一种层压式微型化低能粒子测量装置

1.本发明属于空间环境探测技术领域，更具体地，涉及一种层压式微型化低能粒子测量装置。


背景技术：

2.随着微电子、微机械、微纳米等技术的发展，非载人航天器小型化成为发展趋势，微小卫星尤其是标准化程度极高的立方星以其发射和制造成本低、可扩展性能好、研发周期短等优势，已广泛用于空间探测、成像、大气研究和新技术试验。以立方星为平台搭载各种探测仪器开展空间探测任务，能够极大降低研发、制造和发射成本，提高探测效率。
3.静电分析器(esa)是空间低能粒子环境测量的重要设备，对低能粒子的探测研究有助于更好的了解空间中等离子体的分布与动态演化、太阳风的作用机理等，另外对于受控热核聚变的研究也有着重要意义。目前常用的半球型esa尺寸通常在50-100mm之间，几乎与立方星100
×
100
×
100mm的尺度相当，难以搭载在微小型卫星或航天器上使用，因此急需针对微小型卫星或航天器开发具有足够小质量、体积和功耗的低能粒子测量装置。


技术实现要素：

4.本发明通过提供一种层压式微型化低能粒子测量装置，解决现有技术中低能粒子测量装置尺寸较大，导致难以搭载在微小型卫星或航天器上使用的问题。
5.本发明提供一种层压式微型化低能粒子测量装置，包括：粒子偏转系统、微通道板和电子学处理系统；所述粒子偏转系统包括从上至下层压式依次设置的入射栅板、空腔电压板和出射栅板；所述入射栅板用于引导空间低能粒子以粒子束的形式入射；所述空腔电压板用于基于施加电压对入射的空间低能粒子进行偏转和筛选；所述出射栅板用于引导筛选后的粒子束到达所述微通道板；所述微通道板用于收集并放大粒子束撞击产生的电信号；所述电子学处理系统用于对所述电信号进行分析，得到粒子的相关测量信息。
6.优选的，所述入射栅板上设有由若干入射栅格构成的第一通孔阵列，每个所述入射栅格均包括至少一个入射孔；所述空腔电压板上设有由若干空腔结构组成的空腔阵列；所述出射栅板上设有由若干出射栅格构成的第二通孔阵列，每个所述出射栅格均包括至少一个出射孔。
7.优选的，所述入射栅板和所述出射栅板上均设有接地连接孔，并分别通过各自的接地连接孔接地；所述空腔电压板的一端设有接地连接孔，并通过接地连接孔接地；所述空腔电压板的另一端设有电压连接孔，并通过所述电压连接孔外接电压。
8.优选的，所述入射栅板、所述空腔电压板和所述出射栅板上均设有栅板连接螺孔，并通过所述栅板连接螺孔进行板之间的连接；所述入射栅板和所述空腔电压板之间通过绝缘板垫片隔离，所述空腔电压板与所述出射栅板之间通过绝缘板垫片隔离，所述出射栅板与所述微通道板之间通过绝缘板垫片隔离。
9.优选的，所述空腔结构为矩形空腔，所述矩形空腔的顶部开有第一缝隙，所述矩形
空腔的底部开有第二缝隙，所述第一缝隙与所述入射栅板上的所述入射栅格对应设置，所述第二缝隙与所述出射栅板的所述出射栅格对应设置，所述第一缝隙作为粒子束流入空腔的通道，所述第二缝隙作为粒子束流出空腔的通道。
10.优选的，所述第一缝隙和所述第二缝隙的宽度相同时，所述层压式微型化低能粒子测量装置的几何因子g采用公式(1)计算：
[0011][0012]
其中，d是第一缝隙的中心线与第二缝隙的中心线之间的距离，d是缝隙的宽度，h是空腔电压板的厚度；
[0013]
所述层压式微型化低能粒子测量装置筛选出的低能粒子的能量峰值es采用公式(2)计算：
[0014]es
＝g
·vesa
ꢀꢀ
(2)
[0015]
其中，v
esa
是筛选出低能粒子的某个具体空腔结构两端的电压差；
[0016]
所述层压式微型化低能粒子测量装置的能量分辨率采用公式(3)计算：
[0017][0018]
其中，δe是能谱图中半宽高位置对应的粒子能量差。
[0019]
优选的，所述入射孔和所述出射孔均通过激光刻蚀得到，所述空腔结构通过等离子刻蚀得到。
[0020]
优选的，每个所述入射栅格包括多个等间距排列的入射孔，所述入射孔为圆孔，所述圆孔的直径范围为0.25-0.75mm；所述出射孔为矩形孔，所述矩形孔的长度为1-3mm，所述矩形孔的宽度为所述矩形空腔的缝隙宽度的2倍；所述矩形空腔的缝隙宽度为0.5-1.5mm，所述第一缝隙的中心线与所述第二缝隙的中心线之间的距离范围为3.5-4.5mm，所述空腔电压板的厚度为0.2-0.3mm。
[0021]
优选的，所述微通道板固定在安装基座上，所述微通道板的电极采用ni-cr材料制备得到。
