阅读说明：本技术 星载原位大气成分探测器电子源装置的控制电路 (Control circuit of electron source device of satellite-borne in-situ atmospheric composition detector ) 是由 李�昊 李涛 郑慧奇 唐振宇 姜利祥 焦子龙 秦玮 于 2020-04-24 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种星载原位大气成分探测器电子源装置的控制电路,控制电路通过阻容耦合电路,将高幅值直流电压和快速变化脉冲电压叠加作为控制电压。改变直流电压和脉冲电压的幅值,可控制电子源装置中的冷阴极输出连续电子束或者脉冲电子束,分别满足星载原位大气成分探测器能谱探测和质谱探测的需要。控制电路采用在略低于阈值的直流电压上叠加脉冲电压的方式,使阴极控制电压短时间超过阈值电压,实现脉冲工作模式,与直接产生一个幅值超过阈值电压的脉冲电压相比,控制电路所需产生的脉冲电压幅值较小,可以用额定电压较低、体积较小的电子元器件实现,电路结构相对简洁,减小控制电路的体积和重量,实现星载原位大气成分探测器小型化。(The application discloses control circuit of electron source device of satellite-borne in-situ atmospheric composition detector, which superposes high-amplitude direct current voltage and rapid-change pulse voltage as control voltage through a resistance-capacitance coupling circuit. The amplitude values of the direct current voltage and the pulse voltage are changed, so that a cold cathode in the electron source device can be controlled to output continuous electron beams or pulse electron beams, and the requirements of energy spectrum detection and mass spectrum detection of the satellite-borne in-situ atmospheric composition detector are met respectively. Compared with the mode of directly generating a pulse voltage with the amplitude value exceeding the threshold voltage, the pulse voltage amplitude value required to be generated by the control circuit is smaller, the pulse voltage can be realized by electronic components with lower rated voltage and smaller volume, the circuit structure is relatively simple, the volume and the weight of the control circuit are reduced, and the miniaturization of the satellite-borne in-situ atmospheric composition detector is realized.)

星载原位大气成分探测器电子源装置的控制电路

技术领域

本发明一般涉及空间环境探测技术领域，尤其涉及一种星载原位大气成分探测器电子源装置的控制电路。

背景技术

基于微纳卫星探测中高层大气环境，与现有的卫星搭载试验探测方法相比，可显著增加测量获取的数据量，扩大数据覆盖的时空范围，获得高时空分辨率的中高层大气环境数据，因而日益受到重视。然而，目前中高层大气探测使用的大气探测载荷，例如真空电离规、磁偏转质谱计等，在质量、体积和功耗等方面还难以满足微纳卫星对载荷小型化、一体化、低功耗的苛刻要求。为适应微纳卫星探测的特点，为中高层大气环境探测提供载荷设备，需要特别设计适用于微纳卫星的小型化原位大气成分探测器。

控制电路是星载原位大气成分探测器电子源装置的组成部分。其作用是控制探测器电子源装置的碳纳米管冷阴极产生电子束，电离中性大气粒子。为了满足小型化要求，仪器的设计需要考虑两点：一方面仪器的组成单元应该结构紧凑，减少各单元的体积重量；另一方面应该复用组成单元，减少单元数量和仪器整体的复杂度。根据这个思想，控制电路除了要具有体积小、重量轻的特点之外，还需要能够以两种不同的模式工作，以适应仪器能谱、质谱探测单元复用的要求。控制电路的两种工作模式具体包括：用于能谱探测的连续工作模式和用于质谱探测的脉冲工作模式。在连续工作模式下，控制电路在碳纳米管冷阴极施加幅值恒定电压，使阴极连续发射电子束，将进入离子化室的大气中性粒子电离。在脉冲工作模式下，控制电路周期性地产生纳秒级脉冲电压，阴极发射脉冲电子束，使仅在数十纳秒内通过离子化室的中性粒子离子化。然而，现有的阴极控制电路只能工作于连续模式或者脉冲模式两者之一，难以兼顾两种工作模式。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供星载原位大气成分探测器电子源装置的控制电路，该控制电路具有体积小、重量轻的优点，使用该控制电路的电子源装置既可脉冲工作又可连续工作，可以适用于微纳卫星的小型化大气成分探测器。

