專利名稱：一種微小塵埃顆粒采集方法與結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微小塵埃顆粒采集方法與結(jié)構(gòu)，本技術(shù)屬于航空航天技術(shù)領(lǐng)域， 直接應(yīng)用在空間遙感探測器及其他航天器表面塵埃的荷質(zhì)比測量。
背景技術(shù)：
近年來，等離子體塵埃研究是等離子體學(xué)科中一個活躍的分支領(lǐng)域之一，帶電塵埃廣泛存在于空間等離子體、實驗室聚變裝置、低溫等離子體工業(yè)應(yīng)用等眾多不同的環(huán)境中，并且呈現(xiàn)出相同或相似的性質(zhì)。這是一種部分或完全電離的等離子體，其基本成分除了電子和離子外，還有(通常)帶負(fù)電的、且電荷不是常數(shù)的微粒。帶電顆粒有著與電子和離子完全不同的動力學(xué)行為，其與等離子體的相互作用呈現(xiàn)出許多新的物理現(xiàn)象?？臻g等離子體顆粒與航天器相互作用受到衛(wèi)星研制單位的密切關(guān)注。由于衛(wèi)星的長壽命、有效載荷的高性能對等離子體顆粒的了解程度不斷提高，急需了解空間衛(wèi)星軌道環(huán)境中，等離子顆粒的荷質(zhì)比，以了解和獲取空間軌道更為詳細(xì)的微小顆粒特性。有關(guān)顆粒等離子體的研究歷史可追溯到一個多世紀(jì)前的天文觀察，星際空間、行星環(huán)、彗尾等處均存在大量塵埃顆粒，這些顆粒被電離氣體以及被紫外線輻照而帶電。實驗室顆粒等離子體的研究也可追溯到等離子體學(xué)科發(fā)展初期Langmuir等人觀察到的濺射粒子吸附電子現(xiàn)象。在漫長的歲月里，顆粒等離子體研究經(jīng)歷了緩慢的發(fā)展，直到20世紀(jì)80 年代的兩個事件，促成了后來的迅速發(fā)展。一個是80年代初期旅行者2號宇宙飛船飛抵土星時傳回的土星環(huán)照片，發(fā)現(xiàn)B環(huán)中有徑向輻條狀的物質(zhì)環(huán)繞B環(huán)外部旋轉(zhuǎn).這些輻條狀物質(zhì)散射太陽光而被飛船看見，當(dāng)飛船向土星靠近時，看到的是相對于明亮背景的暗輻條， 當(dāng)飛船離開土星時，看到的是比背景明亮的輻條，如圖1所示，這說明輻條物是由精細(xì)微粒組成，對陽光的散射是米氏散射。更重要的是，這些輻條物不是靜止的，而是快速運動的，運動的時間尺度很短，不能用引力來解釋，必然受到電磁力的影響.美國的Hill J和Mendis A以及德國的Goertz C和Morfill G首先提出這些微粒是帶電的，Goertz和Morfill的工作還表明，帶電微粒被靜電懸浮在土星環(huán)平面80km處。他們將顆粒帶電歸結(jié)于小流星隨機(jī)撞擊土星環(huán)產(chǎn)生的等離子體，由此可見，空間軌道環(huán)境中帶電顆粒是一個不容忽視的問題。常用的帶電粒子荷質(zhì)比測量方法主要包括湯姆遜電偏轉(zhuǎn)的方法來測量電子荷質(zhì)比；磁偏轉(zhuǎn)法測量電子荷質(zhì)比；電、磁偏轉(zhuǎn)法測量正離子的荷質(zhì)比；質(zhì)譜儀法測最同位素的荷質(zhì)比；磁聚焦法測量電子的荷質(zhì)比；雙電容法測量電子荷質(zhì)比；反常塞曼效應(yīng)F-P標(biāo)準(zhǔn)具干涉成像測量電子荷質(zhì)比；反常塞曼效應(yīng)中通過不同磁場汞綠線干涉環(huán)重疊情況來測量電子荷質(zhì)比等多種方法。怎樣用原位定量的方法原位測量微小塵埃顆粒荷質(zhì)比，就是控制航天器軌道環(huán)境，不斷深化理解空間顆粒特性的一個不容忽視問題。本專利中利用石英晶體微量天平 (Quartz Crystal Microbalances. QCM)禾口中空圓柱電容器(Hollow Cylinder Capacitor) 相互結(jié)合的方法實現(xiàn)一種微小塵埃顆粒采集方法與結(jié)構(gòu)，主要用于監(jiān)測微小顆粒電荷實時監(jiān)測空間顆粒荷質(zhì)比。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是提供一種微小塵埃顆粒采集方法與結(jié)構(gòu)，該方法解決航天器熱真空試驗和在軌運行期間，我國現(xiàn)有航天器軌道環(huán)境中微小塵埃粒子無法準(zhǔn)確采集的問題?！