中高层大气成分温度风场探测仪

摘要

一种中高层大气成分温度风场探测仪，具有准直分离器，电离室，分析器，微通道板，阳极，电流计；准直分离器、电离室、分析器为直接连接，准直分离器的出口即为电离室的入口，电离室2的出口即为分析器的入口，分离器的出口与微通道板正面相对但空间隔离，微通道板的背面与电极正对但空间隔离，电极与电流计电连接。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种中高层大气成分温度风场探测仪，属于空间探测领域，主要应用于大气空间环境建模、中高层大气科学研究、卫星轨道预报等。 

背景技术：

中高层大气参数的探测目前主要有几种方法： 

1.中频(MF)雷达、甚高频(VHF)雷达和流星雷达 

MF雷达、甚高频雷达和流星雷达都能够测量中间层和低热层的风廓线。中频雷达可用于测量60～100km大气风场及电子密度。60-100km高度属于电离层D区和E区的下部，电子与中性大气成分之间的碰撞频率较高，电子与中性大气运动速度是一致的。利用等离子体对电磁波的反射及多普勒效应测量电子运动速度，可以得到中性大气风场。 

VHF雷达是利用清澈空气的回波来获取大气结构的信息，是当前国际上可靠的全天候地面无线电遥感测风设备。它的主要功能是测量2～30km以及60～90km的三维大气风速。 

流星雷达的技术基础是流星通过大气烧蚀产生的尾迹中含有大量的自由电子可以对垂直于尾迹传播的无线电波产生强的散射回波。流星雷达可探测中层和低热层的大气风场和温度等参数。 

2.激光雷达 

利用激光雷达回波，可获取地球上空30～110Km高度范围大气密度和温度的空间结构和时间变化。根据激光束与大气的作用机制不同，又可分为瑞利散射激光雷达、Raman散射激光雷达、共振荧光散射激光雷达、差分吸收激光雷达和多普勒激光雷达等。不同的激光雷达可以测量不同的大气参数，包括大气密度、温度、臭氧含量、大气衰减、能见度等。 

3.掩星探测 

掩星探测地球大气被认为是当前大气探测中最具有潜力的手段之一。实际运用最多的是从GPS掩星反演的地球大气弯曲场、折射场、密度场和中性大气层的气压、温度、湿度剖面，并可利用热成风和地转风的原理计算大气风场。它提供全天候的全球观测，具有垂直分辨率高、准确、稳定和探测参量多等特点。 

4.气球、火箭及临近空间飞行器 

气象火箭是高层大气直接探测的重要方法。气象火箭直接测量参数是大气温 度、大气风速和风向。利用发射前1小时发放的气球探空仪测量15Km附近高度点的气压值，由实测大气温度通过压高公式和理想气体状态方程推算20-60km的大气压力和大气密度。火箭在60km以上高空抛出降落伞—探空仪系统，702雷达从火箭发射开始跟踪探空仪，在上升段测量火箭弹道和舱内温度，下降段测量大气温度并利用降落伞的飘迹来计算高空风场。 

5.质谱计 

质谱计是用于中高层大气探测的一种常用设备，它先将中性大气电离，再按照离子的荷质比把在电磁场中运动的离子按照质量加以分类计数，既可以测量粒子成分，又可以测量分压强，在大气探测中广泛应用。 

6.大气风场探测仪 

通过探测中高层大气分子激发辐射产生的气辉特征谱线，并利用多普勒效应测量大气风场，主要利用Fabry-Perot和Michelson干涉仪进行气辉谱线的测量，在多颗卫星上获得应用。 

参考文献： 

[1]吕达仁，陈洪滨，“大气探测高技术及应用研究进展”，大气科学，2008，32(4)。 

[2]张晓芳，严卫，“中高层大气探测技术的研究进展”，气象科学，2007，27(4)。 

[3]常岐海，杨国韬，等，“武汉中层大气温度特性的激光雷达观测研究”，大气科学，2005，29(2)。 

[4]焦维新，空间探测，北京大学出版社。 

发明内容：

本发明要解决的技术问题是：提出一种搭载于低轨卫星上的在轨探测中高层大气成分、温度、风场等参量的探测器，通过一个探测器同时获取多个中高层大气重要参量，为中高层大气探测、研究及应用提供了一种强有力的手段。 