本发明提供一种控制电路，其特殊之处在于，所述控制电路包括脉冲电源模块和直流高压电源模块，所述脉冲电源模块的正极与所述直流高压电源模块的正极通过阻容耦合电路电连接，所述阻容耦合电路用于控制所述控制电路的输出电压。

在一实施例中，所述阻容耦合电路包括电阻、第一电容和第二电容，所述第一电容、电阻和第二电容依次串联；所述第一电容与所述电阻之间的节点与所述控制电路的正极连接，所述第一电容的另一端与所述脉冲电源模块的正极连接，所述电阻与所述第二电容之间的节点与所述直流高压电源模块的正极连接，所述第二电容的另一端与地电位连接，所述控制电路的负极与地电位连接。

在一实施例中，所述电阻与所述第一电容的乘积大于10倍的脉冲宽度。

在一实施例中，所述脉冲电源模块包括控制单元和两个场效应晶体管，两个所述场效应晶体管串联于所述脉冲电源模块的供电端口和地电位之间，控制单元的输出端连接在两个场效应晶体管的栅极，两个所述场效应晶体管之间引出所述脉冲电源模块的正极，所述脉冲电源模块的负极与地电位连接。

在一实施例中，所述控制单元包括控制芯片、电平转换芯片和驱动芯片，所述控制芯片、所述电平转换芯片和所述驱动芯片依次连接。

在一实施例中，电子源装置包括冷阴极，所述冷阴极包括阴极发射单元和栅极，所述控制电路的正极和负极分别用于与所述栅极和所述阴极发射单元电连接，使所述栅极的电压高于所述阴极发射单元的电压。

根据本申请实施例提供的技术方案，控制电路通过阻容耦合电路，将高幅值直流电压和快速变化脉冲电压叠加作为控制电压。改变直流电压和脉冲电压的幅值，可使电子源装置的冷阴极输出连续电子束或者脉冲电子束，分别满足仪器能谱探测和质谱探测的需要。控制电路采用在略低于阈值的直流电压上叠加脉冲电压的方式，使阴极控制电压短时间超过阈值电压，实现脉冲工作模式，与直接产生一个幅值超过阈值电压的脉冲电压相比，控制电路所需产生的脉冲电压幅值较小，可以用额定电压较低、体积较小的电子元器件实现，并且电路结构也相对简洁，从而减小控制电路的体积和重量，可以实现星载原位大气成分探测器小型化。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是实施例的控制电路原理图；

图2是实施例的冷阴极发射电流与控制电压之间的关系曲线；

图3是实施例的脉冲电源模块原理图；

图4是实施例的控制电路与冷阴极之间的连接关系图。

图中：1-冷阴极，11-阴极发射单元，12-栅极，2-控制电路，21-直流高压电源模块，22-脉冲电源模块，221-控制芯片，222-电平转换芯片，223-驱动芯片，224-第一场效应晶体管，225-第二场效应晶体管，23-电阻，24-第一电容，25-第二电容。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

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。

如背景技术中提到的，为了满足小型化要求，星载小型大气成分探测器的设计需要考虑两点：一方面仪器的组成单元应该结构紧凑，减少各单元的体积重量；另一方面应该复用组成单元，减少单元数量和仪器整体的复杂度。用于仪器电子源装置的控制电路除了要具有体积小、重量轻的特点之外，还需要能够控制电子源装以两种不同的模式工作，以方便实现能谱、质谱探测单元复用。然而，现有的控制电路只能使电子源工作于连续模式或者脉冲模式两者之一，难以用一个装置兼顾两种工作模式。

