[发明专利]一种用于空间离子和中性原子的测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及空间环境探测技术领域，尤其涉及一种空间离子和中性原子综合测量装置。

背景技术

地球空间、行星际以及太阳系其他行星空间的深空到处都存在带电的离子和不带电的中性原子。带电的离子通过电荷交换(接收一个电子)可以变成不带电的中性原子。不带电的中性原子也可以通过电荷交换(失去一个电子)变成带电的离子。带电离子与中性原子之间的电荷交换过程，反映了空间中某些基本的物理机制。因此，空间中带电离子和中性原子信息的测量，可用于研究人类关心的基本物理问题，比如低能量粒子如何加速至高能量粒子，太阳如何影响行星大气的形成和耗散等问题。这些问题的解决有助于人类认识和了解未知世界，也为人类各种航天活动的安全开展提供了保障。带电离子和中性原子的探测是空间探测(特别是深空探测)的必备探测项目。由于中性原子和带电离子可相互转化，对两者同时进行探测能够更精细的反映某些基本物理机制，比如美国的成像卫星(IMAGE)、欧空局的火星快车(Mars Express)上均配备有离子探测器和中性原子探测器作为独立的设备分别同时测量空间离子和中性原子。

目前，针对中性原子的测量通用的方法是：首先将中性原子电离成带电的离子，然后利用带电离子的测量方法进行测量。但是，由于中性原子和离子的测量是通过两台相互独立的单机实现，从而导致仪器的总重量和功耗较大。而在小型卫星探测平台上，要求其搭载的仪器的重量和功耗尽可能的小，以降低发射成本。因此，采用独立的两台仪器对离子和中性原子分开测量的方法就限制了在小型卫星平台上的应用。对此，开发一种装置能够同时测量离子和中性原子，共用尽可能多的探测部件来降低装置的重量和功耗，是一个重要的发展方向。

发明内容

本发明的目的在于，为了克服现有粒子探测设备无法完成对空间离子及中性原子的参数同时测量的问题，本发明提供一种用于空间离子和中性原子的同步测量装置，包括：离子偏转系统、中性原子电离偏转系统、静电分析器、飞行时间系统、电子学处理单元和装置外壳；所述的离子偏转系统用于扩大离子探测视场，并将从空间入射的离子导入静电分析器；所述的中性原子电离偏转系统用于将从空间入射的中性原子电离成带正电的离子后导入静电分析器，同时屏蔽空间入射的带电粒子；所述的静电分析器通过其施加的电压对进入该静电分析器的离子进行能量分析，筛选输出与该电压的数值对应能量的离子；所述的飞行时间系统用于产生从静电分析器输出的离子在固定飞行距离内的起始点电信号和终止点电信号；所述的电子学处理单元用于处理飞行时间系统输出的电信号，获得离子和中性原子的方向、能量、密度和成分信息；所述的装置外壳为装置提供安装平台。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的离子偏转系统包括离子前偏转板和离子后偏转板，所述的离子前偏转板为两个对称设置的剖面45°的圆弧板，所述的离子后偏转板为两个同轴设置的剖面10°的圆弧板；所述的离子前偏转板通过其施加的电压扫描90°范围内任意方向的离子入射；所述的离子后偏转板通过其施加的电压将从离子前偏转板输出的离子导入静电分析器，并通过调节该离子后偏转板上施加的电压值控制离子测量的开启与关闭。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的中性原子电离偏转系统包括：中性原子前偏转板、电离板、引出透镜和中性原子后偏转板；所述的中性原子前偏转板用于偏转屏蔽从空间入射的带电粒子，并将从空间入射的中性原子导入至电离板上；所述的电离板用于将中性原子电离成带正电的离子，并通过引出透镜导入至中性原子后偏转板内；所述的中性原子后偏转板通过其施加的电压将从引出透镜输出的离子导入静电分析器，并通过调节该中性原子后偏转板上施加的电压值控制中性原子测量的开启与关闭。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的电离板采用钛基底上镀氧化钨镀层的材质制成，目的是将从空间入射的中性原子电离。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的静电分析器包括静电分析器外半球和静电分析器内半球；所述的静电分析器外半球和静电分析器内半球之间形成供离子进行偏转运动的通道；通过在静电分析器内半球上施加阶梯扫描电压，筛选输出与该阶梯扫描电压的数值对应能量的离子。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的电离板与静电分析器内半球的下边线夹角为15°。

作为上述技术方案的进一步改进，所述离子前偏转板的对称中心线与静电分析器内半球的下边线夹角为45°。