一种离子漂移计及离子漂移分析方法

1.本发明属于离子漂移计改进技术领域，尤其是离子漂移计及离子漂移分析方法。


背景技术：

2.离子漂移计(idm)是用于空间电离层等离子体诊断的一种传感器，主要搭载在卫星上对空间等离子体进行测量，传统的离子漂移计由分为四个象限的多层栅网构成，传统的离子漂移计是假设各个收集极板之间面积、电导率等参数完全一致，各象限后端的电流测量电路完全一致，从而利用四个象限收集到的电流电信号的大小求解离子漂移速度和入射角度等参数信息。然而这种传统离子漂移计设计模式中的四个象限很难做到高度的一致性，而且在实际测量中，离子电流往往十分微弱，受限于收集极板面积和传感器重量等因素的限制，各个象限的电流往往为na级别，且各个象限之间电流大小的差距同样微小。如图1、2所示，各层栅网从上到下依次为地电位栅网、 2v栅网、-15v栅网、地电位栅网，每层栅网均为由四个四分之一圆组成的一个圆形的金属网片。最上层地电位栅网可以屏蔽idm传感器内部电场对外部等离子体的干扰， 2v栅网可以进行离子的筛选， 2v可以阻止空间等离子体中的h 进入收集极板，-15v栅网可以阻挡等离子体中的电子进入收集极板，避免电子电流对离子诊断的影响，下层的地电位栅网则可以防止收集极板的二次电子和光电子逃出。最下层为收集极板，收集极板为由四个四分之一圆组成的圆形的金属极板并被分别记为a、b、c、d四个象限，每个象限分别负责收集入射的离子电流，通过记录和利用各个象限的的电信号大小，可以推导计算获得等离子体的入射角和漂移速度等科学参数。
3.如果各象限收集极板的面积存在差异，或者导电性不相同，则会造成收集电流的误差，进而影响计算结果的准确性。后端电子电路部分，特别是运算放大电路部分也很难做到高度一致，因为温度漂移和零点偏移、输出偏置等半导体器件的天然误差所带来的测量结果的误差很难避免。在改善方法上只能通过对各个象限所对应的运算放大电路进行逐一调零，校准等方法尽可能减少测量的偏差，然而改善效果并不显著。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种离子漂移计，包括机壳，在机壳内绝缘设置有金属材质的均分四个象限的内壁套筒，内壁套筒内设置有多层栅网结构，多层栅网结构最下层的收集极板为单个圆形金属极板。轮流对该离子漂移计的各象限进行电位配置，测量并记录收集极板的电流大小的变化情况，通过计算可以得出相应的离子参数，进而实现对电离层等离子体的诊断。
5.本发明采取的技术方案是：
6.一种离子漂移计，其中，包括机壳，机壳内设置有内壁套筒，内壁套筒包括多个象限块，内壁套筒内设置有多层栅网结构和收集极板。
7.其中，所述内壁套筒为空心圆柱型套筒，所述内壁套筒沿周向方向均分为四个象限块。
8.其中，所述收集极板为一块圆形的金属极板。
9.其中，所述内壁套筒为金属材质，内壁套筒每相邻的两个象限块之间均相互绝缘，内壁套筒的每个象限块均可以进行电位控制和加载。
10.其中，多层栅网结构包括竖向间隔排列的上地电位栅网、 2v栅网、-15v栅网、中地电位栅网和下地电位栅网，下地电位栅网下方设置有所述收集极板。
11.其中，所述上地电位栅网、 2v栅网、-15v栅网和中地电位栅网均匀间隔设置，中地电位栅网和下地电位栅网之间的竖向间隔大于上地电位栅网、 2v栅网、-15v栅网和中地电位栅网之间的间隔。
12.一种离子漂移计的离子漂移分析方法，其中，如上述的离子漂移计中，沿所述内壁套筒的轴向方向的离子漂移速度vy的计算公式为：
[0013][0014]
α为离子入射方向与所述内壁套筒轴向方向的夹角，vr为等离子体沿传感器轴向整体相对卫星的速度，e为单位电荷，为卫星地相对于空间等离子体的绝对电位，mi为第i种离子的质量，d为内壁套筒的内径，h为内壁套筒的高度，i0为离子射向的内壁套筒的两个限块施加地电位时收集极板的电流值，i1为离子射向的内壁套筒的两个限块施加正电压时收集极板的电流值。
[0015]
其中，所述离子入射方向与所述内壁套筒轴向方向的夹角α的计算公式为：
[0016][0017]
其中，所述i0和i1满足以下比例：
[0018][0019]
其中，所述离子射向的内壁套筒的两个限块施加地电位时，离子在射入内壁套筒后方向不会偏转，此时射向并撞击到内壁套筒上的离子会被吸收湮灭，只有直射向收集极板的离子才能到达收集极板并形成电信号；所述离子射向的内壁套筒的两个限块施加正电压时，射向内壁套筒的离子到达内壁套筒时会被排斥转向并射向收集极板，此时射向内壁套筒的离子和直射向收集极板的离子都能到达收集极板并形成电信号。
[0020]
本发明的优点和积极效果是：
