一種基于放射源的便攜式空間電場(chǎng)檢測(cè)儀及其測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于放射源的便攜式空間電場(chǎng)檢測(cè)儀及其測(cè)量方法，所述的檢測(cè)儀包括：放射源（6）、放射源盒（2）、兩片偏壓板（3）和探測(cè)腔（7），所述探測(cè)腔（7）的側(cè)壁設(shè)有若干個(gè)側(cè)壁傳感器（5），其兩個(gè)端口均設(shè)有探測(cè)腔底板（4），該探測(cè)腔底板（4）與探測(cè)腔（7）密封連接，該探測(cè)腔底板（4）的內(nèi)表面上還裝有頂部傳感器（8），所述的放射源（6）固定于放射源盒（2）內(nèi)；本發(fā)明利用放射源出射兩個(gè)不同能量的帶電粒子，通過測(cè)量帶電粒子在探測(cè)腔中偏轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)量，即可反推出空間電場(chǎng)的大小及方向，測(cè)量過程簡(jiǎn)單，且由于空間電場(chǎng)的測(cè)量是在探測(cè)腔內(nèi)進(jìn)行，探測(cè)腔內(nèi)為真空，能夠有效減少環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
【專利說明】一種基于放射源的便攜式空間電場(chǎng)檢測(cè)儀及其測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及空間電場(chǎng)測(cè)試測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于放射源的便攜式空間電場(chǎng)檢測(cè)儀。
【背景技術(shù)】
[0002]在外層空間，電場(chǎng)的監(jiān)測(cè)對(duì)于了解近地空間電狀態(tài)是不可缺少的?？梢詾樘柣顒?dòng)對(duì)近地空間天氣的影響、雷暴和地震預(yù)警，以及航天活動(dòng)等提供直接的觀測(cè)資料。提高對(duì)災(zāi)害性空間天氣的預(yù)警預(yù)報(bào)能力。在地面上，電場(chǎng)的檢測(cè)在探礦、靜電檢測(cè)、航天器件充放電等方面也發(fā)揮重要作用。
[0003]目前，國際上比較成熟的空間電場(chǎng)的測(cè)量方法主要有兩種:雙探針電場(chǎng)測(cè)量法和電子漂移電場(chǎng)測(cè)量法。雙探針探測(cè)電場(chǎng)原理實(shí)際上與電壓表測(cè)量電壓的原理相類似，即測(cè)量浸入等離子體中兩點(diǎn)之間的電位差。其方法如說明書附圖中的圖1所示，在探測(cè)儀外部向空間伸出兩桿，在各自的端頭安裝了與其有電性絕緣的金屬球作為探針，即電場(chǎng)傳感器，當(dāng)兩探針上的電位與其各自周圍等離子體的電位一致時(shí)，測(cè)量出兩探針之間的電位差，根據(jù)兩探針之間的距離就能夠得到沿伸桿方向的電場(chǎng)分量，即:
[0004]E = [ (Vxl-Vs)-(Vx2-Vs) ]/d
[0005]上式中，d為兩探針之間的距離，Vxl和Vx2是桿兩端的電勢(shì)，Vs是桿中間的電勢(shì)。這種空間電場(chǎng)測(cè)量方法的缺點(diǎn)是探針暴露在空間中，容易受到環(huán)境的影響，需要用前置放大器，探針會(huì)受到電容耦合的干擾，并且不方便確定電場(chǎng)的方向。
[0006]另一種空間電場(chǎng)的測(cè)量方法為電子漂移測(cè)量法，該測(cè)量方法的原理如說明書附圖中的圖2所示。在一些重要的等離子環(huán)境中，由于等離子體的密度特別稀薄，以至于電場(chǎng)也非常小(〈lmV/m)。在這些場(chǎng)合，如果采用雙探針測(cè)量法就很難將所需要探測(cè)的電場(chǎng)與飛船的尾流、光電子，以及等離子鞘所形成的感應(yīng)電場(chǎng)相區(qū)分開，這時(shí)就需要使用電子漂移電場(chǎng)測(cè)量法測(cè)量電場(chǎng)。
[0007]電子漂移測(cè)量法通過測(cè)量一個(gè)充電粒子在垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向的導(dǎo)引中心漂移速度間接地測(cè)量電場(chǎng)。該漂移速度和電磁場(chǎng)的關(guān)系可以表示為
[0008]
I I
ExB
Vd= 了
[0009]上式中，Vd為引導(dǎo)中心漂移速度，僉為電場(chǎng)，A為磁場(chǎng)，在一致周邊磁場(chǎng)的前提下，只需測(cè)量帶電粒子的漂移速度，就可以通過計(jì)算得到電場(chǎng)。
[0010]上述方法在磁場(chǎng)較大時(shí)比較適用，但當(dāng)磁場(chǎng)較小時(shí)，帶電粒子的漂移位移就會(huì)很大，超出衛(wèi)星的探測(cè)能力。例如，對(duì)于給定的一個(gè)電場(chǎng)(lmv/m)，在低軌道高度時(shí)(磁場(chǎng)強(qiáng)度約25000nT)，帶電粒子的漂移位移約0.06mm，但在太陽風(fēng)或等離子鞘中(磁場(chǎng)強(qiáng)度5nT)，漂移位移會(huì)達(dá)到1428m，這時(shí)就無法采用測(cè)量漂移位移的方法。[0011]當(dāng)發(fā)射的波束由于不穩(wěn)定或者與周邊的波動(dòng)的相互作用導(dǎo)致嚴(yán)重發(fā)散時(shí)，會(huì)使測(cè)量失??；電場(chǎng)或者磁場(chǎng)的快速變化都會(huì)造成對(duì)波束探測(cè)失??；并且僅使用有限范圍的電子能量來精確分離漂移的電分量和磁分量是不太可能的。