因此，如何提供一种能兼顾连续模式或者脉冲模式的电子源控制电路，复用星载原位大气成分探测器的各组成单元，简化仪器整体的复杂度，实现小型化将成为本申请的改进方向。针对上述目的，本申请提供一种星载原位大气成分探测器电子源装置的控制电路。

如图1所示，其示出了本申请控制电路的具体结构。所述控制电路2包括脉冲电源模块22和直流高压电源模块21，所述脉冲电源模块22的正极与所述直流高压电源模块21的正极通过阻容耦合电路电连接，所述阻容耦合电路用于控制所述控制电路2的输出电压。

控制电路通过阻容耦合电路，将高幅值直流电压和快速变化脉冲电压叠加作为控制电压。改变直流电压和脉冲电压的幅值，可以使控制电路具有两种工作模式，既可以工作于连续工作模式，又可以工作于脉冲模式。

控制电路2采用在略低于阈值的直流电压上叠加脉冲电压的方式，使冷阴极控制电压短时间超过阈值电压，实现脉冲工作模式，与直接产生一个幅值超过阈值电压的脉冲电压相比，控制电路所需产生的脉冲电压幅值较小，使脉冲电路的供电电压降低，因而可降低控制电路2的功耗。

在本实施例中，直流高压电源模块21，输出幅值U_HV可调的直流电压。该模块可以选用输出电压可调的DC-DC高压电源模块。对高压电源模块的规格要求为，输出电压在大约0～500V范围内连续可调，输出额定电流约为0.5mA。

脉冲电源模块22输出脉冲电压。脉冲电压的主要指标包括：脉冲宽度为数十纳秒，重复频率为数千赫兹，脉冲幅值为数十伏特，输出电流峰值为数安培。

所述阻容耦合电路包括电阻23、第一电容24和第二电容25，所述第一电容24、电阻23和第二电容25依次串联。具体地，第一电容24与电阻23之间的节点与控制电路的正极连接，第一电容24的另一端与脉冲电源模块22的正极连接，电阻23与第二电容25之间的节点与直流高压电源模块21的正极连接，所述第二电容25的另一端与地电位连接，所述控制电路2的负极与地电位连接。

第一电容24和电阻23分别取值C₁和R，则阻容耦合电路的时间常数T_c＝RC₁，所述电阻23和所述第一电容24的取值使得所述阻容耦合电路的时间常数大于10倍的脉冲宽度。即T_c>10T_w。

阻容耦合电路使得产生电压幅值较高的U_HV的电子学和产生电压变化速度较快的U_T的电子学分离，两者分为直流高压电源模块21和脉冲电源模块22。这样不仅能够简化设计，降低控制电路2的整体功耗，而且便于独立调整直流电压U_HV和脉冲电压U_T，使控制电路2工作于连续工作模式或脉冲工作模式。

在控制电路2工作前需要对其进行调试。控制电路2的调试阶段，用实验方式确定阈值电压U₁和差值ΔU_c。保持电压U_T为0V，调整电压U_HV，使用静电计测量冷阴极1发射电流I。绘制发射电流I与电压U_HV之间的关系曲线，即可得图2所示的曲线。在曲线上，选择发射电流I刚好可以被静电计检测到时的电压U_HV为阈值电压U₁。选择发射电流I等于连续工作模式所需发射电流时的电压U_HV为电压U₂。差值为ΔU_c＝U₂-U₁。

控制电路2工作时，直流高压电源模块21的输出电压U_HV为直流，幅值可调。脉冲电源模块22的输出电压U_T是方形脉冲。脉冲宽度T_w与冷阴极1输出脉冲电子束的时间宽度一致，约为数十纳秒。因而，电压U_T中交流成分的频率较高。此时，控制电压U_c是直流高压电源模块21的输出电压U_HV和脉冲电源模块22的输出电压U_T的脉冲成分两者叠加，即U_c＝U_HV+U_T。