[0021]
本发明中，内壁套筒为相互分离的划分为四个象限块的圆柱薄壁套筒，可以对四个象限块分别轮流进行电位配置，且只采用了一整块收集极板，而不再使用传统离子漂移计四块收集极板的结构，增大了收集极板的面积，不再需靠考虑传统离子漂移计中各个象限的电流差距，且只需要一路运算放大器和后端电子电路，不再存在原有各测量电路之间的天然偏差对测量数据的干扰，在一个模式下仅测得一组数据，节约了电路资源，避免了使用多路电子电路时运算放大器的零点漂移和输出偏置等问题造成的多路测量结果之间天然存在较大差别和误差的情况。
[0022]
通过对四个象限块轮流配置不同的电位并测量收集极板的电信号数据，分析计算可以得出离子的漂移速度，单个收集极板相对于四个收集极板电信号的变化更加显著3-4倍以上，能将原有离子漂移计无法测出的微弱电信号测量，不再需要考虑传统离子漂移计
四个象限之间的差异，并通过差分计算方法将误差消除，经过测量和计算得出的离子漂移速度相对于传统离子漂移计误差更小，提高了等离子体检测结果的可靠性和可用性，可以与高空间分辨率阻滞势电位分析仪协同工作对电离层等离子体进行探测分析。
附图说明
[0023]
图1是现有的离子漂移计结构示意图；
[0024]
图2是现有的离子漂移计收集极板示意图；
[0025]
图3是本发明的结构示意图；
[0026]
图4是图3中收集极板的示意图；
[0027]
图5是图3中多层栅网结构的示意图；
[0028]
图6是图3中内壁套筒的结构示意图；
[0029]
图7是图6中内壁套筒的象限块划分示意图；
[0030]
图8是本发明中绝缘垫的侧视图；
[0031]
图9是图8的右视图；
[0032]
图10是本发明处于模式0时的离子漂移示意图；
[0033]
图11是图8的仿真离子轨迹图；
[0034]
图12是本发明处于模式1时的离子漂移示意图；
[0035]
图13是图10的仿真离子轨迹图。
具体实施方式
[0036]
下面结合实施例，对本发明进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
[0037]
一种离子漂移计，如图3、4、5、6、7、8、9所示，本发明的创新在于：包括机壳6，机壳可以为一立方体外框，机壳可以采用金属材料制成，例如铝合金材料，并进行等电位处理，机壳主要用于支撑和保护其内部设置的其他部件。机壳内设置有内壁套筒5，内壁套筒整体为上端和下端均开口的仅具有侧壁的空心圆柱型套筒，内壁套筒通过绝缘材料竖向固定设置在机壳内。内壁套筒的圆柱型侧壁沿内壁套筒的径向均匀的分为四个象限块8，每个象限块的圆心角角度均为90度，每个两个相邻的象限块之间相互绝缘，绝缘方式可以采用在两个相邻的象限块之间设置有竖向的绝缘垫10，绝缘垫能使相邻两个象限块之间保持间隙且绝缘垫能将相邻两个象限块之间的缝隙填满，绝缘垫与其旁侧两个象限块接触的表面上设置有起到电磁屏蔽作用的金属网12，金属网将两个相邻的象限块隔绝。每个象限块均采用金属材料制成，例如铍铜、不锈钢等，其具有良好的导电性能，每个象限块均引出单独的导线，可以通过导线对每个象限块单独进行电位控制和加载。
[0038]
内壁套筒内部的轴向方向上设置有多层栅网结构和收集极板。多层栅网结构包括由上至下依次竖向间隔排列的上地电位栅网1、 2v栅网2、-15v栅网3、中地电位栅网4和下地电位栅网7，下地电位栅网下方设置有收集极板9，上地电位栅网位于内壁套筒上端的开口处，收集极板位于内壁套筒的下端作为内壁套筒圆柱型的底面并将内壁套筒的底部封闭。上地电位栅网、 2v栅网、-15v栅网和中地电位栅网均匀间隔设置(相邻的两个栅网之间的竖向间距相同)，中地电位栅网和下地电位栅网之间的竖向间距大于上地电位栅网、 2v
栅网、-15v栅网和中地电位栅网中相邻的两个栅网之间的竖向间距。
[0039]
每层栅网均为圆形的金属网片，所有栅网和收集极板与内壁套筒上端开口所在平面均平行。如图8所示，每个绝缘垫朝向内壁套筒内侧的表面上均设置有多个嵌槽11，每一组在内壁套筒的轴向方向上高度相同的嵌槽均能嵌入一个栅网的外缘或收集极板的外缘，栅网和收集极板通过嵌槽固定在内壁套筒的内部，所有栅网的表面积均相同且等于作为内壁套筒底面的收集极板的表面面积。各层栅网之间通过绝缘垫上的嵌槽进行支撑固定和隔离，每个栅网均引出单独的导线，可以通过导线对每个栅网进行单独的电位控制和加载，各层栅网和收集极板接线的方式与传统的离子漂移计一致。
[0040]
上地电位栅网的电位为0v，该层栅网用于屏蔽传感器内部电场对外部等离子体环境的干扰； 2v栅网的电位为 2v，该层栅网用于阻挡电离层中的h