[0012]以上方法的共同缺點(diǎn)是在測(cè)量空間電場(chǎng)時(shí)受環(huán)境的影響較大，比如光的影響，等離子濃度和速度的影響，雙探針還需要前置放大器，探針也較長(zhǎng)，也不方便測(cè)定電場(chǎng)的方向性，漂移法還依賴于空間磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的在于，為解決現(xiàn)有技術(shù)中的空間電場(chǎng)測(cè)量受環(huán)境的影響較大的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于放射源的便攜式空間電場(chǎng)檢測(cè)儀及其測(cè)量方法，本發(fā)明利用放射源出射兩個(gè)不同能量的帶電粒子，通過測(cè)量帶電粒子在探測(cè)腔中偏轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)量，即可反推出空間電場(chǎng)的大小及方向，測(cè)量過程簡(jiǎn)單，且由于空間電場(chǎng)的測(cè)量是在探測(cè)腔內(nèi)進(jìn)行，探測(cè)腔內(nèi)為真空，能夠有效減少環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
[0014]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于放射源的便攜式空間電場(chǎng)檢測(cè)儀，所述的檢測(cè)儀包括:放射源、放射源盒、兩片偏壓板和探測(cè)腔，所述探測(cè)腔為圓柱形真空腔體，其側(cè)壁設(shè)有若干個(gè)側(cè)壁傳感器，其兩個(gè)端口均設(shè)有探測(cè)腔底板，該探測(cè)腔底板與探測(cè)腔密封連接，該探測(cè)腔底板的內(nèi)表面上還裝有頂部傳感器，所述的放射源固定于放射源盒內(nèi)，該放射源盒的開口端、兩片偏壓板和探測(cè)腔一端同軸依次連接，并沿軸線方向的各連接處均設(shè)有貫通孔。
[0015]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的檢測(cè)儀還包括手柄，該手柄的敞口端套設(shè)于放射源盒上，并與探測(cè)腔一端的探測(cè)腔底板外表面密封連接。
[0016]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的偏壓板為圓片形結(jié)構(gòu)，其與放射源盒的直徑均為50mm,兩片偏壓板之間距離為3mm。
[0017]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的放射源盒采用鉛材料制成。
[0018]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述探測(cè)腔的直徑為100mm，長(zhǎng)度為500mm，厚度為5mm，其采用絕緣材料制成；所述探測(cè)腔底板的直徑為100mm，厚度為2mm，采用絕緣材料制成。
[0019]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述側(cè)壁傳感器為弧形片狀結(jié)構(gòu)，其弧長(zhǎng)為
9.82mm,寬度為8mm，厚度為2.5mm。
[0020]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述頂部傳感器為圓形結(jié)構(gòu)，其半徑為45mm，厚度為2.5_。
[0021]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述偏壓板和探測(cè)腔一端的連接處的貫通孔的直徑均為5mm。
[0022]根據(jù)上述的基于放射源的便攜式空間電場(chǎng)檢測(cè)儀，本發(fā)明還提供一種基于放射源的便攜式空間電場(chǎng)檢測(cè)儀的測(cè)量方法，所述的測(cè)量方法包括:
[0023]步驟I)放射源出射兩個(gè)不同能量的帶電粒子，并經(jīng)兩片偏壓板調(diào)速之后通過貫通孔進(jìn)入探測(cè)腔，在空間電場(chǎng)的作用下帶電粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最終打在探測(cè)腔的側(cè)壁傳感器上；
[0024]步驟2 )利用步驟I)中的側(cè)壁傳感器計(jì)算得出兩個(gè)帶電粒子在探測(cè)腔內(nèi)沿軸線方向的移動(dòng)位移；
