一种同步测量电离层中性分子与带电粒子的装置及方法
阅读说明：本技术 一种同步测量电离层中性分子与带电粒子的装置及方法 (Device and method for synchronously measuring ionized layer neutral molecules and charged particles ) 是由 刘超 王馨悦 关燚炳 郑香脂 张爱兵 孙越强 于 2020-04-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种同步测量电离层中性分子与带电粒子的装置及方法,所述装置安装在卫星的+X面,包括粒子收集组件和测量电路；其中,所述粒子收集组件,用于将电离层的中性分子和带电粒子进行分离；并分别采集分离后的中性分子电流信号和带电粒子电流信号,输出给测量电路；该粒子收集组件开口方向的轴向方向与卫星飞行的+X方向平行；所述测量电路,用于定时交替向粒子收集组件加载正负控制电压,从而选择离子或电子进行测量,还用于根据接收到的中性分子电流信号和带电粒子电流信号获得中性分子、离子和电子的密度。本发明能够对电离层中性分子、离子、电子进行同步测量,实现对电离层中性分子与带电粒子的电离、复合的动态过程的监测。(The invention discloses a device and a method for synchronously measuring ionized layer neutral molecules and charged particles, wherein the device is arranged on the + X surface of a satellite and comprises a particle collecting component and a measuring circuit; wherein the particle collection assembly is used for separating neutral molecules and charged particles of an ionized layer; respectively collecting the separated neutral molecular current signal and charged particle current signal, and outputting to a measuring circuit; the axial direction of the opening direction of the particle collecting assembly is parallel to the + X direction of the satellite flight; the measuring circuit is used for loading positive and negative control voltages to the particle collecting assembly alternately at regular time so as to select ions or electrons for measurement, and is also used for obtaining the density of neutral molecules, ions and electrons according to the received neutral molecule current signal and charged particle current signal. The invention can synchronously measure the neutral molecules, ions and electrons of the ionized layer, and realizes the monitoring of the dynamic process of ionization and compounding of the neutral molecules and charged particles of the ionized layer.)
技术领域
本发明涉及航天领域、卫星载荷领域，特别涉及一种同步测量电离层中性分子与带电粒子的装置及方法。
背景技术
