪器具有最高的灵敏度，用于低通量离子和电子的测量。电极4加电压后将降低仪器灵敏度，用于更高通量离子和电子的测量，防止仪器饱和。

其中，位于轨迹导引装置两侧的上偏转板2和下偏转板3形成的圆周向入射通道的出口分别与第一开口18联通；第二开口19与双通道静电分析器入口连通；

所述双通道半球形静电分析器，用于通过其施加的电压对进入该静电分析器的离子和电子进行能量分析，筛选输出与该电压的数值对应能量的离子和电子，分别从不同的通道出射；

其中，所述双通道半球形静电分析器包括：外半球电极7、中半球电极8和内半球电极9；

所述中半球电极8位于外半球电极7和内半球电极9之间；中半球电极8分别和外半球电极7、内半球电极9间形成供离子和电子进行偏转运动的外侧通道和内侧通道两个通道；通过在中半球电极8上施加阶梯扫描电压，外半球电极7和内半球电极9接地，在中半球电极8和外半球电极7之间，以及中半球电极8和内半球电极9之间分别形成周期变化的电场，筛选输出与该阶梯扫描电压的数值对应能量的离子和电子，分别将筛选输出的离子和电子沿着对应的外侧通道和内侧通道出射。

其中，所述外半球电极7、中半球电极8和内半球电极9均为半球形电极。外侧通道和内侧通道均为开口向下的圆周向的碗状结构，且该碗状结构的顶部设有开口；第三开口20和第四开口21设置在外侧通道和内侧通道的顶部并连通。

此时特定大小的电压只允许特定能量的离子和电子通过各自的通道，以此对入射离子和电子分别进行能量分析。离子和电子之所以可从不同的通道通过，取决于中半球电极8所加的阶梯扫描电压极性。

所述分离电极装置，用于利用内外两个不同极性的电极，将双通道半球形静电分析器出射中筛选输出的离子和电子进行充分的分离，避免信号相互干扰；

其中，所述分离电极装置包括：外环电极10和内环电极11；所述外环电极10和内环电极11均呈环形结构；

外环电极10所加电压极性与中半球电极8的电压极性相同；内环电极11所加电压极性与中半球电极8的电压极性相反；其中，外环电极10和内环电极11分别与双通道半球形静电分析器的出口距离约15mm，可以确保静电分析器出射离子和电子进行充分的分离，避免信号的相互干扰。

所述信号前置放大装置，用于利用微通道板分别对分离后的离子和电子的电荷信号对应地进行放大，输出对应的电荷脉冲信号；

其中，所述信号前置放大装置包括：外环微通道板12、内环微通道板13、外环阳极14和内环阳极15；

所述外环微通道板12上设置外环电极10，用于将静电分析器外侧通道输出的离子的电荷信号放大，输出对应的电荷脉冲信号，并由位于外环微通道板12下方的、相隔一段距离的外环阳极14接收；

所述的内环微通道板13上设置内环电极11，用于将静电分析器内侧通道输出的电子的电荷信号放大，输出对应的电荷脉冲信号，并由位于内环微通道板13下方的、相隔一段距离的内环阳极15接收；

所述外环阳极14和内环阳极15，用于收集对应的电荷脉冲信号分别通过电缆16输入至电子学处理器17。

所述电子学处理器，用于分别处理信号前置放大装置输出的对应的电荷脉冲信号，分别获得离子和电子的方向、能量、通量信息；

如图3所示，所述的电子学处理器17包括：信号前置放大电路、高压电路、低压电路、电源系统、接口电路和FPGA处理器；

所述信号前置放大电路，用于通过连接的电缆16对外环阳极14和内环阳极15输出的对应的电荷脉冲信号进行放大，获得放大后的离子电信号和电子电信号；

所述FPGA处理器，用于根据获得的放大后的离子电信号和电子电信号，将单位时间内的脉冲计数与静电分析器所施加的电压数据以及静电偏转装置所施加电压数据结合计算，得出离子和电子的能量、方向和通量信息；