为解决上述技术问题，本发明提供一种新型的中高层大气成分温度风场探测仪，具体的技术方案如下： 

一种中高层大气成分温度风场探测仪，其特征在于：所述中高层大气成分温度风场探测仪包括： 

准直分离器，用于对入射的大气气流进行准直，并将其中的带电粒子进行偏转、只允许中性成分通过； 

电离室，用于将由准直器进入的中性大气成分进行电离，使之变成正离子并 使离子束聚焦； 

分析器，用于使带电离子在电场中垂直偏转，使不同成分的离子在不同的扫描电压下通过右侧低端的狭缝； 

微通道板，使通过狭缝的离子在微通道板中产生电子倍增，形成放大的电流信号； 

阳极，接正偏压，用于收集微通道板出射的电子电流； 

电流计，用于采集对阳极上的电子电流； 

其中，准直分离器、电离室、分析器为直接连接，准直分离器的出口即为电离室的入口，电离室2的出口即为分析器的入口，分离器的出口与微通道板正面相对但空间隔离，微通道板的背面与电极正对但空间隔离，电极与电流计电连接。 

通过如下方案中高层大气成分、温度及风场的探测： 

1)中高层大气既有中性成分又有带电粒子，首先需要将其中的带电离子过滤掉。在准直分离器中，偏转平板电极上加-160V的负偏压，准直分离器的外壳接卫星的结构地，在偏转电极与外壳之间建立电场使带电离子发生偏转，而中性成分进入下一级的能量分析器； 

2)电离室主要由阴极、反射极、加速极和水平出口狭缝组成。其作用相当于一个离子源，用于产生和加速电子，并使中性大气成分电离变成正离子； 

3)分析器用于将离子按荷质比在垂直方向进行分离，主要由平板电极和扫描电压源组成。分析器外壳接卫星结构地，扫描电源在平板电极上施加0～+5V的扫描电压，具有不同荷质比的离子在不同的扫描电压下依次从右侧下方的水平狭缝出射； 

4)从分析器出口狭缝出射的正离子进入微通道板4进行电流放大。微通道板共12道，沿水平方向平行于出口狭缝排列，用于收集在水平方向上不同入射角的离子； 

5)阳极也包含12道，分别正对12道微通道板排列，用于收集各道产生的电子电流信号。由12道阳极收集的电子电流信号进入电流计进行计数和存储； 

6)中性大气成分探测：中性大气成分电离后主要形成1价正离子，不同质量的正离子在分析器中垂直方向的偏转距离正比于扫描电压，因此，不同的离子在不同的扫描电压下从分析器的出口狭缝依次飞出，经过地面实验标定即可确定不同扫描电压下的收集离子种类，从而确定大气成分； 

7)大气温度探测：每道微通道板收集的电流信号随偏转电压的变化是各种成分离子的能谱分布，扫描电压对应于离子能量，能谱呈麦克斯韦分布，能谱展宽即为相应离子的温度； 

8)风场探测：沿水平方向布置的多道微通道板收集来自不同入射角的离子，由信号峰值所在的微通道板的位置即可确定离子的入射角，即方向，离子的方向即为中性大气风场的方向。 

本发明的有益效果在于： 

1)分析器采用锯齿波扫描电压源进行离子筛选，实现大气成分探测。扫描电压范围0～5V，扫描周期20ms，远大于离子飞越分析器的飞行时间，可以认为离子在恒定电场中飞行。不同种类离子飞出狭缝出口对应的扫描电压U及能量E_k分别为： 

$U=2\frac{d^2{v}_{\mathrm{sc}}^c}{{\mathrm{eL}}^2}m,---\left(1\right)$

$E_k\approx \frac{1}{2}{\mathrm{mv}}_{\mathrm{sc}}^2\propto U,---\left(2\right)$

在一个电压扫描周期内，不同离子飞出分析器出口狭缝所对应的扫描电压U及离子能量E_k均正比于离子质量m。其中，v_sc为卫星速度，d、L分布为极板间距及长度。 

中高层大气主要成分为H、H_e、O、N₂、O₂、A_r、CO₂等，每种成分的质量数如表1所示，设计能量分析器电极参数，使得最重的粒子(CO₂)在扫描电压最大值的80％，即U＝4/5U₀时飞出狭缝，则其它各种成分对应的扫描电压及动能值如图1所示，由此对大气成分进行鉴别。 

2)采用水平展开式微通道阵列实现温度及风场探测。图2给出了原子氧O和氮气N2的能谱等高线示意图，由能谱分布的宽度给出O、N2的温度。由峰值所对应的微通道板序数，可以得到风场方向角θ。 

