一种多镜面反射飞行时间探测装置

1.本发明属于空间物理、空间环境探测技术领域，具体涉及一种用于空间热离子高质谱分辨测量的多镜面反射飞行时间探测装置。


背景技术：

2.目前，地球空间、行星际以及太阳系其他行星空间到处都存在带电的热离子。这些热离子是空间中主要的环境要素之一，热离子可以与在轨航天器相互作用，引起充放电等各种空间环境效应。对热离子的质谱探测可用于研究人类关心的基本物理问题，比如热离子如何加速，行星空间大气与电离层形成与演化规律，行星磁层热离子的传导与逃逸过程，太阳如何影响行星大气的形成和耗散等问题。这些问题的解决有助于人类认识和了解未知世界，也为人类各种航天活动的安全开展提供了保障。空间热离子质谱探测是空间环境探测的必备探测项目，比如欧空局cluster卫星、美国stereo卫星、欧空局的火星快车(mars express)、美国maven上均配备有热离子质谱的探测。
3.目前，针对空间热离子质谱测量通用的方法是：采用飞行时间方法，通过测量已知热离子在特定飞行时间系统中的飞行时间和飞行距离，不同质量的离子具有不同的飞行时间，进而可得到离子的质量信息，是空间热离子质谱分辨测量的主要方法。通常，质谱分辨率受到飞行时间的影响，飞行时间越长，质谱分辨率也就越高。但是，热离子质谱探测的飞行时间系统尺寸受到卫星平台的限制，热离子在飞行时间系统内部往往只能做一次直线或者抛物线飞行，飞行时间较短，难以获得高质谱分辨率的飞行时间谱。而在小型卫星探测平台上，特别是面向深空探测的卫星平台上，要求其搭载的仪器的重量和功耗尽可能的小，以降低发射成本。因此，采用这种直线或抛物线飞行路径的飞行时间方法就限制了其在小型卫星平台与深空探测器上的应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，为解决现有的方法存在的上述缺陷，本发明提出了一种用于空间热离子高质谱分辨测量的多镜面反射飞行时间探测装置，解决了当前空间热离子质谱探测仪器现有尺寸条件下无法实现高质谱分辨率的问题，特别是一种静电反射镜装置，可以在特定空间内对离子进行多次反射，实现离子飞行距离和飞行时间的加倍，在提高质谱分辨能力的同时，也大大降低了设备的重量，提升了空间热离子质谱探测仪器的小型化水平，拓展了空间热离子质谱探测仪器的应用领域。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
6.一种多镜面反射飞行时间探测装置，所述飞行时间探测装置包括：漂移管，所述漂移管的同侧呈轴对称设置漂移管入口和漂移管出口，漂移管入口外设置起始门控和离子聚焦透镜；漂移管出口外设置终止探测器；
7.所述漂移管内设置n个静电反射装置，n个静电反射装置中，前一个静电反射装置的离子反射出入口与后一个静电反射装置的离子反射出入口相对应，且第一个静电反射装
置的离子反射出入口对应漂移管入口，第n个静电反射装置的离子反射出入口对应漂移管出口。
8.优选地，所述漂移管内设置9个静电反射装置，具体为：
9.所述漂移管入口正对设置第一静电反射装置，所述漂移管出口正对设置第九静电反射装置，漂移管底部中心设置第五静电反射装置；漂移管的管壁上下呈对称设置三对静电反射装置，三对静电反射装置中，第八静电反射装置与第二静电反射装置呈上下对应，第三静电反射装置与第七静电反射装置呈上下对应，第六静电反射装置与第四静电反射装置呈上下对应。
10.优选地，所述静电反射装置包括圆柱形外壳、离子反射出入口、静电反射片和金属屏蔽栅网；圆柱形外壳的顶面上设置环形的离子反射出入口，圆柱形外壳内设置圆盘状静电反射片，静电反射片上方设置金属屏蔽栅网。
11.优选地，所述漂移管为柱形空腔结构，漂移管入口和漂移管出口均为圆柱形凸起。
12.优选地，所述起始门控包括环形电极和一金属栅网；金属栅网紧贴环形电极的一端面，环形电极另一端面正对离子聚焦透镜端面；
13.所述离子聚焦透镜包括两个同轴环形金属电极；
14.起始门控和离子聚焦透镜的中心环形通道为离子飞行入射通道。
15.优选地，所述终止探测器外罩终止探测器屏蔽罩。
16.本发明提出了一种用于空间热离子高质谱分辨测量的多镜面反射飞行时间探测装置，解决空间环境探测中由于飞行时间系统尺寸有限造成的热离子质谱分辨率不够高的技术问题。
17.该多镜面反射飞行时间装置包括：起始门控、离子聚焦透镜、漂移管、静电反射装置、终止探测器。起始门控作为热离子入射口，记录离子起始信号，离子聚焦透镜对离子的轨迹起到聚焦作用，其后端正对漂移管入口；漂移管除入口和出口凸起结构之外为柱形结构，静电反射装置置于漂移管内部；漂移管出口处正对终止探测器，用于记录离子终止信号。