[0022]
优选的，所述电子学处理系统包括前端读出电子学模块、高压模块、电子学箱、通信接口和供电系统；所述前端读出电子学模块用于对接收的电信号进行读出、放大；所述电子学箱用于对放大后的电信号进行处理，得到粒子的相关测量信息；所述高压模块为装置的各部分提供高压；所述通信接口用于与卫星进行通信；所述供电系统为装置提供电能。
[0023]
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
[0024]
在本发明中，提供一种层压式微型化低能粒子测量装置，包括粒子偏转系统、微通道板和电子学处理系统，其中粒子偏转系统包括从上至下层压式依次设置的入射栅板、空腔电压板和出射栅板。与常用低能粒子探测装置(如静电分析器)的内外半球型结构不同，本发明采用层压式的结构，能够最大限度地减小了装置的尺寸和能耗，使其能够搭载在立
方星等微小型航天器上实现空间环境探测任务。此外，本发明采用激光刻蚀在入射栅板、出射栅板上加工大量规则的通孔，采用等离子刻蚀在空腔电压板上加工大量规则的空腔结构，形成多个粒子通道，能够实现对低能粒子的多能级多通道测量，使微小型仪器具有较大的几何因子，有效提高空间低能粒子的探测效率并扩大测量范围。
附图说明
[0025]
图1为本发明实施例提供的一种层压式微型化低能粒子测量装置的整体结构示意图；
[0026]
图2为本发明实施例提供的一种层压式微型化低能粒子测量装置中粒子偏转系统的结构示意图；
[0027]
图3为本发明实施例提供的一种层压式微型化低能粒子测量装置中空腔结构的结构示意图；
[0028]
图4为本发明实施例提供的一种层压式微型化低能粒子测量装置中空腔结构中粒子束流路径示意图；
[0029]
图5为本发明实施例提供的一种层压式微型化低能粒子测量装置中电子学处理系统功能模块示意图。
[0030]
其中，1-入射栅板、2-空腔电压板、3-出射栅板、4-电压连接孔、5-出射孔、6-空腔结构、7-接地连接孔、8-栅板连接螺孔、9-入射孔、10-微通道板、11-安装基座、12-绝缘板垫片、13-电子学处理系统。
具体实施方式
[0031]
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
[0032]
本实施例提供了一种层压式微型化低能粒子测量装置，参见图1至图5，包括：粒子偏转系统、微通道板和电子学处理系统；所述粒子偏转系统包括从上至下层压式依次设置的入射栅板1、空腔电压板2和出射栅板3；所述入射栅板1用于引导空间低能粒子以粒子束的形式入射；所述空腔电压板2用于基于施加电压对入射的空间低能粒子进行偏转和筛选；所述出射栅板3用于引导筛选后的粒子束到达所述微通道板10；所述微通道板10用于收集并放大粒子束撞击产生的电信号；所述电子学处理系统13用于对所述电信号进行分析，得到粒子的相关测量信息。
[0033]
其中，所述入射栅板1上设有由若干入射栅格构成的第一通孔阵列，每个所述入射栅格均包括至少一个入射孔9；所述空腔电压板2上设有由若干空腔结构6组成的空腔阵列；所述出射栅板3上设有由若干出射栅格构成的第二通孔阵列，每个所述出射栅格均包括至少一个出射孔5。即所述入射栅板1和所述出射栅板3上分别加工有规则排列的贯通孔，所述空腔电压板2上加工有规则排列的所述空腔结构6。本发明通过合理设置各板上的孔和空腔结构的尺寸和位置，形成规则排列的、具有不同探测范围的粒子筛选通道，基于多通道式的结构能够实现在同一时间对不同能量范围的粒子进行筛选，能够实现对低能粒子的多能级多通道测量。
[0034]
参见图1至图4，所述空腔结构6具体可为矩形空腔，所述矩形空腔的顶部开有第一
缝隙，所述矩形空腔的底部开有第二缝隙，所述第一缝隙与所述入射栅板1上的所述入射栅格对应设置，所述第二缝隙与所述出射栅板3的所述出射栅格对应设置，所述第一缝隙作为粒子束流入空腔的通道，所述第二缝隙作为粒子束流出空腔的通道。
[0035]
参见图3、图4，所述第一缝隙和所述第二缝隙的宽度相同时，所述层压式微型化低能粒子测量装置的几何因子g采用公式(1)计算：
[0036][0037]
其中，d是第一缝隙的中心线与第二缝隙的中心线之间的距离，d是缝隙的宽度，h是空腔电压板的厚度。
[0038]
所述层压式微型化低能粒子测量装置筛选出的低能粒子的能量峰值es采用公式(2)计算：
[0039]es
＝g
·vesa
ꢀꢀ
