半空间静电分析式能谱仪的设计以及高压供电的实现

摘要

静电分析式能谱仪是探测空间粒子的重要仪器之一。探测空间中的粒子，对于揭示太阳风、磁层、电离层的结构，了解其中空间物理过程的机制，以及预报灾害性空间天气事件等都具有重要的意义。现在的空间探测卫星大都是三轴稳定卫星，为获得三维空间的等离子体能谱分布，能谱仪一般都需要设计为半空间入口方式，而我国在这类半空间静电分析式能谱仪的设计和研制方面缺乏经验。本论文针对这一现状，开展了如下两大部分研究工作:
　　第一部分是完成了一种半空间静电分析式能谱仪的方案设计，并着重对静电分析仪的聚焦特性进行了理论分析和仿真模拟;第二部分是设计和研制了半空间低能离子能谱仪LEIS中的高压电源板。论文的结构安排如下:
　　第一章简要介绍了空间粒子探测的背景和意义，概述了常用的空间粒子探测方法，并对静电分析式能谱仪进行了展开介绍。
　　第二章阐述了一种半空间静电分析式能谱仪的初步方案设计，介绍了相关的设计思路，并着重对环形静电分析仪的聚焦特性进行了研究。在研究聚焦特性时，采用了Wollnik的理论和分段的思想，并借助计算机进行了编程计算，得到了环形静电分析器内球壁至旋转轴的最大距离和内球壁半径的比值L/re0与聚焦角度θ的关系曲线。同时，利用SIMION软件进行了模拟仿真，模拟仿真的结果和理论计算的结果吻合得很好，验证了理论计算的正确性。
　　第三章介绍了半空间低能离子能谱仪LEIS及其高压供电需求，设计与研制了一块高压电源板，并进行了相关的性能测试。测试结果表明:固定高压在要求范围内可调，纹波系数为0.3‰，符合MCP供电要求。三路扫描高压的实测值与理想值的最大偏差不超过5V，并且建立时间都在ms量级，基本符合设计预想。扫描高压1的纹波峰峰值小于4V，纹波系数在其扫描过程的大多数时间内能达到5％以内，意味着能谱仪能在大部分的能量范围内满足预定的能量分辨要求，扫描高压2和3的纹波峰峰值小于10V，在一定程度上会影响能谱仪的极角分辨。作为第一次的研制尝试，该高压板的性能基本符合了LEIS的需求。
　　第四章对上述工作进行了总结和展望。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 空间粒子探测的背景与意义

1．2 空间粒子探测方法

1．2．1 朗缪尔探针(Langmuir Probe)

1．2．2 法拉第杯(Faraday Cup)

1．2．3 静电分析仪(Electrostatic Analyzer)

1．2．4 飞行时间系统(Time-Of-Flight system)

1．2．5 固体探测器(Solid-State Detectors)

1．2．6 中性粒子探测器(The Neutral Particle Detector)

1．3 静电分析式能谱仪

1．3．1 球形静电分析式能谱仪

1．3．2 环形静电分析式能谱仪

1．3．3 半空间静电分析式能谱仪

1．3．4 半空间静电分析式能谱仪的另一种发展方向

1．3．5 可同时探测电子和离子的静电分析式能谱仪

1．3．6 双通道的静电分析式能谱仪

第二章 半空间静电分析式能谱仪的方案设计及聚焦特性研究

2．1 设计思路

2．2 聚焦特性的研究

2．2．1 理论介绍

2．2．2 环形静电分析仪的聚焦特性分析

2．3 拓展应用

2．4 小结

第三章 高压电源板的设计及实现

3．1 高压电源的需求

3．2 设计和实现

3．3 性能测试与结果

3．3．1 输出的高压值

3．3．2 输出扫描高压的建立时间

3．3．3 输出高压的纹波

3．4 小结

第四章 总结与展望

4．1 总结

4．2 展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

致谢