18.作为上述技术方案的改进之一，所述起始门控包括环形电极和一金属栅网；金属栅网紧贴环形电极的端面，环形电极另一端正对离子聚焦透镜端面；起始门控可加高电压，中心环形通道为离子飞行入射通道，离子穿过金属栅网时记录飞行时间起始信号；
19.作为上述技术方案的改进之一，所述离子聚焦透镜包括两个同轴环形金属电极，可加高电压用于对离子运动轨迹进行调制、聚焦；经过聚焦的离子经过一环形入口后进入漂移管；
20.作为上述技术方案的改进之一，所述漂移管和静电反射装置采用一体化设计；包括漂移管入口的静电反射装置、漂移管柱形内壁上的静电反射装置、漂移管末端的静电反射装置和漂移管出口的静电反射装置；
21.漂移管入口的静电反射装置为圆柱状结构；朝向离子聚焦透镜方向有一环形开口，作为离子入射和出射窗口，柱形内部有一圆盘状静电反射片，可加高压用于反射入射离子；静电反射片上方有一金属屏蔽栅网。
22.漂移管柱形内壁上的静电反射装置均为两两对称安装，用于漂移管内部离子的多次反射；
23.漂移管柱形内壁上的静电反射装置、漂移管末端的静电反射装置和漂移管出口的静电反射装置除朝向不同之外，内部结构相同，均包括圆柱形外壳、离子反射出入口、静电反射片和金属屏蔽栅网等；
24.作为上述技术方案的改进之一，所述漂移管出口处圆柱形凸起正对终止探测器；
25.作为上述技术方案的改进之一，所述终止探测器为圆形结构，可加高压，使得离子出射后沿着入射反方向垂直达到终止探测器上，产生飞行时间终止信号；
26.本发明克服了当前空间热离子质谱探测仪器现有尺寸条件下无法实现高质谱分辨率的问题；利用起始门控实现对离子进入飞行时间系统的起始时间的精确记录；利用离子聚焦透镜的电压设置调整离子的运动轨迹，使得离子具有更好的聚焦特性，提高探测效率；利用若干个静电反射装置，实现离子在漂移管内部的多次镜面反射，将离子飞行时间多次倍增，大幅提高飞行时间系统的质谱分辨率；利用终止探测器实现对离子终止信号的记录，获得离子完整的飞行时间谱。
27.本发明相比于现有技术的有益效果在于：
28.本发明将静电反射装置与漂移管进行充分的集成，在现有传感器尺寸下实现热离子飞行时间的多次加倍，可大大提高热离子质谱探测仪器的质谱分辨率，减小了仪器的重量，在资源紧张的空间探测领域特别是深空探测领域有着广泛的应用需求。
附图说明
29.图1是本发明的多镜面反射飞行时间探测装置的剖面结构示意图；
30.图2是本发明的静电反射装置剖面结构示意图。
31.附图标记：
32.1、起始门控
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
2、离子飞行通道
33.3、离子聚焦透镜
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
4、离子聚焦透镜
34.5、漂移管
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
6、第一静电反射装置
35.7、第二静电反射装置
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
8、第三静电反射装置
36.9、第四静电反射装置
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
10、第五静电反射装置
37.11、第六静电反射装置
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
12、第七静电反射装置
38.13、第八静电反射装置
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
14、第九静电反射装置
39.15、终止探测器
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
16、终止探测器屏蔽罩
40.17、静电反射片
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
18、外壳
41.19、金属屏蔽栅网
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
20、离子反射出入口。
具体实施方式
42.下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