地球电离层是地球大气的一个电离区域，从离地面60公里开始一直延伸到约1000公里高度的地球高层大气空域。由于太阳辐射对中性原子和大气份子的电离作用，电离层中的大气处于部分电离的状态。在电离的过程中，同时发生电子和离子之间的碰撞复合，形成一个动态平衡。
目前，对电离层的中性份子和电离粒子的测量都是由各自独立的探测仪器来实现。例如大气密度探测器可测量中性分子的密度变化，朗缪尔探针可测量电离电子的密度变化，阻滞势分析仪可测量电离离子的密度变化等等。但是，相互独立的探测仪器各自的探测系数、计算因子差异很大，并且不能实现同一时刻、同一空间的探测。因此，其测量的结果仅能显示各自参数的变化，不能表征电离层的中性分子与带电粒子之间的相对分布，以及电离和复合的动态过程。
大气密度探测器可测量中性分子的密度变化，原理图见图1。其传感器通常分为中性分子平衡室和中性分子电离室。中性分子通过传感器开口进入中性分子平衡室，达到平衡，并通过开口进入中性分子电离室，被电离，电离的离子被电离粒子收集极吸收。然后，通过中性分子测量电路可获得中性分子的密度。
朗缪尔探针可测量电离电子的密度变化，原理图见图2。通常采用球型传感器，该传感器直接裸露在电离层环境中，通过在传感器上加载正负扫描电压，吸收和排斥，电子及离子，由传感器收集其电流。然后，通过传感器电流测量电路可获得电子的密度。
阻滞势分析仪可测量电离离子的密度变化，原理图见图3。通常采用圆柱型传感器。通过阻滞栅网电压加载电路在阻滞栅网上加载负电压，排斥电子，收集离子。然后，通过传感器电流测量电路可获得离子的密度。
相对于始终处于动态变化的电离层来说，需要一种能够同步对中性分子与电离粒子进行综合测量的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种同步测量电离层中性分子与带电粒子的装置。
为了实现上述目的，本发明提出了一种同步测量电离层中性分子与带电粒子的装置，该装置安装在卫星的+X面，其特征在于，所述装置包括粒子收集组件和测量电路；其中，
所述粒子收集组件，用于将电离层的中性分子和带电粒子进行分离，所述带电粒子为离子或电子；并分别采集分离后的中性分子电流信号和带电粒子电流信号，输出给测量电路；该粒子收集组件开口方向的轴向方向与卫星飞行的+X方向平行；
所述测量电路，用于定时交替向粒子收集组件加载正负控制电压，从而选择离子或电子进行测量，还用于根据接收到的中性分子电流信号和带电粒子电流信号获得中性分子、离子和电子的密度。
作为上述装置的一种改进，所述粒子收集组件包括一个圆柱状壳体，在壳体的空腔内自上而下依次水平设置屏蔽栅网、扫描栅网、带电粒子收集极、抑制栅网和电离粒子收集极；表面均保持平整不变形；其中，所述抑制栅网和电离粒子收集极之间为中性分子电离室；圆柱状壳体的轴向方向与卫星飞行的+X方向平行；所述扫描栅网和抑制栅网同时加载测量电路输出的极性相反的扫描电压和抑制电压；其中，所述屏蔽栅网，用于接收测量电路加载的屏蔽电压，屏蔽外部电磁干扰；
所述扫描栅网，用于接收测量电路加载的扫描电压，当扫描电压为正电压时，阻止离子在壳体内沿着卫星飞行的-X方向继续运动，使电子在壳体内沿着卫星飞行的-X方向继续运动；当扫描电压为负电压时，阻止电子在壳体内沿着卫星飞行的-X方向继续运动，使离子在壳体内沿着卫星飞行的-X方向继续运动；
所述带电粒子收集极，用于收集通过扫描栅网的带电粒子，输出该带电粒子的电流信号至测量电路；
所述抑制栅网，用于接收测量电路加载的抑制电压，当抑制电压为负电压时，阻止通过带电粒子收集极且未被收集的电子进入中性分子电离室，并改变这些电子的运动方向，使其被带电粒子收集极收集；同时，中性分子在壳体内沿着卫星飞行的-X方向继续运动；当抑制电压为正电压时，阻止通过带电粒子收集极且未被收集的离子进入中性分子电离室，并改变这些离子的运动方向，使其被带电粒子收集极收集；同时，中性分子在壳体内沿着卫星飞行的-X方向继续运动；
所述中性分子电离室，用于对进入该中性分子电离室的中性分子进行电离，产生带电粒子；
所述电离粒子收集极，用于收集中性分子电离室电离产生的带电粒子，输出该带电粒子的电流信号至测量电路。
作为上述装置的一种改进，所述测量电路包括中性分子测量电路、带电粒子测量电路和栅网电压产生电路；其中，
所述中性分子测量电路连接电离粒子收集极，用于测量电离粒子收集极输出的收集电流信号，得到中性分子的密度；
所述带电粒子测量电路连接带电粒子收集极，用于测量带电粒子的密度；
所述栅网电压产生电路包括屏蔽栅网供电电路和切换电路；其中，