[0025]步驟3)根據(jù)步驟2)中獲得的移動(dòng)位移，測(cè)量帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)量，兩個(gè)帶電粒子的徑向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程組為:
[0026]
【權(quán)利要求】
1.一種基于放射源的便攜式空間電場(chǎng)檢測(cè)儀，其特征在于，所述的檢測(cè)儀包括:放射源(6)、放射源盒(2)、兩片偏壓板(3)和探測(cè)腔(7)，所述探測(cè)腔(7)為圓柱形真空腔體，其側(cè)壁設(shè)有若干個(gè)側(cè)壁傳感器(5)，其兩個(gè)端口均設(shè)有探測(cè)腔底板(4)，該探測(cè)腔底板(4)與探測(cè)腔(7)密封連接，該探測(cè)腔底板(4)的內(nèi)表面上還裝有頂部傳感器(8)，所述的放射源(6)固定于放射源盒(2)內(nèi)，該放射源盒(2)的開口端、兩片偏壓板(3)和探測(cè)腔(7)—端同軸依次連接，并沿軸線方向的各連接處均設(shè)有貫通孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于放射源的便攜式空間電場(chǎng)檢測(cè)儀，其特征在于，所述的檢測(cè)儀還包括手柄，該手柄的敞口端套設(shè)于放射源盒(2)上，并與探測(cè)腔(7) —端的探測(cè)腔底板(4)外表面密封連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于放射源的便攜式空間電場(chǎng)檢測(cè)儀，其特征在于，所述的偏壓板(3)為圓片形結(jié)構(gòu)，其與放射源盒(2)的直徑均為50mm，兩片偏壓板(3)之間距離為3mm 。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于放射源的便攜式空間電場(chǎng)檢測(cè)儀，其特征在于，所述的放射源盒(2)采用鉛材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于放射源的便攜式空間電場(chǎng)檢測(cè)儀，其特征在于，所述探測(cè)腔(7)的直徑為100mm，長(zhǎng)度為500mm，厚度為5mm，所述探測(cè)腔底板(4)的直徑為100mm，厚度為2mm，該探測(cè)腔(7)與探測(cè)腔底板(4)均采用絕緣材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于放射源的便攜式空間電場(chǎng)檢測(cè)儀，其特征在于，所述側(cè)壁傳感器(5)為弧形片狀結(jié)構(gòu),其弧長(zhǎng)為9.82mm,寬度為8mm,厚度為2.5_。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于放射源的便攜式空間電場(chǎng)檢測(cè)儀，其特征在于，所述頂部傳感器(8)為圓片形結(jié)構(gòu)，其半徑為45mm,厚度為2.5mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于放射源的便攜式空間電場(chǎng)檢測(cè)儀，其特征在于，所述偏壓板(3)和探測(cè)腔(7) —端的連接處的貫通孔的直徑均為5mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8之一所述的基于放射源的便攜式空間電場(chǎng)檢測(cè)儀所實(shí)現(xiàn)的測(cè)量方法，其特征在于，所述的測(cè)量方法包括: 步驟I)放射源出射兩個(gè)不同能量的帶電粒子，并經(jīng)兩片偏壓板調(diào)速之后通過貫通孔進(jìn)入探測(cè)腔，在空間電場(chǎng)的作用下帶電粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最終打在探測(cè)腔的側(cè)壁傳感器上； 步驟2)利用步驟1)中的側(cè)壁傳感器計(jì)算得出兩個(gè)帶電粒子在探測(cè)腔內(nèi)沿軸線方向的移動(dòng)位移； 步驟3)根據(jù)步驟2)中獲得的移動(dòng)位移，測(cè)量帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)量，兩個(gè)帶電粒子的徑向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程組為:
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述基于放射源的便攜式空間電場(chǎng)檢測(cè)儀的測(cè)量方法，其特征在于，當(dāng)所述的兩個(gè)不同能量的帶電粒子所帶電荷量及質(zhì)量不相等時(shí)， 則有，所述的徑向空間電場(chǎng)分量表示為:
【文檔編號(hào)】G01R29/12GK103576003SQ201310594492
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月21日
【發(fā)明者】汪金龍, 孫建軍, 張振龍, 曹旭緯, 楊濤, 吳逢時(shí), 鄭漢生 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心