探頭結構及具有其的全向探測器的製作方法

2023-08-03 03:22:36

本發明屬於空間環境與效應測量技術領域，具體涉及到一種實現空間電子和充電電位全向探測的探頭結構和探測器。

背景技術：

近地軌道帶電粒子輻射主要來源於地球輻射帶、太陽宇宙射線、銀河宇宙射線，其主要成分是電子、質子及少量重離子。

衛星帶電效應又稱充放電效應，是指衛星與空間等離子體和高能電子等環境相互作用而發生的靜電電荷積累及洩放過程，分為表面充放電效應和內帶電效應。表面充放電效應是指衛星與空間環境相互作用下，電荷在衛星表面材料中積累和洩放的過程。內帶電是指空間高能帶電粒子穿過衛星蒙皮、結構、設備外殼，在星內的電介質或未接地的金屬內部輸運並沉積從而建立電場的過程。

太空飛行器對高能帶電粒子穿過衛星結構後將發生能量和通量的衰減。因此，通過一定厚度的金屬層，可以實現對一定能量範圍內重離子(包括質子)的屏蔽，而電子由於衰減相對較小，而仍可以穿透。

雖然通常認為空間帶電粒子為各向同性，然而，由於太陽活動的調製以及太空飛行器結構的影響，在空間或者在太空飛行器內部，帶電粒子，尤其是電子，是各向異性的。

在空間中，對於空間電子的探測是非常重要的，空間電子的探測主要是利用各種探測器，如半導體探測器，利用多層探測器的疊加，實現對不同能 量的分段探測。

同時，由於通常認為空間帶電粒子為各向同性，尚未開展各向異性的探測。國內關於資源一號衛星的粒子探測，也只是從利用三個探測器，在單一平面內，實現了180範圍內的探測。具體參見賈向紅，鄒鴻，許峰，等.中能電子成像儀探頭的設計.強雷射與粒子束.2015,27(1)：李保權，B.WILKEN，宗秋剛.能量粒子成像譜儀.2005-中國空間科學學會空間探測專業委員會第十八次學術會議。

然而，在空間環境中，對於空間電子和充電電位進行360度的全向探測是非常重要的，180度的測量已經難以滿足技術發展的需求，這正是本發明提出的現實動機所在。同時，本發明也能有效的實現360度範圍內電子帶來的太空飛行器表面充電和內帶電的風險評估。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種實現空間電子和充電電位全向探測的探頭結構，該探頭結構利用金屬材料對重離子的高效屏蔽，對中子、伽馬射線等的高效穿透，對電子的有限屏蔽的機理，從三維方向，通過結構設計和厚度優化設計，用於實現360度範圍對電子和充電電位進行探測。

本發明的另一目的是提供了一種具有上述探頭結構的探測器，該探測器能夠方便地設置在太空飛行器內和太空飛行器外，實現360度範圍對電子和充電電位進行探測。

本發明是通過如下技術方案實現的：

一種實現空間電子和充電電位全向探測的探頭結構，包括金屬屏蔽外殼，屏蔽外殼上方蓋設有屏蔽蓋體，蓋體中央開設有開口，開口下方到殼體底部之間依次間隔設置四個以上的金屬薄層，金屬薄層之間通過絕緣材料孤立地保持固定，金屬薄層的厚度以及之間的距離根據需要屏蔽的電子能量來決定。

其中，金屬薄層為Al、Cu等低原子序數的金屬材料。其中，金屬薄層的厚度為0.001～1mm。

其中，金屬薄層之間的距離為0.1～10cm。

具有上述探頭結構的探測器，包括球體支撐和其上布置的14個探頭結構，其中，以球心為坐標系原點，分別建立互相垂直的三維坐標系，坐標軸表示為x，y，z，14個探測器分別在(x，0，0)、(-x，0，0)、(0，y，0)、(0，-y，0)、(0，0，z)、(0，0，-z)共6個坐標軸與球面的交點位置，(x，y，z)、(x，y，-z)、(-x，y，z)、(-x，y，-z)、(x，-y，z)、(x，-y，-z)、(-x，-y，z)、(-x，-y，-z)共8個坐標軸與球面的交點位置進行布置，探測器的方向垂直於球面方向。

相對於現有技術，本發明的全向探測器能夠實現了在三維空間內360度方向布置探頭，可有效實現對空間電子的探測，並可根據特定厚度金屬層的電位，分析得到表面充放電效應和內帶電效應的風險。

