质谱-能谱一体化高层中性大气探测装置

摘要

本发明公开了一种基于能谱分析仪的质谱‑能谱一体化高层中性大气探测装置，包括准直区、电离区、离子开关、加速电极、静电分析器、离子接收器、信号处理模块和控制系统，电离区用于使来自准直区的中性气体分子/原子束流转换为离子束流；离子束流进入加速区并进入静电分析器；再经过电压差作用偏转后进入离子接收器，信号输出至信号处理模块，从而实现两种工作模式，即能谱分析模式和质谱分析模式。本发明的探测装置能在能谱分析模式下获得中性大气速度和温度，质谱分析模式下可鉴别中性大气中各分子原子类型及其数密度。

说明书

技术领域

本发明属于航天技术空间环境探测技术领域，具体而言，本发明涉及一种基于能谱分析仪的质谱-能谱一体化高层中性大气探测装置。

背景技术

中高层大气(90km-2500km)受多种因素共同影响，变化十分复杂，目前对其机理尚未完全掌握。在此背景下，尽管国际上对大气密度模型的研究已经发展了50余年，但模型精度始终没有本质性的提高。公开发布的模型平均偏差始终徘徊在15％～20％附近，尤其是太阳地磁活动扰动期间，模型的偏差甚至达到100％以上。目前，我国仍沿用国外十几年前的大气密度模型，虽然我国也开展了大气密度成分就位探测，但由于各种原因，现有大气密度探测数据严重不足，难以满足航天器定轨预报、导弹飞行阻尼确定和临近空间飞行武器运动状态确定的精度要求。因此，需要研制高层中性大气探测装置，获取包括大气密度、成分、温度、来流速度等多参量高动态探测数据，服务于航天工程。

现有高层中性大气星载原位探测手段有压力计、质谱计、风场探测仪等。

压力计[孙丽琳，秦国泰，贺爱卿，李宏，"神舟三号"大气密度探测器、大气成分探测器地面校准系统,中国空间科学学会空间探测专业委员会第十五次学术会议,2002]基于热阴极电离规，其原理为：用电离法将入射的方向性分子流电离，通过测量入射口的直径和离子流的大小求出分子流强度，确定大气密度数据。该方法只能测量大气密度，无法获得大气的成分、温度、来流速度等，且大气密度为反演数据，其精度取决于所取参数值的精度，因而误差较大。

而质谱计包括四极质谱计[秦国泰,邱时彦,贺爱卿等。神舟2号大气密度探测器的探测结果(I)日照和阴影区域热层大气密度变化。空间科学学报，vol.22(2)，2002]和磁偏转质谱计[1郭美如,张伟文,李得天,等。空间小型磁偏转质谱计的研制.真空科学与技术学报.35(4),2015；2李得天,郭美如,肖玉华,赵以德,王亮,岳瑞,郭文瑾。一种小型磁偏转质谱计，CN201010186029.5]。但无论哪种质谱计，均只能用于测量大气成分和密度，无法获得大气的温度和来流速度等信息。

此外，现有技术中存在一种风场探测仪[黄建国,姜利祥,刘国青,焦子龙,张超,朱云飞.中高层大气成分温度风场探测仪.CN201410659670.4]。例如该专利中描述了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。该探测仪能够测量大气的成分、温度和风场，但无法测量大气的密度，且成分的分辨率较低。基于此，提供一种能够进行原位探测并获得密度、成分、温度、来流速度等多参数的探测装置十分必要。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于能谱分析仪的质谱-能谱一体化高层中性大气探测装置，该装置能够对中性大气进行原位探测并获得其密度、成分、温度、来流速度等参数。

本发明采用了如下的技术方案：

基于能谱分析仪的质谱-能谱一体化高层中性大气探测装置，包括准直区、电离区、离子开关、加速电极、静电分析器、离子接收器、信号处理模块和控制系统，用于阻挡轨道大气离子并仅使轨道大气中性气体分子/原子通过的准直区，由两块具有一定间距的平行金属板构成，两块金属板之间存在电压差；电离区用于使来自准直区的中性气体分子/原子束流转换为离子束流；离子开关区用于控制来自电离区的离子束流能否进入随后的加速电极形成的加速区，离子开关区由两块具有一定间距的平行金属板构成，两块金属板之间存在电压差；加速电极用于提高离子束流中的离子能量，其结构上为具有一定间距的平行金属板，金属板存在电压差，两块金属板中心均有圆孔或狭缝，且为同心结构，离子束流通过进入静电分析器；静电分析器为半圆柱盒式结构，结构上下两部分之间存在电压差，离子束流经过电压差作用偏转后进入离子接收器，然后离子接收器信号输出至信号处理模块，信号处理模块与控制系统相连，控制系统分别给各电子部件供电并控制相关的各区的电压差，从而实现两种工作模式，即能谱分析模式和质谱分析模式。

其中，控制系统实现两种工作模式的设置和切换。

其中，离子接收器为现有的微通道板或电子倍增器。

其中，准直区出口与电离区入口、电离区出口、离子开关区入口、离子开关区出口、加速电极入口、加速电极出口、静电分析器入口处于同一轴线上。

其中，能谱分析模式下，控制系统为准直区、电离区、静电分析器、离子接收器、信号处理模块提供电压，而离子开关区和加速电极不提供电压，其不工作。

进一步地，能谱分析模式下，控制系统控制静电分析器的分析电压设置为等长时间段内增加等量电压的阶梯形状波形，阶梯数目为任意数，其中离子接收器将离子流转换为电流信号，并由信号处理模块分析。