当控制电路2工作于连续工作模式，直流高压电源模块21的输出电压U_HV取值为图2中的U₂，并且脉冲电源模块22不工作，电压U_T为0。此时，控制电压为U_c＝U_HV＝U₂。

当控制电路2工作于脉冲工作模式，直流高压电源模块21的输出电压U_HV取值为图2中的U₁，并且脉冲电源模块22输出电压U_T为幅值为△U_c的方形脉冲。控制电压为U_c＝U_HV+U_T，是在一个幅值为U₁的直流电压上叠加幅值为△U_c的脉冲。控制电压的最高值为U_c＝U₁+△U_c＝U₂。控制电路2的输出电压的脉冲宽度与电压U_T的脉冲宽度T_w相等。

如图3所示，在上述实施例中，为了产生宽度窄的脉冲电压，所述脉冲电源模块22包括控制单元和两个场效应晶体管，两个所述场效应晶体管串联于脉冲电源模块22的供电端口与地电位之间，控制单元的输出端连接在两个场效应晶体管的栅极。两个所述场效应晶体管之间引出所述脉冲电源模块22的正极，脉冲电源模块22的负极与地电位连接。两个场效应晶体管分别为第一场效应晶体管224和第二场效应晶体管225。

所述控制单元包括控制芯片221、电平转换芯片222和驱动芯片223，所述控制芯片221、所述电平转换芯片222和所述驱动芯片223依次连接。控制芯片221输出的控制信号，经过电平转换芯片222进行接口电平转换后，输入驱动芯片223，驱动芯片223控制第一场效应晶体管224和第二场效应晶体管225开关。

需要说明的是，控制芯片221采用的是FPGA芯片，驱动芯片223采用的是MOSFET驱动芯片，场效应晶体管采用的是MOSFET晶体管。

脉冲电源模块22的供电端口与地电位之间的电压为ΔU_c。脉冲电源模块22的正极与负极之间的输出电压为U_T。当需要脉冲电源模块22的输出电压U_T为0V时，控制信号使第一场效应晶体管224导通，第二场效应晶体管225断开。当需要输出电压U_T产生一个脉冲时，控制信号使第一场效应晶体管224短暂断开，同时第二场效应晶体管225短暂导通。第一场效应晶体管224断开和第二场效应晶体管225导通的时间与脉冲电源模块22的脉冲宽度T_w相等。此时，输出电压U_T产生一个宽度为T_w、幅值为△U_c的脉冲。

请参考图4，其示出了电子源装置中，本申请的控制电路2与冷阴极1之间的连接方式。电子源装置包括冷阴极1和上面所述的控制电路2，所述冷阴极1包括阴极发射单元11和栅极12，所述控制电路2的正极和负极分别与所述栅极12和所述阴极发射单元11电连接，驱使所述阴极发射单元11向所述栅极12发射脉冲电子束或连续电子束。需要说明的是，栅极12的电压高于阴极发射单元11的电压。

控制电路通过阻容耦合电路，将高幅值直流电压和快速变化脉冲电压叠加作为控制电压。改变直流电压和脉冲电压的幅值，可使电子源装置的冷阴极输出连续电子束或者脉冲电子束。

因为控制电路2的功耗较低，控制电路所需产生的脉冲电压幅值较小，可以用额定电压较低、体积较小的电子元器件实现，并且电路结构也相对简洁，从而减小控制电路的体积和重量。

冷阴极1工作时的电流较小，只需要数百微安培，使控制电路2的功耗进一步降低。

该控制电路2使电子源装置既可以工作于连续工作模式，又可以工作于脉冲模式。可分别满足仪器能谱探测和质谱探测的需要，适应仪器能谱、质谱探测单元复用，可以提高星载原位大气成分探测器的集成度，减小仪器的体积和重量，在中高层大气成分探测技术等空间环境科学和工程领域具有较好的应用前景。