附图说明：

图1为本发明所提供的中高层大气成分温度风场探测仪的示意图。 

图2为不同成分离子飞离出口狭缝的扫描电压值和能量的示意图。 

图3为离子能谱等高线及温度、风场的示意图。 

其中附图标记1，准直分离器；2，电离室；3，分析器；4，微通道板；5，阳极；6，电流计。 

具体实施方式：

现结合附图将本发明做进一步的说明。 

主要部件及功能如下： 

1，准直分离器，用于对入射的大气气流进行准直，并将其中的带电粒子进 行偏转、只允许中性成分通过；2，电离室，用于将中性大气成分进行电离，使之变成正离子并使离子束聚焦；3，分析器，使不同成分的离子在不同的扫描电压分离；4，微通道板，用于对收集的电流信号进行放大；5，阳极，接正偏压，用于收集微通道板出射的电子电流；6，电流计，用于采集对阳极上的电子电流。各部件的连接关系为： 

准直分离器1、电离室2、分析器3为直接连接，如附图1所示，准直分离器1的出口即为电离室2的入口，电离室2的出口即为分析器3的入口。分离器3的出口与微通道板4正面相对但空间隔离，微通道板4的背面与电极5正对但空间隔离，电极5与电流计6电连接。 

基本原理：当中高层大气流经过准直分离器时其中混合的带电粒子成分被偏转滤除，只有中性大气成分进入到电离室，并被电离转变为正离子和电子，同时使束流聚焦进入到分析器，然后在平行电极的扫描电压作用下具有不同荷质比的离子在不同的扫描电压下依次从右侧下方的水平狭缝出射，经过微通道板放大后形成电流信号。电流信号随着扫描电压的变化即对应于离子能谱信息，其中能谱的峰值能量、峰值宽度以及微通道板上信号的峰值位置分别对应于中性大气成分、温度以及水平风场方向。 

具体实施过程如下： 

1)探测仪安装在卫星的迎风面，使准直器的开孔暴露于迎风面、且开孔方向平行于卫星速度。 

2)中高层大气既有中性成分又有带电粒子，首先需要将其中的带电离子过滤掉。在准直分离器中，偏转平板电极8上加-160V的负偏压，准直分离器的外壳接卫星的结构地，这样在偏转电极与外壳之间便建立了电场，从准直器入口开孔进入的气流中，带电粒子在电场作用下沿垂直方向发生偏转而被过滤，中性成分则无阻碍地通过准直分离器的出口狭缝(水平方向)进入下一级。 

3)电离室主要由阴极9、反射极10、加速极11和水平出口狭缝12组成。阴极9是一个环形的钨丝，加适当的负偏压后产生自由电子。加速极11加适当的正偏压，用以加速电子，使入射的中性大气成分电离产生正离子。出口狭缝12与电离室外壳连接并接卫星的结构地，保持零电位。加速极11和出口狭缝12之间形成静电透镜，使离子加速和汇聚，然后进入下一级的分析器。反射极10配合加速极11，使阴极发射的电子汇聚，向加速极运动。 

4)分析器用于将离子按荷质比在垂直方向进行分离，主要平板电极13和扫描电压源14组成。分析器外壳接卫星结构地，平板电极13略高于电离室的水平出口狭缝12，扫描电源14在平板电极13上施加0～+5V的扫描电压，这样，在平板电极和外壳之间便建立了向下的电场，使入射的正离子在电场中发生偏转，选择适当的平板电极长度，则具有不同荷质比的离子在不同的扫描电压下依次从右侧下 方的水平狭缝出射。 

5)从分析器出口狭缝出射的正离子进入微通道板4，在微通道板中经过电离、电子倍增后形成放大的电流信号。微通道板共12道，沿水平方向平行于出口狭缝排列，用于收集在水平方向上不同入射角的离子。 

6)阳极5也包含12道，分别正对12道微通道板排列，用于收集各道产生的电子电流信号。由12道阳极收集的电子电流信号进入电流计6进行计数和存储。 

7)中性大气成分探测：中性大气成分电离后主要形成1价正离子，不同质量的正离子在分析器中垂直方向的偏转距离正比于扫描电压，因此，不同的离子在不同的扫描电压下从分析器的出口狭缝依次飞出，经过地面实验标定即可确定不同扫描电压下的收集离子种类，从而确定大气成分。 

8)大气温度探测：每道微通道板收集的电流信号随偏转电压的变化是各种成分离子的能谱分布，扫描电压对应于离子能量，能谱呈麦克斯韦分布，能谱展宽即为相应离子的温度。 

9)风场探测：沿水平方向布置的多道微通道板收集来自不同入射角的离子，由信号峰值所在的微通道板的位置即可确定离子的入射角，即方向，离子的方向即为中性大气风场的方向。