N微小塵埃顆粒采集方法與結(jié)構(gòu)主要包括準(zhǔn)直柵板、待測顆粒、中空柱狀電容器、光電倍增管信號放大器、外接電容器、石英晶體微量天平、電極、固定支架、真空室；真空室內(nèi)放置有準(zhǔn)直柵板、待測顆粒、中空柱狀電容器、石英晶體微量天平、電極、固定支架；固定支架為兩個對稱的倒刀型結(jié)構(gòu)組成，沿真空室中軸線放置在真空室的底部，中間有間隙，間隙處沿中軸線放置有石英晶體微量天平，石英晶體微量天平兩極分別與正負(fù)電極相連，在石英晶體微量天平上方同軸Imm以上處放置有中空柱狀電容器，中空柱狀電容器燒鑄在固定支架兩個倒刀型結(jié)構(gòu)下部的“刀柄”部分中間位置，其中，中空柱狀電容器的直徑大于石英晶體微量天平的直徑，在固定支架兩個倒刀型結(jié)構(gòu)上部的“刀身”部分自上而下對稱設(shè)有2對凸起，用于放置三層結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)直柵板，具體為，每一層準(zhǔn)直柵板都固定在凸起上，每對凸起之間間距以及凸起與固定支架“刀柄”部分上端面之間間距為2mm以上，優(yōu)選為2. 5mm，固定支架為95%氧化鋁陶瓷材料，準(zhǔn)直柵板也應(yīng)與中空柱狀電容器同軸放置；中空柱狀電容器同時與真空室以外的光電倍增管信號放大器和外接電容器相連；微小塵埃顆粒采集裝置，微小塵埃荷電裝置放置在真空室的頂部。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種微小塵埃顆粒采集方法，包括下列步驟(1)選擇航天器表面適當(dāng)位置安裝微小塵埃顆粒采集裝置。微小塵埃顆粒采集裝置包括石英晶體微量天平、中空圓柱電容器、準(zhǔn)直柵板、電氣控制盒等；(2)調(diào)整準(zhǔn)直柵板，使準(zhǔn)直柵板中孔通過中空圓柱電容器中軸，以便于帶電微小顆粒準(zhǔn)直進(jìn)入中空柱狀電容器；(3)調(diào)整石英晶體微量天平，使石英晶體微量天平準(zhǔn)直于中空圓柱電容器中軸，以便于監(jiān)測帶電微小顆粒質(zhì)量；(4)啟動微小塵埃顆粒采集裝置，設(shè)置石英晶體微量天平零點、調(diào)節(jié)外接電容；(5)微小塵埃顆粒通過微小塵埃顆粒采集裝置；(6)在線原位記錄石英晶體微量天平和中空圓柱電容器參數(shù)，主要包括頻率、溫度、電壓脈沖幅值等；(7)關(guān)閉石英晶體微量天平零點，關(guān)閉微小塵埃顆粒采集裝置。回復(fù)試驗設(shè)備至初始試驗狀態(tài)。所述步驟(1)中石英晶體微量天平的本征頻率為IOMHz、15MHz、20MHz或更高頻率；所述步驟(1)中空圓柱電容器電容是4. 5pF，電容器其內(nèi)徑0. 1595cm、外徑0. 1875cm、 長度為1cm。電容器被內(nèi)徑為0. 347的圓形黃銅支架包裹，支架與電容器之間填充聚氧化鋁陶瓷，保證電容器不被外界干擾；所述步驟(1)中準(zhǔn)直柵板中心孔是直徑為0. 033cm ；所述步驟(1)中準(zhǔn)直柵板包括3塊同樣孔徑的柵板；所述步驟O)中準(zhǔn)直柵板中孔與中空圓柱電容器中軸距離不超過0. Imm ；所述步驟(3)中石英晶體微量天平與中空圓柱電容器中軸距離不超過0. Imm ；所述步驟中微小塵埃顆粒荷質(zhì)比測試儀系統(tǒng)中石英晶體微量天平監(jiān)測分辨率小于士 lHz/s —般穩(wěn)定工作30分鐘以上后微小塵埃顆粒進(jìn)入測試系統(tǒng)；所述步驟(5)中通過微小塵埃顆粒荷質(zhì)比測試儀系統(tǒng)的微小塵埃顆粒質(zhì)量小于 1 X 10_6g ；所述步驟(6)中頻率、溫度和電壓脈沖幅值等監(jiān)測參數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)速率大于10次
