一种慢速运动固体颗粒物荷质比测量装置及方法
阅读说明：本技术 一种慢速运动固体颗粒物荷质比测量装置及方法 (Device and method for measuring charge-to-mass ratio of slow-moving solid particles ) 是由 王鹢 庄建宏 李存惠 赵振栋 王富刚 张海燕 全小平 于 2021-10-15 设计创作，主要内容包括：本申请涉及固体微颗粒荷质比测量技术领域,具体而言,涉及一种慢速运动固体颗粒物荷质比测量装置及方法,该装置包括负偏测量单元、正偏测量单元以及零偏测量单元,负偏测量单元、正偏测量单元以及零偏测量单元的结构相同,均包括防尘板、接地极、偏置极、石英晶体微天平、外壳以及绝缘片,其中：防尘板设置在外壳的上方；石英晶体微天平设置在外壳内部的下方,两侧设置有绝缘片；防尘板与石英晶体微天平之间设置有扫描栅网；扫描栅网为两级栅网,分别与接地极和偏置极连接。本申请能够获得固体电颗粒属性以及荷质比分布,实现了小型化,轻质化的设计,适用于野外或者在轨自主测量。(The utility model relates to a solid microparticle charge-to-mass ratio measures technical field, specifically, relates to a slow motion solid particulate matter charge-to-mass ratio measuring device and method, the device include negative deviation measuring unit, positive deviation measuring unit and zero deviation measuring unit, negative deviation measuring unit, positive deviation measuring unit and zero deviation measuring unit's structure is the same, all includes dust guard, earthing pole, bias utmost point, quartz crystal microbalance, shell and insulating piece, wherein: the dust guard is arranged above the shell; the quartz crystal microbalance is arranged below the inner part of the shell, and the two sides of the quartz crystal microbalance are provided with insulating sheets; a scanning grid is arranged between the dustproof plate and the quartz crystal microbalance; the scanning grid is a two-stage grid which is respectively connected with the grounding electrode and the bias electrode. The method can obtain the properties of the solid electric particles and the charge-to-mass ratio distribution, realizes the design of miniaturization and lightness, and is suitable for field or on-orbit autonomous measurement.)
技术领域
本申请涉及固体微颗粒荷质比测量技术领域，具体而言，涉及一种慢速运动固体颗粒物荷质比测量装置及方法。
背景技术
宇宙空间充满着大量的固体颗粒物，如宇宙尘、火星尘、沙尘、月尘等，这些尘埃颗粒在太阳辐照、带电粒子附着、碰撞摩擦等因素下，往往带有电荷，从而因其电荷特性发生特殊的运动及现象。
研究上述这些颗粒物的带电特性，有助于理解宇宙和星体的形成，地球的演化，以及生命的起源。
为了测量固体颗粒物的带电属性，常用法拉第杯结合电子天平的方法，但这种方法无法做到自主测量，不适用于野外或在轨无人的情况。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种慢速运动固体颗粒物荷质比测量装置及方法，克服了传统测量技术的局限性，能够对自然状态下慢速运动的固体颗粒物带电属性进行自主原位的测量。
为了实现上述目的，本申请提供了一种慢速运动固体颗粒物荷质比测量装置，包括负偏测量单元、正偏测量单元以及零偏测量单元，负偏测量单元、正偏测量单元以及零偏测量单元的结构相同，均包括防尘板、接地极、偏置极、石英晶体微天平、外壳以及绝缘片，其中：防尘板设置在外壳的上方；石英晶体微天平设置在外壳内部的下方，两侧设置有绝缘片；防尘板与石英晶体微天平之间设置有扫描栅网；扫描栅网为两级栅网，分别与接地极和偏置极连接。
进一步的，接地极和偏置极均设置在外壳内部的定位卡槽上，接地极设置在上方，偏置极设置在下方。
进一步的，扫描栅网由金属材料制成，扫描栅网由圆形网孔阵列而成。
进一步的，扫描栅网的光学透过率＞80％，电阻温度系数＜0.004℃。
进一步的，石英晶体微天平表面涂覆有黏性薄膜，黏性薄膜的厚度为1-20μm；
进一步的，黏性薄膜的表面为粗糙表面，粗糙度为1-10μm。