所述离子的方向信息包括离子的方位角和俯仰角；所述电子的方向信息包括电子的方位角和俯仰角。由于阳极是环形结构，离子的方位角和电子的方位角均是通过电信号在阳极上圆周向位置得出，离子的俯仰角和电子的俯仰角均是通过静电偏转装置的上偏转板上2施加的电压值计算得出；所述的离子和电子的通量信息均可通过阳极上收集的电信号的单位时间内的计数值获得。上述计算过程均是采用本领域公知的现有技术获得。

所述高压电路，用于提供所需要的多路高压；其中，所述多路高压进一步包括：正高压和负高压；

所述低压电路，用于配合FPGA控制整个电子学处理器17的运行，包括通过FPGA控制接口电路与外界通讯，可用于与卫星总线进行通信；通过FPGA和DA转换器使高压电路输出所需的高压。

所述电源系统，用于为整个装置供电。

所述装置外壳1，用于提供安装平台。

所述上偏转板2、下偏转板3、上电极4、中半球电极8、外环电极10、内环电极11、外环微通道板12、内环微通道板13、外环阳极14和内环阳极15均可采用聚酰亚胺材料进行绝缘处理。

所述上偏转板2、下偏转板3、上电极4、中半球电极8、外环电极10、内环电极11、外环微通道板12、内环微通道板13、外环阳极14和内环阳极15通过聚酰亚胺材料与装置外壳1固定。

所述中电极5、下电极6、外半球电极7和内半球9电极可直接与装置外壳1固定。

所述的外环电极10、内环电极11、外环阳极14、内环阳极15由铍铜材料制成。

基于上述结构的测量装置，除了所述外环电极10、内环电极11、外环微通道板12、内环微通道板13、外环阳极14、内环阳极15、电缆16和电子学处理器17以外，图1中示出的其他所有的部件均由铝材料制成。

如图2所示，本发明的用于空间离子和电子同时测量的双通道静电分析器嵌入式地安装在卫星表面，且将双通道半球形静电分析器以上(包括双通道半球形静电分析器)部分伸出卫星表面，将探测窗口尽量远离卫星表面，减小卫星表面带电状态对测量的干扰，同时将电子学处理器17置于卫星舱内，利于电子学处理器工作环境的温度控制。

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)

1.一种离子和电子同步测量的双通道静电分析器，其特征在于，其包括：静电偏转装置、轨迹导引装置、双通道半球形静电分析器、分离电极装置、信号前置放大装置、电子学处理器（17）和装置外壳（1）；

所述装置外壳（1）布设在电子学处理器（17）上，且其内设有静电偏转装置、轨迹导引装置、双通道半球形静电分析器、分离电极装置、信号前置放大装置；静电偏转装置的下方设置轨迹导引装置，并与轨迹导引装置连接；双通道半球形静电分析器设置在轨迹导引装置的下方，并与轨迹导引装置连接；双通道半球形静电分析器的下方依次顺序设置分离电极装置、信号前置放大装置，并通过电缆与电子学处理器连接；

所述双通道半球形静电分析器，用于通过其施加的电压对进入该静电分析器的离子和电子进行能量分析，筛选输出与该电压的数值对应能量的离子和电子，分别从不同的通道出射；

其中，所述双通道半球形静电分析器包括：外半球电极（7）、中半球电极（8）和内半球电极（9）；

所述中半球电极（8）位于外半球电极（7）和内半球电极（9）之间；中半球电极（8）分别和外半球电极（7）、内半球电极（9）间形成供离子和电子进行偏转运动的外侧通道和内侧通道两个通道；通过在中半球电极（8）上施加阶梯扫描电压，外半球电极（7）和内半球电极（9）接地，在中半球电极（8）和外半球电极（7）之间，以及中半球电极（8）和内半球电极（9）之间分别形成周期变化的电场，筛选输出与该阶梯扫描电压的数值对应能量的离子和电子，分别将筛选输出的离子和电子沿着对应的外侧通道和内侧通道出射。

2.根据权利要求1所述的离子和电子同步测量的双通道静电分析器，其特征在于，所述静电偏转装置包括：上偏转板（2）和下偏转板（3）；所述上偏转板（2）呈碗状结构，且其碗口向上，其底部设有开口；所述下偏转板（3）呈花瓶瓶口状结构，且其瓶口向上；所述上偏转板（2）和下偏转板（3）为两个对称设置的剖面45°的圆弧板，并形成入射通道；