(2)
[0040]
其中，v
esa
是筛选出低能粒子的某个具体空腔结构两端的电压差。
[0041]
所述层压式微型化低能粒子测量装置的能量分辨率采用公式(3)计算：
[0042][0043]
其中，δe是能谱图中半宽高位置对应的粒子能量差。
[0044]
此外，所述入射栅板1和所述出射栅板3上均设有接地连接孔7，并分别通过各自的接地连接孔7接地，确保粒子不会在表面累积形成电压差，避免影响空间低能粒子的测量。所述空腔电压板2的一端设有接地连接孔7，并通过接地连接孔7接地；所述空腔电压板2的另一端设有电压连接孔4，并通过所述电压连接孔4外接电压。即所述入射栅板1和所述出射栅板3接地(即航天器表面)，所述空腔电压板2一端接电，一端接地，使所述空腔结构6的两端形成不同的电势差，用于对入射的空间低能粒子进行偏转和筛选。
[0045]
所述入射栅板1、所述空腔电压板2和所述出射栅板3上均设有栅板连接螺孔8，并通过所述栅板连接螺孔8进行板之间的连接；所述入射栅板1和所述空腔电压板2之间通过绝缘板垫片12隔离，所述空腔电压板2与所述出射栅板3之间通过绝缘板垫片12隔离，所述出射栅板3与所述微通道板10之间通过绝缘板垫片12隔离。即两个相邻的板之间通过所述绝缘板垫片12隔离，所述绝缘板垫片12可采用聚四氟乙烯绝缘板垫片。
[0046]
所述的入射栅板1可采用不锈钢材料，所述出射栅板3可采用不锈钢材料，所述空腔电压板2可采用铝合金材料。所述入射孔9和所述出射孔5均可通过激光刻蚀得到，所述空腔结构6可通过等离子刻蚀得到。本发明通过激光刻蚀、等离子体刻蚀等高精加工技术，在较小的尺度上进行加工制造，同时采用层压式的结构进一步减小仪器尺寸，能够搭载在微小型号航天器进行空间探测任务。
[0047]
所述微通道板10固定在安装基座11上，所述微通道板10的电极采用ni-cr材料制备得到。
[0048]
参见图1、图5，所述电子学处理系统13包括前端读出电子学模块、高压模块、电子学箱、通信接口和供电系统；所述前端读出电子学模块用于对接收的电信号进行读出、放大；所述电子学箱用于对放大后的电信号进行处理，得到粒子的相关测量信息；所述高压模块为装置的各部分提供高压；所述通信接口用于与卫星进行通信；所述供电系统为整个装置提供电能。
[0049]
本实施例提供了一种能够搭载在微小型航天器上的微型低能粒子测量装置，入射栅板和出射栅板用于引导粒子进出仪器，同时用于屏蔽杂散电场；空腔电压板用于施加电压，位于其内部的矩形空腔利用两端电压差对入射的空间低能粒子进行能量分析，并筛选与通道电压差对应能量的粒子微通道板用于收集并放大粒子撞击产生的电信号；电子学处理系统用于分析和处理电信号，最终给出粒子能量、密度等信息。
[0050]
下面结合参数给出一个具体的实施方式。
[0051]
每个所述入射栅格包括多个等间距排列的入射孔9，所述入射孔9为圆孔，所述圆孔的直径范围为0.25-0.75mm；所述出射孔5为矩形孔，所述矩形孔的长度为1-3mm，所述矩形孔的宽度为所述矩形空腔的缝隙宽度的2倍，以保证通过矩形空腔筛选后的粒子束流能够完全抵达所述微通道板10；所述矩形空腔的缝隙宽度d为0.5-1.5mm，所述第一缝隙的中心线与所述第二缝隙的中心线之间的距离d范围为3.5-4.5mm，所述空腔电压板2的厚度h为0.2-0.3mm。
[0052]
所述第一缝隙的中心线与所述入射栅板1上圆孔的圆心对齐，所述第二缝隙的中心线与所述出射栅板3的矩形孔右侧对齐。
[0053]
所述入射栅板1、所述出射栅板3、所述空腔电压板2的长度和宽度相同，长度为15-20mm，宽度为5-7mm。所述入射栅板1、所述出射栅板3的高度(即厚度)的尺寸范围均为0.2-0.3mm。
[0054]
综上，本发明提供的一种层压式微型化低能粒子测量装置采用层压式多通道的结构，最大限度地减小了装置的尺寸和能耗，使其能够应用于立方星等微小型航天器；采用激光刻蚀技术在进出口栅板和空腔加工大量整齐排列的孔和狭缝，形成了多个粒子通道，能够实现对多个能级粒子的同时筛选，使微小型仪器具有较大的几何因子，有效提高空间低能粒子的探测效率并扩大测量范围。
[0055]
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而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。