(氢离子)进入传感器被收集，防止热速度极大的h

对传感器测量结果的干扰；-15v栅网的电位为-15v，该层栅网用于阻挡电离层等离子体中的电子，等离子体中的o

(氧离子)可以从-15v栅网中穿过；中地电位栅网的电位为0v，下地电位栅网的电位为0v，中地电位栅网和下地电位栅网用于防止二次电子逃出(等离子体撞击栅网等金属构件时，等离子体中可能存在的高能粒子会将金属构件中原子的电子轰出，此为二次电子；二次电子一般高能，但数量较少，增设一层地电位栅网作为电磁屏蔽即可有效吸收二次电子，防止二次电子逃出)。中地电位栅网和下地电位栅网较大的竖向间距也能保证离子在二者之间有足够的横向漂移距离，提高传感器测量的准确性。在经过上述多层栅网的拦截后，等离子体中的离子(通常为o

)最终可以到达收集极板，从而避免了热速度较大的h

和电子的干扰。
[0041]
收集极板为一整块圆形的金属极板，不再采用四个收集极板，收集极板的材质为铜或不锈钢镀金，收集极板与一路运算放大器和后端电子电路连接，当离子到达收集极板后会在收集极板上产生电信号，通过与收集极板连接的运算放大器和后端电子电路可以对电信号进行测量，对测得的数据进行分析计算即可得到离子漂移速度等电离层离子参数。由于收集极板的面积相对于传统离子漂移计增加了4倍，因此单个收集极板相对于四个收集极板电信号的变化更加显著，约为传统离子漂移计的3-4倍以上。由于收集极板面积的增大，能将原有离子漂移计无法测得的微弱电信号测量。
[0042]
上述离子漂移计的离子漂移分析方法，利用上述的离子漂移计，将上述离子漂移计的内壁套筒的四个象限块划分为a、b、c、d四个象限块，在上述的离子漂移计的工作过程中，轮流对a、d两个象限块，a、b两个象限块，b、c两个象限块，c、d两个象限块的内壁套筒象限块进行电位配置，通过控制电位的改变从而进行离子轨迹的控制，电位值一般为0、和10v两个模式，在测量时两个模式之间可以轮流切换，也可以根据实际需要配置其他电位值，以此可以控制进入传感器的离子到达收集极板的收集情况。通过对电位值为0和电位值为10v的两个模式下收集极板测得的电流进行计算分析，根据两个模式下收集极板的电流大小的改变情况，计算出离子相应的参数，进而实现对电离层等离子体的诊断目的。计算分析过程如下：
[0043]
设内壁套筒高度为h，内壁套筒的内径为d，离子沿着x方向的入射角为α；
[0044]
以在x向上的离子漂移计算为例，离子沿x向逐渐向a、d两个象限块偏移(图8中，横向坐标轴为x向，竖向坐标轴为y向)，则通过对a、d两个象限块的电位进行调整，分别对应以下模式0和模式1，根据两个模式下收集极板测得的电流值，并对两个模式下测得的电流值
进行分析即可对离子漂移进行测量：
[0045]
模式0：
[0046]
如图10、11所示，对内壁套筒的a、d两个象限块施加地电位(0v)，由于等离子体离子横向漂移速度的存在，会有一部分离子撞击到内壁套筒的a、d两个象限块，这些撞击到内壁套筒的离子将会被吸收湮灭，无法到达收集极板被测量收集，因此范围lb中的离子会被内壁套筒吸收，只有在范围lc之中的离子才可以到达收集层极板并形成电信号被测量，利用后端电子电路测量并记录此时该电流值，记为i0。
[0047]
模式1：
[0048]
如图12、13所示，该模式下对内壁套筒的a、d两个象限块施加正电压，此处以10v为例，此时范围lb内的离子横向漂移至接近内壁套筒的a、d两个象限块时会被排斥转向，不会和内壁套筒的a、d两个象限块产生接触，全部转向远离内壁套筒的a、d两个象限块的方向，进而射向收集极板，最终全部到达收集极板并被其收集。因此，此时范围lc、lb内的离子均可被收集极板收集并形成电信号被测量，记录此时收集极板的电流值为i1。