其中，上偏转板（2）和下偏转板（3）通过上偏转板（2）和下偏转板（3）施加的电压扫描90°范围内任意方向的离子和电子同时沿着入射通道入射。

3.根据权利要求2所述的离子和电子同步测量的双通道静电分析器，其特征在于，所述上偏转板（2）和下偏转板（3）形成的入射通道呈圆周向喇叭状结构，且该喇叭状结构的开口朝向装置外壳（1）；所述上偏转板（2）和下偏转板（3）的对称中心线与电子学处理器（17）上边线的夹角为45°。

4.根据权利要求1所述的离子和电子同步测量的双通道静电分析器，其特征在于，所述轨迹导引装置包括：上电极（4）、中电极（5）和下电极（6）；

上电极（4）和下电极（6）分别位于中电极（5）的上、下位置；三者形成上、下两端开口的圆柱形空间；上电极（4）设置在上偏转板（2）的底部开口处；下电极（6）设置在双通道半球形静电分析器之上，并在该圆柱形空间的上、下开有第一开口（18）、第二开口（19）；所述上电极（4）加高压，中电极（5）和下电极（6）接地，形成特定的电场将静电偏转装置出射的离子和电子引入到位于其后端连接的双通道半球形静电分析器内。

5.根据权利要求1所述的离子和电子同步测量的双通道静电分析器，其特征在于，所述外半球电极（7）、中半球电极（8）和内半球电极（9）均为半球形电极；外侧通道和内侧通道均为开口向下的圆周向的碗状结构，且该碗状结构的顶部设有开口。

6.根据权利要求1所述的离子和电子同步测量的双通道静电分析器，其特征在于，所述分离电极装置包括：外环电极（10）和内环电极（11）；所述外环电极（10）和内环电极（11）均呈环形结构；

外环电极（10）所加电压极性与中半球电极（8）的电压极性相同；内环电极（11）所加电压极性与中半球电极（8）的电压极性相反。

7.根据权利要求1所述的离子和电子同步测量的双通道静电分析器，其特征在于，所述信号前置放大装置包括：外环微通道板（12）、内环微通道板（13）、外环阳极（14）和内环阳极（15）；

所述外环微通道板（12）上设置外环电极（10），用于将静电分析器的外侧通道输出的离子的电荷信号放大，输出对应的电荷脉冲信号，并由位于外环微通道板（12）下方的、相隔一段距离的外环阳极（14）接收；

所述内环微通道板（13）上设置内环电极（11），用于将静电分析器内侧通道输出电子的电荷信号放大，输出对应的电荷脉冲信号，并由位于内环微通道板（13）下方的、相隔一段距离的内环阳极（15）接收；

所述外环阳极（14）和内环阳极（15），用于收集对应的电荷脉冲信号分别通过电缆（16）输入至电子学处理器（17）。

8.根据权利要求1所述的离子和电子同步测量的双通道静电分析器，其特征在于，所述电子学处理器（17）包括：信号前置放大电路、高压电路、低压电路、电源系统、接口电路和FPGA处理器；

所述信号前置放大电路，用于通过连接的电缆（16）对外环阳极（14）和内环阳极（15）输出的对应的电荷脉冲信号进行放大，获得放大后的离子电信号和电子电信号；

所述FPGA处理器，用于根据获得的放大后的离子电信号和电子电信号，将单位时间内的脉冲计数与双通道半球形静电分析器所施加的电压数据以及静电偏转装置所施加电压数据结合计算，得出离子和电子的能量、方向和通量信息；

所述高压电路，用于提供所需要的多路高压；其中，所述多路高压进一步包括：正高压和负高压；

所述低压电路，用于配合FPGA处理器控制整个电子学处理器（17）的运行，包括通过FPGA处理器控制接口电路与外界通讯，可用于与卫星总线进行通信；通过FPGA处理器和DA转换器使高压电路输出所需的高压；

所述电源系统，用于供电。