其中，质谱分析模式下，控制系统首先为准直区、电离区、加速电极、静电分析器、离子接收器、信号处理模块提供电压，而后在T0时刻，为离子开关区提供电压，使其加电工作；在T0+nT时刻，离子接收器接收不同中性大气成分对应的离子流，并转换为电流信号，被信号处理模块分析处理,n为自然数。

进一步地，电离区包括离子源、腔体；其中离子源在腔体一侧，离子源出口在腔体上设有对应入口，离子源由控制系统供电并控制。

与现有技术相比，本发明的基于能谱分析仪的质谱-能谱一体化高层中性大气探测装置能够同时实现两种分析模式，即能谱分析模式和质谱分析模式，能谱分析模式下可获得中性大气中氧原子的能谱，根据能谱峰值可得到中性大气速度和温度。质谱分析模式下可鉴别中性大气中氢原子、氦原子、氮原子、氧原子、氮分子、氧分子、氩原子及其数密度，具有优异的综合探测效果。

附图说明

图1为本发明的基于能谱分析仪的质谱-能谱一体化高层中性大气探测装置的结构示意图；

图2为本发明的探测装置在能谱分析模式下的静电分析区的电压控制图。

图3为本发明的质谱-能谱一体化高层中性大气探测装置的质谱工作离子积分谱及微分谱模式结果。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

参照图1，图1为本发明的基于能谱分析仪的质谱-能谱一体化高层中性大气探测装置的结构示意图；其中，基于能谱分析仪的质谱-能谱一体化高层中性大气探测装置的结构示意图由准直区、电离区、离子开关、加速电极、静电分析器、离子接收器、信号处理模块和控制系统组成，具体如下：

准直区的功能为阻挡轨道大气离子，仅使轨道大气中性气体分子/原子通过。准直区结构上为两块具有一定间距的水平平行金属板。其材质为铜，也可以是其他导电性优异的材料。两块金属板存在电压差。电压由控制系统提供并设置。例如，两块平行金属板中，上板接地，下板电压为-10V。

电离区用于使中性气体分子/原子束流转换为离子束流。电离区包括离子源、电离腔体。电离区离子源由控制系统供电、控制。离子源可采用现有热阴极或冷阴极离子源。

离子开关区用于控制离子束流能否进入后面的加速区。离子开关区结构上为两块具有一定间距的水平平行金属板，其材质为铜，或者是导电性优异的其他材料。两块金属板存在电压差。电压由控制系统提供并设置。例如，两块平行金属板中，上板接地，下板电压为+10V。

加速电极用于提高离子束流中离子能量。其结构上为具有一定间距的垂直平行金属板，其材质为铜，或者是其他导电性优异的材料。两块金属板中心均有圆孔或狭缝，且为同心结构，离子束流可通过。金属板存在电压差。电压由控制系统提供并设置。例如，前板电压为+1000V，后板接地。

静电分析器整体形状为半圆柱盒式。该半圆柱盒上半部分为半圆形盖及围绕的圆柱形板组合体，该半圆柱盒下半部分为半圆形底及长方体形组合体。上下两部分之间存在电压差。电压由控制系统提供并设置。例如，上半部分接地，下半部分电压设置为-10V–0V步进变化。

离子接收器为现有的微通道板或电子倍增器。离子接收器信号输出至信号处理模块。信号处理模块与控制系统相连。

准直区出口与电离区入口、电离区出口、离子开关区入口、离子开关区出口、加速电极入口、加速电极出口、静电分析器入口处于同一轴线上。

探测装置有两种工作模式：能谱分析模式和质谱分析模式。控制系统可实现探测装置两种工作模式的设置和切换。

能谱分析模式下，控制系统为准直区、电离区、静电分析器、离子接收器、信号处理模块提供电压，而离子开关区和加速电极不提供电压，其不工作。控制系统控制静电分析器平行金属板电压差为图2所示阶梯形状波形，阶梯数目任意。离子接收器将离子流转换为电流信号，并由信号处理模块分析。

能谱分布反演大气风速和温度的原理如下。轨道大气认为其速度符合麦克斯韦分布，扫描得到的中性大气分子动能分布也符合正态分布，其峰值为：

因此，由测量得到的能量分布峰值E_p可计算大气来流速度V。

此外，大气温度与1/e处的峰宽ΔE的关系为：

由此可计算得到大气温度T。

质谱分析模式下，控制系统首先为准直区、电离区、加速电极、静电分析器、离子接收器、信号处理模块提供电压。而后在T0时刻，为离子开关区提供电压，使其加电工作。离子接收器接收不同中性大气成分对应的离子流，并转换为电流信号，被信号处理模块分析处理。

不同离子在飞行距离为L距离的时间与离子质量数的平方根成正比。信号处理模块分析处理得到的离子积分谱和微分谱如图3所示。大气中不同成分具有不同质量，因此根据不同时刻的峰值可获得大气成分信息。图中显示了N、O、Ar三种原子。而相应成分谱峰的面积对应该成分的密度，即：

n＝K·S

其中，n为某成分的数密度，S为谱峰面积，K为地面标定试验获得的系数。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。