所述阴极发射单元11包括基板和固定在基板上的碳纳米管发射阵列。进一步分析冷阴极1发射电子形成的电流I与控制电路2输出的控制电压U_c之间的关系。控制电路2在栅极12和碳纳米管发射阵列之间加控制电压U_c，并且使栅极12的电压高于碳纳米管发射阵列，可以形成电子隧道效应溢出，产生电子发射。

电子发射的数量，也就是冷阴极1的发射电流，随着控制电压U_c的大小而改变。相对于控制电路2改变控制电压U_c所需要的时间，电子发射数量随控制电压U_c的改变可视为瞬时。因而，阴极发射电子的数量和脉冲宽度由控制电路2输出的控制电压U_c的幅值和脉冲宽度决定。

结合图2可以看到，当控制电压U_c小于阈值电压U₁时，冷阴极1的发射电流很少，可以忽略不计。当控制电压U_c大于阈值电压U₁时，发射电流I随着控制电压U_c增大而迅速增加。因此，控制电压U_c只需要改变一个较小的差值△U_c，就可以让冷阴极1在发射电子或不发射电子两种工作模式之间切换。

进一步，在图2中取U_c为U₁和U₂进行说明，可以看出U_c等于U₂时，冷阴极1发射电子，U_c等于U₁时，冷阴极1不发射电子。

在控制电路2工作于连续工作模式时，直流高压电源模块21的输出电压U_HV取值为U₂，并且脉冲电源模块22不工作，电压U_T为0。此时，施加于冷阴极1的控制电压为U_c＝U_HV＝U₂，冷阴极1连续发射电子。

在控制电路2工作于脉冲工作模式时，直流高压电源模块21的输出电压U_HV取值为U₁，并且脉冲电源模块22输出电压U_T是幅值ΔU_c、宽度T_w的方形脉冲。此时，U_c＝U₁+ΔU_c＝U₂。冷阴极1脉冲式地发射电子。

作为一种具体可实现方式，在上述用于星载原位大气成分探测器电子源装置的控制电路2中，对高压电源模块的规格要求为，输出电压在大约0～500V范围内连续可调，输出额定电流约为0.5mA。

方形脉冲电压的主要指标包括：脉冲宽度为数十纳秒，重复频率为数千赫兹，脉冲幅值为数十伏特，输出电流峰值为数安培。

第一电容24和第二电容25采用多层瓷介电容器。电阻23采用固定电阻。时间常数为T_c＝RC₁＝100kΩ×15nF＝1.5ms，满足大于10倍的脉冲宽度(10T_w＝500ns)的要求。

控制电路2需要产生冷阴极1的控制电压。在连续工作时，使冷阴极1产生3μA的发射电流。脉冲工作时，使冷阴极1发射脉冲幅值3μA，脉冲宽度50ns，脉冲重复频率1kHz的电流。

控制电路2调试阶段，保持电压U_T为0V，使用静电计测量冷阴极1的发射电流I与电压U_HV之间的关系曲线，得到图2所示的曲线。曲线上，发射电流I刚好可以被静电计检测到时所对应的电压U_HV为阈值电压U₁＝130V。发射电流I等于连续工作模式的电流3μA时，对应的电压U_HV作为电压U₂＝180V。差值电压为△U_c＝50V。

控制电路2工作于连续工作模式时，直流高压电源模块21的输出电压U_HV＝180V。脉冲电源模块22不工作，即FPGA产生信号电压使晶体管224导通，晶体管225断开，电压U_T＝0。此时，冷阴极1连续发射电子。

控制电路2工作于脉冲工作模式时，直流高压电源模块21的输出电压U_HV＝130V，并且脉冲电源模块22输出电压U_T是幅值为△U_c＝50V、宽度为T_w＝50ns、重复频率为1kHz的方形脉冲。此时，冷阴极1脉冲式地发射电子。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。