所述屏蔽栅网供电电路连接屏蔽栅网，用于给屏蔽栅网供电，从而加载屏蔽电压；
所述切换电路包括加载电路和定时控制器，其中，所述加载电路的两端分别连接扫描栅网和抑制栅网，用于给扫描栅网和抑制栅网同时加载极性相反的电压；所述定时控制器用于控制加载电路定时交替的切换电压的极性。
作为上述装置的一种改进，所述切换电路给扫描栅网加载正电压同时给抑制栅网加载负电压时，扫描栅网阻止离子通过，使得电子和中性分子在壳体内沿着卫星飞行的-X方向继续运动，通过该扫描栅网后，电子进入带电粒子收集极，抑制栅网进一步阻止未被带电粒子收集极收集的电子进入中性分子电离室，并改变其运动方向，使其进入带电粒子收集极；中性分子依次通过带电粒子收集极和抑制栅网后，进入中性分子电离室；
所述切换电路给扫描栅网加载负电压同时给抑制栅网加载正电压时，扫描栅网阻止电子通过，使得离子和中性分子在壳体内沿着卫星飞行的-X方向继续运动，通过该扫描栅网后，离子进入带电粒子收集极，抑制栅网进一步阻止未被带电粒子收集极收集的离子进入中性分子电离室，并改变其运动方向，使其进入带电粒子收集极；中性分子依次通过带电粒子收集极和抑制栅网后，进入中性分子电离室。
本发明还提出了一种同步测量电离层中性分子与带电粒子的方法，基于上述的装置实现，所述方法包括：
所述粒子收集组件将电离层的中性分子和带电粒子进行分离并分别采集分离后的中性分子电流信号和带电粒子电流信号，输出给测量电路；
所述测量电路定时交替向粒子收集组件加载正负控制电压，从而选择离子或电子进行测量，并根据接收到的中性分子电流信号和带电粒子电流信号获得中性分子、离子和电子的密度。
作为上述方法的一种改进，所述方法具体包括以下步骤：
步骤1)所述屏蔽栅网供电电路给屏蔽栅网供电，从而加载屏蔽电压；所述屏蔽栅网接收屏蔽栅网供电电路加载的屏蔽电压，屏蔽外部电磁干扰；
步骤2)所述定时控制器控制加载电路，定时交替的切换电压的极性，当加载电路给扫描栅网加载正电压同时给抑制栅网加载负电压时，进入步骤3)，当切换电路给扫描栅网加载负电压同时给抑制栅网加载正电压时，进入步骤4)；
步骤3)所述扫描栅网通过接收加载电路加载的正电压，阻止离子通过，使得电子和中性分子在壳体内沿着卫星飞行的-X方向继续运动，带电粒子收集极收集通过扫描栅网的电子，输出收集电流信号，传送给带电粒子测量电路，由该带电粒子测量电路测量得到电子的密度；中性分子在壳体内沿着卫星飞行的-X方向继续运动，依次通过带电粒子收集极和抑制栅网后，进入中性分子电离室；
步骤4)所述扫描栅网通过接收加载电路加载的负电压，阻止电子通过，使得离子和中性分子在壳体内沿着卫星飞行的-X方向继续运动，带电粒子收集极收集通过扫描栅网的离子，输出收集电流信号，传送给带电粒子测量电路，由该带电粒子测量电路测量得到离子的密度；中性分子在壳体内沿着卫星飞行的-X方向继续运动，依次通过带电粒子收集极和抑制栅网后，进入中性分子电离室；
步骤5)所述中性分子电离室对中性分子进行电离，产生带电粒子；
步骤6)所述电离粒子收集极收集中性分子产生的带电粒子，输出收集电流信号；
步骤7)所述中性分子测量电路对收集电流信号进行测量，得到中性分子的密度。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明提供的装置首次实现对电离层中性分子、离子和电子的同步测量；
2、通过本发明提供的装置，可实现对电离层中性分子与带电粒子的电离、复合的动态过程的测量。
附图说明
图1是现有技术的大气密度探测器工作原理图；
图2是现有技术的朗缪尔探针工作原理图；
图3是现有技术的阻滞势分析仪工作原理图；
图4是本发明一种同步测量电离层中性分子与带电粒子的装置组成框图；
图5是本发明装置中的扫描栅网加载正电压、抑制栅网加载负电压时的工作原理图；
图6是本发明装置中的扫描栅网加载负电压、抑制栅网加载正电压时的工作原理图；
图7是本发明装置的粒子收集组件开口及轴向示意图；
图8是本发明装置的栅网示意图；
图9是本发明装置的粒子收集组件及栅网结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
本装置包括粒子收集组件和测量电路两部分组成，如图4所示。本装置安装在卫星的迎风面，粒子收集组件轴向与飞行方向平行。