/S；所述步驟(7)中嚴(yán)格按關(guān)閉石英晶體微量天平零點，關(guān)閉微小塵埃顆粒采集裝置的順序進(jìn)行，最終使整個測試系統(tǒng)恢復(fù)至初始試驗狀態(tài)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是(1)由于目前我國尚不能原位定量測量空間軌道環(huán)境中微小塵埃顆粒荷質(zhì)比的狀況，本方法提供一種微小塵埃顆粒采集方法與結(jié)構(gòu)，該方法可在模擬航天器軌道環(huán)境條件下，定量測量微小塵埃顆粒荷質(zhì)比，提高了我國質(zhì)量原位監(jiān)測靈敏度，可達(dá)到1.10X10_9 4. 42 X 10_9g/cm2 ；(2)航天器一種微小塵埃顆粒采集方法與結(jié)構(gòu)中，塵埃顆粒荷質(zhì)比測試儀結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，主要有圓形柵板、中空圓柱電容器、QCM三部分組成，大大增加了試驗測試過程中測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，降低了航天器軌道載荷使用風(fēng)險。(3)航天器一種微小塵埃顆粒采集方法與結(jié)構(gòu)里中空柱狀電容器的使用，減小了儀器設(shè)計尺寸，結(jié)合電氣控制盒，良好的測量了微小塵埃粒子的荷質(zhì)比，試驗過程穩(wěn)定可罪。(4)航天器一種微小塵埃顆粒采集方法與結(jié)構(gòu)石英晶體微量天平的使用，良好的測量了通過粒子的質(zhì)量變化，試驗過程穩(wěn)定可靠，復(fù)現(xiàn)性好。(5)具有原位監(jiān)測航天器軌道環(huán)境粒子荷質(zhì)比的特色，且適應(yīng)于規(guī)?；囼灐⑸?br> 產(chǎn)、研究等。


圖1是本發(fā)明一種微小塵埃顆粒采集方法與結(jié)構(gòu)的設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明采用的一種微小塵埃顆粒采集方法與結(jié)構(gòu)的設(shè)備結(jié)構(gòu)包括 準(zhǔn)直柵板1、待測顆粒2、中空柱狀電容器3、光電倍增管信號放大器4、外接電容器5、石英晶體微量天平6、電極7、固定支架8、真空室9組成。真空室9內(nèi)放置有準(zhǔn)直柵板1、待測顆粒2、中空柱狀電容器3、石英晶體微量天平6、電極7、固定支架8 ；固定支架8為兩個對稱的倒刀型結(jié)構(gòu)組成，沿真空室9中軸線放置在真空室9的底部，中間有間隙，間隙處沿中軸線放置有石英晶體微量天平6，石英晶體微量天平6兩極分別與正負(fù)電極7相連，在石英晶體微量天平6上方同軸Imm以上處放置有中空柱狀電容器3，中空柱狀電容器3燒鑄在固定支架8兩個倒刀型結(jié)構(gòu)下部的“刀柄”部分中間位置，其中，中空柱狀電容器3的直徑大于石英晶體微量天平6的直徑，在固定支架 8兩個倒刀型結(jié)構(gòu)上部的“刀身”部分自上而下對稱設(shè)有2對凸起，用于放置三層結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)直柵板1，具體為，每一層準(zhǔn)直柵板都固定在凸起上，每對凸起之間間距以及凸起與固定支架8 “刀柄”部分上端面之間間距為2mm以上，優(yōu)選為2. 5mm,固定支架8為95%氧化鋁陶瓷材料，準(zhǔn)直柵板1也應(yīng)與中空柱狀電容器3同軸放置；中空柱狀電容器3同時與真空室9 以外的光電倍增管信號放大器4和外接電容器5相連；實施示例(1)試驗樣品為直徑小于50 μ m的顆粒樣品，將其裝入粉塵顆粒荷電裝置，使其通過微小塵埃顆粒荷質(zhì)比測試儀的準(zhǔn)直柵板1，調(diào)整石英晶體微量天平探測器6與微小塵埃顆粒荷質(zhì)比測試儀電氣控制盒通信使其正常工作，聯(lián)接相關(guān)水、電、氣輔助設(shè)備。(2)調(diào)整準(zhǔn)直柵板1中孔與中空圓柱電容器3中心距離為0. Imm ；(3)調(diào)整石英晶體微量天平6與中空圓柱電容器3中心距離為0. Imm ；(4)微小塵埃顆粒荷質(zhì)比測試儀系統(tǒng)穩(wěn)定工作30分鐘后，打開粉塵顆粒荷電裝置，使其進(jìn)入測試系統(tǒng)；(5)記錄石英晶體微量天平和中空圓柱電容器的各種參數(shù)，主要包括石英晶體微量天平頻率、溫度，中空圓柱電容器的電壓脈沖幅值等參數(shù)；(6)關(guān)閉微小塵埃顆粒荷質(zhì)比測試儀系統(tǒng)，關(guān)閉微小塵埃荷電裝置?