附圖說明

圖1為本發明的實現空間電子和充電電位全向探測的單個探頭結構的結構示意圖，圖中，1、2、3、4均為金屬薄層，厚度根據需要屏蔽的電子能量來決定，各個金屬薄層用絕緣材料固定，保持孤立。5為探測器的外殼，用金屬作為屏蔽結構，排除其他電子和重離子等的影響。

圖2為本發明的一實施方式的具有單個探頭結構的全向探測器的結構示意圖。

圖3為本發明的全向探測器在太空飛行器外進行探測的狀態示意圖。

圖4為本發明的全向探測器在太空飛行器內進行探測的狀態示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具有單個探頭結構的全向探測器進行進一步 說明，該說明僅僅是示例性的，並不旨在限制本發明的保護範圍。

參見圖1，圖1為空間電子和充電電位全向探測的單個探頭結構的結構示意圖。在該圖中，1、2、3、4均為金屬薄層。其中，金屬薄層1厚度較薄，其目的是實現對太陽光的遮擋和對質子和重離子的遮擋，厚度由擬屏蔽的質子和重離子的能量決定；金屬薄層2、3、4等是為了實現對不同能量的電子進行探測，並獲得不同能量電子在金屬層中沉積的數量和充電電位，厚度根據需要屏蔽的電子能量來決定，各個金屬薄層用絕緣材料固定，保持孤立。5為探測器的外殼，用金屬作為屏蔽結構，排除其他電子和重離子等的影響。當將探測器放置在艙內時，由於太空飛行器艙壁對絕大多數的質子和重離子已經有效屏蔽，金屬薄層1可用於探測電子，需要採用絕緣材料將其孤立。

由於電子在穿透金屬薄層的過程中將損失能量，隨著金屬層厚度的增加，其能夠阻止的電子能量越來越高，因此，沉積在不同金屬中的電子的能量分別處於不同的能量範圍。假設金屬層1、金屬層2、金屬層3、金屬層4，能夠阻擋到電子能量分別為E1、E2、E3和E4，則滿足E1<E2<E3<E4。如果金屬薄層的層數最多為n層，則滿足，E1<E2<E3<E4<….<En。由於各層均為孤立層，因此，當一定能量電子沉積在金屬層後，將引起電荷量的增加，電位的升高。通過測量不同金屬層的電位，結合金屬層的厚度，可以分析得到沉積的電子能量、通量，也就可以進一步分析得到表面充電電位或者內帶電的電位。

圖2為全向探測器各個探頭的布置方位圖。探測器設計為圓球型或者類圓球的多面體型，以中心為坐標系原點(0,0,0)，分別建立互相垂直的三維坐標系，坐標軸表示為x、y、z，14個探測器分別在(x，0，0)、(-x，0，0)、(0，y，0)、(0，-y，0)、(0，0，z)、(0，0，-z)共6個坐標軸與球面的交點位置，(x，y，z)、(x，y，-z)、(-x，y，z)、(-x，y，-z)、(x，-y，z)、(x，-y，-z)、(-x，-y，z)、(-x，-y，-z)共8個坐標軸與球面的交點位置進行布置，探測器的方向垂直於球 面方向。

具體實施方式為：

1)搭建一球形或類球形多面體形狀的探測器，以探測器中心為坐標原點，分別在(x，0，0)、(-x，0，0)、(0，y，0)、(0，-y，0)、(0，0，z)、(0，0，-z)共6個坐標軸與球面的交點位置，(x，y，z)、(x，y，-z)、(-x，y，z)、(-x，y，-z)、(x，-y，z)、(x，-y，-z)、(-x，-y，z)、(-x，-y，-z)共8個坐標軸與球面的交點位置上布置探測器探頭。探頭垂直與球面，開頭短向外。

2)每個探測器探頭由3層以上的金屬薄層組成。當放置在太空飛行器艙外時，最外層添加一層遮擋太陽光或高能質子/重離子的金屬薄層。每一金屬薄層均用絕緣材料孤立。在探測過程中，分別測量每層的充電電位。由每層金屬薄層的厚度和所測量的電位，分析電子的能量和發生表面充放電效應和內帶電效應的風險。

3)當放置在太空飛行器艙內時，利用具有一定長度的絕緣支撐杆，將探測器懸浮在太空飛行器艙內，參見圖3。

4)當放置在太空飛行器艙外時，利用具有一定長度的絕緣杆，將探測器懸浮在太空飛行器艙外，並確保太空飛行器等不會對探測器產生遮擋效應，參見圖4。

儘管上文對本發明的具體實施方式給予了詳細描述和說明，但是應該指明的是，我們可以依據本發明的構想對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應在本發明的保護範圍之內。