此外，本申请还提供了一种应用慢速运动固体颗粒物荷质比测量装置的方法，包括如下步骤：步骤1：将测量装置放置在慢速下落的固体微颗粒环境中，使测量装置的接收面与固体颗粒物的运动方向垂直；步骤2：正偏测量单元下电极设置正偏压Ui，负偏测量单元下电极设置负偏压-Ui，零偏测量单元下电极接地，打开防尘板，开启测量，记录石英晶体微天平的频率；步骤3：扫描电压，使偏置电压绝对值依次增大或减小；步骤4：正偏测量单元下电极设置正偏压Ui+1，负偏测量单元下电极设置负偏压-Ui+1，零偏测量单元下电极接地，继续测量，记录石英晶体微天平的频率；步骤5：扫描至指定电压U0后，测量结束，通过计算得出固体颗粒物荷质比。
进一步的，步骤1中，测量装置的负偏测量单元、正偏测量单元以及零偏测量单元由绝缘材料相互电隔离。
进一步的，步骤3中，扫描电压时，偏置电压的绝对值分布符合指数分布，每阶偏置电压执行时间相等，并且＞1h。
本发明提供的一种慢速运动固体颗粒物荷质比测量装置及方法，具有以下有益效果：
本申请通过在扫描栅网结构上施加不同偏压对不同荷质比颗粒进行抑制，得到不同偏压下尘埃的累积质量，获得带电颗粒属性以及荷质比分布，实现了小型化，轻质化的设计，适用于野外或者在轨自主测量。
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一种慢速运动固体颗粒物荷质比测量装置的示意图；
图2是根据本申请实施例提供的一种慢速运动固体颗粒物荷质比测量方法的流程图及固体颗粒物荷质比的计算图；
图中：1-防尘板、2-接地板、3-偏置极、4-石英晶体微天平、5-外壳、6-绝缘片。
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。
如图1所示，本申请提供了一种慢速运动固体颗粒物荷质比测量装置，包括负偏测量单元、正偏测量单元以及零偏测量单元，负偏测量单元、正偏测量单元以及零偏测量单元的结构相同，均包括防尘板1、接地极2、偏置极3、石英晶体微天平4、外壳5以及绝缘片6，其中：防尘板1设置在外壳5的上方；石英晶体微天平4设置在外壳5内部的下方，两侧设置有绝缘片6；防尘板1与石英晶体微天平4之间设置有扫描栅网；扫描栅网为两级栅网，分别与接地极2和偏置极3连接。
具体的，本申请实施例提供的慢速运动固体颗粒物荷质比测量装置主要用于对粒径＜50μm，运动速度＜50m/s，颗粒电阻率＞109Ω·m的固体颗粒物进行测量，由负偏测量单元、正偏测量单元以及零偏测量单元三个单元组成，每个单元结构相同，均是在扫描栅网下方设置粘性石英晶体微量天平，通过在扫描栅网结构上施加不同偏压对不同荷质比颗粒进行抑制，从而得到不同偏压下尘埃的累积质量，实现对慢速运动固体颗粒物荷质比的测量。防尘板1主要用于防尘，测量时，打开防尘板1，能够使固体颗粒物进入到外壳5内部，通过扫描栅网，最终落入到石英晶体微天平4上。接地极2和偏置极3主要用于连接设置栅网，从而为扫描栅网施加不同的偏压，偏置极3之间的距离与扫描栅网网孔分布区域的直径相同。石英晶体微天平4主要用于记录落下的固体颗粒物的质量，通过记录石英晶体微天平4的频率，可以得到落下的固体颗粒物荷质比的范围。绝缘片6主要起到绝缘电隔离的作用。
进一步的，接地极2和偏置极3均设置在外壳5内部的定位卡槽上，接地极2设置在上方，偏置极3设置在下方。外壳5内部设置有定位卡槽，接地极2设置在上方，偏置极3设置在下方，两者对称设置。
进一步的，扫描栅网由金属材料制成，扫描栅网由圆形网孔阵列而成。在本申请实施例中，扫描栅网主要由铍铜、康铜等金属材质制成，扫描栅网的网孔是由圆形网孔呈60°阵列而成，网孔分布区域与石英晶体面积相同。
进一步的，扫描栅网的光学透过率＞80％，电阻温度系数＜0.004℃。扫描栅网的光学透过率以及电阻温度系数根据实际测量情况进行选择。
进一步的，石英晶体微天平4表面涂覆有黏性薄膜，黏性薄膜的厚度为1-20μm；石英晶体微天平4表面涂覆有黏性薄膜主要用于粘附累积到表面的微小固体颗粒物，使其能与石英晶体产生一体振荡，从而实现对固体颗粒物质量的精确测量。
进一步的，黏性薄膜的表面为粗糙表面，粗糙度为1-10μm。黏性薄膜表面设置成粗糙表面主要用于提高粘附性以及测量的灵敏度。
此外，本申请还提供了一种应用慢速运动固体颗粒物荷质比测量装置的方法，包括如下步骤：步骤1：将测量装置放置在慢速下落的固体微颗粒环境中，使测量装置的接收面与固体颗粒物的运动方向垂直；步骤2：正偏测量单元下电极设置正偏压Ui，负偏测量单元下电极设置负偏压-Ui，零偏测量单元下电极接地，打开防尘板1，开启测量，记录石英晶体微天平4的频率；步骤3：扫描电压，使偏置电压绝对值依次增大或减小；步骤4：正偏测量单元下电极设置正偏压Ui+1，负偏测量单元下电极设置负偏压-Ui+1，零偏测量单元下电极接地，继续测量，记录石英晶体微天平4的频率；步骤5：扫描至指定电压U0后，测量结束，通过计算得出固体颗粒物荷质比。
进一步的，步骤1中，测量装置的负偏测量单元、正偏测量单元以及零偏测量单元由绝缘材料相互电隔离。
进一步的，步骤3中，扫描电压时，偏置电压的绝对值分布符合指数分布，每阶偏置电压执行时间相等，并且＞1h。
下面结合具体的实施例对本申请实施例进行详细说明：
选择运动速度小于1m/s，颗粒粒径小于20μm，带电率小于50％的固体颗粒物进行测量，以正偏压为例，其中扫描栅网选用铍铜进行加工，扫面栅网的厚度为0.2mm，网孔直径为0.4mm，孔心距为0.45mm，栅极的直径为24mm，网孔分布区域直径为12mm，接地极2与偏置极3之间的间距为12mm，偏置极3与石英晶体微天平4传感表面的距离为12mm，石英晶体的固有频率为10MHz，粘性膜厚为5μm，在扫描栅网之间施加偏置电压，偏置电压的范围为0～100V，其中，U0＝100V，Ui＝50*exp(-i/20)/i，(i＝1，2，3…，20)，每阶偏置电压执行时间即测量时间步长为100min，记录不同的扫描电压下石英晶体微天平4所显示的频率，将得到的多组数据按图2进行处理，最终可以得到固体颗粒物的荷质比。
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。
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