本装置的粒子收集组件为圆柱形状，包括屏蔽栅网、扫描栅网、带电粒子收集极、抑制栅网、电离粒子收集极以及中性分子电离室组成。屏蔽栅网加载屏蔽电压，起屏蔽外部电磁干扰的作用。扫描栅网加载扫描电压，起选择带电粒子的作用。带电粒子收集极作用是收集通过扫描栅网的带电粒子。抑制栅网的作用是抑制未进入带电粒子收集极的带电粒子进入中性分子电离室，改变其运动方向，确保粒子被带电粒子收集极收集。中性分子电离室作用是将通过栅网的中性分子进行电离。电离粒子收集极的作用是收集中性分析电离后的带电粒子。
本装置的测量电路包括中性分子测量电路、带电粒子测量电路和栅网电压产生电路。中性分子测量电路连接电离粒子收集极，用于测量电离粒子收集极输出的收集电流信号，得到中性分子的密度，栅网电压产生电路包括屏蔽栅网电路和切换电路；其中，屏蔽栅网电路连接屏蔽栅网，用于给屏蔽栅网供电；切换电路连接扫描栅网和抑制栅网，用于给扫描栅网和抑制栅网同时加载极性相反的电压，并根据预设的时间间隔定时进行正负电压的切换。
本装置的工作原理如图5所示，图示为方便理解，放大了相应比例。当切换电路给扫描栅网加载正电压同时给抑制栅网加载负电压时，阻止离子通过扫描栅网，而电子通过扫描栅网，被带电粒子收集极收集，收集电流信号由带电粒子测量电路测量、采集，处理获得电子的密度。中性分子不带电，因此不受屏蔽栅网、扫描栅网、带电粒子收集极以及抑制栅网的影响。中性分子通过多层栅网，进入中性分子电离室，中性分子被电离后产生带电粒子，被电离粒子收集极收集，收集电流信号由中性分子测量电路测量、采集，处理获得中性分子的密度。
如图6所示，当切换电路给扫描栅网加载负电压同时给抑制栅网加载正电压时，阻止电子通过扫描栅网，而离子通过扫描栅网，被带电粒子收集极收集，收集电流信号由带电粒子测量电路测量、采集，处理获得离子的密度。在此过程中，中性分子也始终可以被测量。
切换电路间隔0.5s，进行正负扫描电压的切换，从而在1s内，对电离层中性分子、离子、电子进行同步测量，实现对电离层中性分子与带电粒子的电离、复合动态过程的测量。
在实际应用过程中，为获得高精度的测量结果，要求粒子收集组件安装在卫星的迎风面(+X面)，粒子收集组件开口方向的轴向方向与卫星飞行+X方向平行，如图7所示。但是，实际安装会存在一定的偏差，在数据计算时，需将该偏差的影响予以剔除。
另外，需要说明的是切换电路的正负扫描电压间隔时间不限于0.5s，可以根据实际需求，进行调整。
如图8所示，栅网内径为100mm，外径114mm，材料铍铜，表面镀金。栅网网格为方形孔，也可选用六边形孔，网丝宽度0.1mm，网丝中心距1mm。A、B、C、D、E、F等孔均匀分布在圆环上，起安装孔的作用，确保安装平面受力均匀，栅网表面保持平整不变形。孔G作为基准孔，确保粒子收集组件在组装过程中，各层栅网的上下保持对齐。孔H作为引线孔，将栅网与测量电路连接。
如图9所示的粒子收集组件及栅网结构示意图中，各层栅网通过绝缘介质，实现相互之间的隔离。图中尺寸为推荐尺寸，可根据卫星平台大小和限制，进行调整。
实施例2
一种同步测量电离层中性分子与带电粒子的方法，基于实施例1的装置实现，该方法包括：
步骤1)电离层大气进入所述屏蔽栅网，中性分子、离子和电子通过该屏蔽栅网进入扫描栅网；
步骤2)按照预设的时间间隔，切换电路进行正负电压的定时切换，当切换电路给扫描栅网加载正电压同时给抑制栅网加载负电压时，进入步骤3)，当切换电路给扫描栅网加载负电压同时给抑制栅网加载正电压时，进入步骤4)；
步骤3)扫描栅网阻止离子通过，使得电子和中性分子通过该扫描栅网，其中电子进入与带电粒子收集极相连的带电粒子测量电路，由该带电粒子测量电路测量得到电子的密度；中性分子依次通过带电粒子收集极和抑制栅网后，进入中性分子电离室，抑制栅网进一步阻止电子进入中性分子电离室；
步骤4)扫描栅网阻止电子通过，使得离子和中性分子通过该扫描栅网，其中离子进入与带电粒子收集极相连的带电粒子测量电路，由该带电粒子测量电路测量得到离子的密度；中性分子依次通过带电粒子收集极和抑制栅网后，进入中性分子电离室，抑制栅网进一步阻止离子进入中性分子电离室；
步骤5)中性分子电离室对中性分子进行电离，产生带电粒子；
步骤6)带电粒子进入电离粒子收集极，输出收集电流信号；
步骤7)收集电流信号进入中性分子测量电路，由该中性分子测量电路测量得到中性分子的密度。
本装置可以测量地球电离层以及行星际空间的电离层；通过调节粒子收集组件大小适应不同的卫星平台；需要说明的是，在实际应用中，需要考虑栅网透过率，并在数据计算中予以修正。
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。
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