[0049]
通过以上模型分析，根据模式0时测得的收集极板电流值i0和模式1时测得的收集极板电流值i1，根据模式0和模式1下的电流值i0和i1，推导得到以下计算公式：
[0050]
模式0和模式1下电流大小的比满足：
[0051][0052]
离子入射方向与所述内壁套筒轴向方向的夹角α的计算公式为：
[0053][0054]
代入入射角α，进而求得沿内壁套筒的轴向方向y向的离子漂移速度vy：
[0055][0056]
其中，α为离子入射方向与内壁套筒轴向方向的夹角，vr为等离子体沿内壁套筒轴向方向相对于探测卫星的速度，e为单位电荷，为探测卫星相对于所测空间等离子体的绝对电位，mi为第i种离子的质量，d为内壁套筒的内径，h为内壁套筒的高度，i0为离子射向的内壁套筒的两个限块施加地电位时收集极板的电流值，i1为离子射向的内壁套筒的两个限块施加正电压时收集极板的电流值。
[0057]
由上述推导过程可知，在模式0下，对离子射向的内壁套筒的两个象限块施加地电位时，离子在射入内壁套筒后的方向不会偏转，此时射向并撞击到内壁套筒上的离子会被吸收湮灭，只有直射向收集极板的离子才能到达收集极板并形成电信号；在模式1下，对离子射向的内壁套筒的两个象限块施加正电压时，进入内壁套筒后射向内壁套筒的离子在到达内壁套筒时会被排斥转向并射向收集极板，此时射向内壁套筒并被排斥的离子和直射向收集极板的离子都能到达收集极板并形成电信号。因此可以根据不同模式下，对内壁套筒施加不同电位时，收集极板电信号的改变可以分析计算得出离子漂移量。
[0058]
制作实物传感器进行实验时，设计内壁套筒的内径d为10cm，高度h为10cm，在真空仓进行实测实验，设置离子入射角α为30度。分别在模式0和模式1下进行数据采集，测量得到i0在一段时间内的平均值为80na，i1在一段时间内的平均值为179na，代入上述公式(2)，
求得入射角αs约为28.8度，与设定值之间的误差率约为4％，相比于传统离子漂移计测量结果误差率通常为20％-50％，测量结果误差显著减小，可以证明本方案的有效性。在求得离子的入射角后，可以根据入射角的角度结合卫星的实际速度，根据公式(3)可以得出离子漂移速度。在实际工作过程中，可能会存在离子向三个象限的方向入射的情况，但由于卫星的垂直速度分量(约为7.9km/s)远大于离子自由运动的速度(约为1.8km/s)，一般不考虑三个象限入射的情况，以两个象限进行计算。
[0059]
本发明中，内壁套筒为相互分离的划分为四个象限块的圆柱薄壁套筒，可以对四个象限块分别轮流进行电位配置，且只采用了一整块收集极板，而不再使用传统离子漂移计四块收集极板的结构，增大了收集极板的面积，不再需靠考虑传统离子漂移计中各个象限的电流差距，且只需要一路运算放大器和后端电子电路，不再存在原有各测量电路之间的天然偏差对测量数据的干扰，在一个模式下仅测得一组数据，节约了电路资源，避免了使用多路电子电路时运算放大器的零点漂移和输出偏置等问题造成的多路测量结果之间天然存在较大差别和误差的情况。
[0060]
通过对四个象限块轮流配置不同的电位并测量收集极板的电信号数据，分析计算可以得出离子的漂移速度，单个收集极板相对于四个收集极板电信号的变化更加显著3-4倍以上，能将原有离子漂移计无法测出的微弱电信号测量，不再需要考虑传统离子漂移计四个象限之间的差异，并通过差分计算方法将误差消除，经过测量和计算得出的离子漂移速度相对于传统离子漂移计误差更小，提高了等离子体检测结果的可靠性和可用性，可以与高空间分辨率阻滞势电位分析仪协同工作对电离层等离子体进行探测分析。