[發(fā)明專利]一種原位測(cè)量軌道中性氣體粒子速度的探測(cè)器及探測(cè)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011202875.1
• 申請(qǐng)日: 2020-11-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112526585A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李永平;李佳;王馨悅;王玉潔;鄭曉亮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心
• 主分類號(hào): G01T5/00
• 分類號(hào): G01T5/00;G01T5/02
• 代理公司: 北京方安思達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11472
• 代理人: 陳琳琳;楊青

1.一種原位測(cè)量軌道中性氣體粒子速度的探測(cè)器，其特征在于，其包括彼此連接的傳感器和信號(hào)處理電路；

所述傳感器，用于對(duì)軌道中性氣體粒子進(jìn)行無(wú)速度損失電離，獲取不同調(diào)制電壓下所通過(guò)的離子數(shù)量；

所述信號(hào)處理電路，用于對(duì)當(dāng)前調(diào)制電壓下的離子信號(hào)進(jìn)行電壓放大，獲得對(duì)應(yīng)的多個(gè)電壓信號(hào)，并基于得到的多個(gè)電壓信號(hào)進(jìn)行制圖，得到當(dāng)前調(diào)制電壓下的離子的調(diào)制能量圖，從而獲得離子速度，進(jìn)而得到軌道中性氣體粒子速度。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原位測(cè)量軌道中性氣體粒子速度的探測(cè)器，其特征在于，所述傳感器包括：開(kāi)源離子源、能量分析器和檢測(cè)器；

所述開(kāi)源離子源，用于采用垂直入射式電子轟擊，對(duì)軌道中性氣體粒子進(jìn)行無(wú)速度損失電離，同時(shí)，通過(guò)對(duì)開(kāi)源離子源設(shè)置電場(chǎng)，將電離后的離子沿著原有的運(yùn)動(dòng)軌跡輸入能量分析器；

所述能量分析器，用于根據(jù)測(cè)得的電離后離子的動(dòng)能，施加對(duì)應(yīng)能段的調(diào)制電壓，將高于該能段的調(diào)制電壓的離子發(fā)射至檢測(cè)器；

所述檢測(cè)器，用于檢測(cè)經(jīng)能量分析器射出的離子，獲得不同調(diào)制電壓下所通過(guò)的離子數(shù)量。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的原位測(cè)量軌道中性氣體粒子速度的探測(cè)器，其特征在于，所述信號(hào)處理電路包括：調(diào)制電壓發(fā)生器、電極電壓產(chǎn)生器、離子源控制電路、微弱信號(hào)放大器、圖像處理器和電源電路；

所述調(diào)制電壓發(fā)生器，用于分時(shí)產(chǎn)生不同能段的調(diào)制電壓，并將不同能段的調(diào)制電壓提供至能量分析器，對(duì)電離后的離子的動(dòng)能進(jìn)行調(diào)制；

所述微弱信號(hào)放大器，用于對(duì)檢測(cè)器中獲得的當(dāng)前調(diào)制電壓下所通過(guò)的離子進(jìn)行電壓放大，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)；

所述圖像處理器，用于根據(jù)建立的離子動(dòng)能與速度的函數(shù)關(guān)系，利用獲得的當(dāng)前調(diào)制電壓下所通過(guò)的多個(gè)離子對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，繪制當(dāng)前調(diào)制電壓下的離子的調(diào)制能量圖，從而獲得離子速度，進(jìn)而得到軌道中性氣體粒子速度；

所述離子源控制電路，用于控制開(kāi)源離子源，使其發(fā)射出恒定的垂直入射式電子；

所述電極電壓產(chǎn)生器，用于產(chǎn)生傳感器中的各部件工作所需的各路電壓，并提供給傳感器中的各部件，保證其正常工作；

所述電源電路，用于將航天器的一次電源轉(zhuǎn)換成二次電源，為探測(cè)器提供正常工作的電源。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的原位測(cè)量軌道中性氣體粒子速度的探測(cè)器，其特征在于，所述圖像處理器，用于根據(jù)建立的離子動(dòng)能與調(diào)制能量的函數(shù)關(guān)系，利用獲得的當(dāng)前調(diào)制電壓下所通過(guò)的多個(gè)離子對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，繪制當(dāng)前調(diào)制電壓下的離子的調(diào)制能量圖，從而獲得離子速度，進(jìn)而得到軌道中性氣體粒子速度；其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

建立離子動(dòng)能與調(diào)制能量的函數(shù)關(guān)系：

其中，e為離子電荷量；U為調(diào)制電壓發(fā)生器產(chǎn)生的電場(chǎng)電壓；m為離子的質(zhì)量；v為離子的速度；

根據(jù)上式，在能量分析器中，根據(jù)每個(gè)離子的速度，計(jì)算對(duì)應(yīng)的動(dòng)能，調(diào)制電壓發(fā)生器根據(jù)每個(gè)離子的動(dòng)能，分時(shí)產(chǎn)生不同能段的調(diào)制電壓，通過(guò)逐步改變不同能段下的調(diào)制電壓，根據(jù)每個(gè)能段下，高于當(dāng)前調(diào)制電壓下所通過(guò)的多個(gè)離子對(duì)應(yīng)的離子動(dòng)能，繪制當(dāng)前調(diào)制電壓下的離子動(dòng)能對(duì)應(yīng)的掃描圖像，作為當(dāng)前調(diào)制電壓下的離子的調(diào)制能量圖；

根據(jù)當(dāng)前的調(diào)制電壓、離子的電荷量和離子種類，反演出當(dāng)前調(diào)制電壓下的離子的速度；

基于對(duì)軌道中性氣體粒子進(jìn)行無(wú)速度損失電離，則當(dāng)前調(diào)制電壓下的離子的速度等于該軌道中性氣體粒子的速度。

5.一種原位測(cè)量軌道中性氣體粒子速度的探測(cè)方法，其特征在于，該方法基于上述權(quán)利要求1-4中任一所述的原位測(cè)量軌道中性氣體粒子速度的探測(cè)器實(shí)現(xiàn)，該方法包括：

傳感器對(duì)軌道中性氣體粒子進(jìn)行無(wú)速度損失電離，獲取不同調(diào)制電壓下所通過(guò)的離子數(shù)量；

信號(hào)處理電路將當(dāng)前調(diào)制電壓下的每個(gè)離子信號(hào)進(jìn)行電壓放大，獲得對(duì)應(yīng)的多個(gè)電壓信號(hào)，并基于得到的多個(gè)電壓信號(hào)進(jìn)行制圖，得到當(dāng)前調(diào)制電壓下的離子的調(diào)制能量圖，從而獲得離子速度，進(jìn)而得到軌道中性氣體粒子速度。