43.实施例1
44.如图1所示，一种多镜面反射飞行时间探测装置，所述飞行时间探测装置包括：漂移管5，所述漂移管5的同侧呈轴对称设置漂移管入口和漂移管出口，漂移管入口外设置起始门控1和离子聚焦透镜3和4；漂移管出口外设置终止探测器15；所述漂移管为柱形空腔结构，漂移管入口和漂移管出口均为圆柱形凸起；所述起始门控包括环形电极和一金属栅网；
金属栅网紧贴环形电极的一端面，环形电极另一端面正对离子聚焦透镜端面；所述离子聚焦透镜包括两个同轴环形金属电极；起始门控和离子聚焦透镜的中心环形通道为离子飞行入射通道2；所述终止探测器15外罩终止探测器屏蔽罩16；
45.如图2所示，所述漂移管5内设置9个静电反射装置，具体为：
46.所述漂移管入口正对设置第一静电反射装置6，所述漂移管出口正对设置第九静电反射装置14，漂移管底部中心设置第五静电反射装置10；漂移管5的管壁上下呈对称设置三对静电反射装置，三对静电反射装置中，第八静电反射装置13与第二静电反射装置7呈上下对应，第三静电反射装置8与第七静电反射装置12呈上下对应，第六静电反射装置11与第四静电反射装置9呈上下对应。
47.所述静电反射装置包括圆柱形外壳18、离子反射出入口20、静电反射片17和金属屏蔽栅网19；圆柱形外壳18的顶面上设置环形的离子反射出入口20，圆柱形外壳18内设置圆盘状静电反射片17，静电反射片上方设置金属屏蔽栅网19。
48.所述起始门控1的中心环形通道为离子飞行入射通道2，金属栅网紧贴环形电极外表面，起始门控和金属栅网加负电压，将带正电荷的热离子吸引进飞行时间系统；门控带一定幅度的正电压时，带正电的热离子被阻挡在起始门控外，无法进入飞行时间系统；门控电压采用快速扫描的工作方式，快速切换开门(门控加负电压)和关门(门控加正电压)状态时，记录离子进入飞行时间的起始信号；
49.所述离子聚焦透镜，用于对进入门控的热离子轨迹进行进一步的调制，并将高聚焦特性的离子束流引入后端的漂移管；
50.所述离子聚焦透镜包括两个环形电极，离子聚焦透镜3和离子聚焦透镜4均为同轴圆环，且与门控同轴，通过对二者的电压配置，对热离子进行轨迹调制，使得热离子具有更好的聚焦特性；
51.所述漂移管5主体部分为一圆柱形空腔，漂移管入口为一柱形圆环，与门控、聚焦透镜同轴，漂移管出口为一柱形圆环，入口和出口关于漂移管中心轴线呈对称分布；
52.所述静电反射装置包括漂移管入口处静电反射装置、漂移管末端静电反射装置、漂移管出口静电反射装置和对称安装在漂移管内壁上的静电反射装置；这些静电反射装置采用相同的结构；
53.如图2所示，静电反射装置的外壳18为柱对称结构，内部包括静电反射片17和金属屏蔽栅网19，环形开口为离子反射出入口20，离子进入开口之后被静电反射片17和金属屏蔽栅网19之间的反射电场反射，从环形开口另一端飞出；
54.漂移管开口处的第一静电反射装置6倾斜一定角度，使入射离子经反射后进入第二静电反射装置7；出口处的第九静电反射装置14与第一静电反射装置6呈对称分布，其倾斜角度使得飞出第八静电反射装置13的离子经第九静电反射装置14反射之后，沿着漂移管出口凸起轴线飞出；
55.上述静电反射装置可根据实际需要调整布局数量，以及各个静电反射装置的倾斜角度；
56.所述终止探测器6为圆形结构，外部罩有终止探测器屏蔽罩16；终止探测器加高压，离子飞出漂移管后打在终止探测器上，产生电荷脉冲信号，并记录飞行时间终止信号；至此可获得离子一次完整飞行的飞行时间谱，根据飞行时间谱即可得出离子的质谱信息和
质谱分辨率。
57.热离子在所述飞行时间装置内部的一次完整飞行路径为：首先穿过起始门控1，沿着离子飞行入射通道2，进入离子聚焦透镜3、4调制通道；随后继续沿固定方向进入漂移管5；经第一静电反射装置6反射，进入第二静电反射装置7；再经过第二静电反射装置7反射，进入第三静电反射装置8；随后依次经过第四静电反射装置9、第五静电反射装置10、第六静电反射装置11、第七静电反射装置12、第八静电反射装置13；然后进入第九静电反射装置14进行最后一次反射后飞出漂移管，打在终止探测器上。
58.上述所有装置均为加电压电极或接地结构，需采用铝合金材料；电极之间或电极与接地之间采用陶瓷或聚酰亚胺材料进行固定。
59.本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
60.最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。