；貜?fù)試驗設(shè)備至初始試驗狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種微小塵埃顆粒采集方法與結(jié)構(gòu)，其特征在于包括下列步驟(1)選擇航天器表面適當(dāng)位置安裝微小塵埃顆粒采集裝置。微小塵埃顆粒采集裝置包括石英晶體微量天平、中空圓柱電容器、準(zhǔn)直柵板、電氣控制盒等；(2)調(diào)整準(zhǔn)直柵板，使準(zhǔn)直柵板中孔通過中空圓柱電容器中軸，以便于帶電微小顆粒準(zhǔn)直進(jìn)入圓柱電容器；(3)調(diào)整石英晶體微量天平，使石英晶體微量天平準(zhǔn)直于中空圓柱電容器中軸，以便于監(jiān)測帶電微小顆粒質(zhì)量和電荷；(4)啟動微小塵埃顆粒采集裝置，設(shè)置石英晶體微量天平零點、調(diào)節(jié)外接電容；(5)微小塵埃顆粒通過微小塵埃顆粒采集裝置；(6)原位記錄石英晶體微量天平和中空圓柱電容器參數(shù)，主要包括石英晶體微量天平的頻率值、溫度值，中空圓柱電容器電壓脈沖幅值等；(7)關(guān)閉石英晶體微量天平零點，關(guān)閉微小塵埃顆粒采集裝置?；貜?fù)試驗設(shè)備至初始試驗狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微小塵埃顆粒采集方法與結(jié)構(gòu)，其特征在于所述步驟 ⑴中石英晶體微量天平的本征頻率為IOMHz、15MHz、20MHz或更高頻率；所述步驟(1)中空圓柱電容器電容是4. 5pF，電容器其內(nèi)徑0. 1595cm、外徑0. 1875cm、長度為1cm。電容器被內(nèi)徑為0. 347的圓形黃銅支架包裹，支架與電容器之間填充聚氧化鋁陶瓷，保證電容器不被外界干擾；所述步驟(1)中準(zhǔn)直柵板中心孔是直徑為0. 033cm ；所述步驟(1)中準(zhǔn)直柵板含3塊同樣孔徑的柵板；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微小塵埃顆粒采集方法與結(jié)構(gòu)，其特征在于所述步驟(2)準(zhǔn)直柵板中孔與中空圓柱電容器中心距離不超過0.1mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微小塵埃顆粒采集方法與結(jié)構(gòu)，其特征在于所述步驟(3)中石英晶體微量天平與中空圓柱電容器中心距離不超過0.1mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微小塵埃顆粒采集方法與結(jié)構(gòu)，其特征在于所述步驟(4)一種微小塵埃顆粒采集結(jié)構(gòu)中石英晶體微量天平監(jiān)測分辨率小于士 lHz/s —般穩(wěn)定工作30分鐘以上后微小塵埃顆粒進(jìn)入測試系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微小塵埃顆粒荷質(zhì)比測量方法，其特征在于所述步驟 (6)中通過微小一種微小塵埃顆粒采集方法與結(jié)構(gòu)的微小塵埃顆粒質(zhì)量小于lX10_6g。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微小塵埃顆粒荷質(zhì)比測量方法，其特征在于所述步驟 (6)中頻率、溫度和電壓脈沖幅值等監(jiān)測參數(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)速率大于10次/s。
8.一種微小塵埃顆粒采集結(jié)構(gòu)，主要包括準(zhǔn)直柵板、待測顆粒、中空柱狀電容器、光電倍增管信號放大器、外接電容器、石英晶體微量天平、電極、固定支架和真空室；其特征在于真空室內(nèi)放置有準(zhǔn)直柵板、待測顆粒、中空柱狀電容器、石英晶體微量天平、電極、固定支架；固定支架為兩個對稱的倒刀型結(jié)構(gòu)組成，沿真空室中軸線放置在真空室的底部，中間有間隙，間隙處沿中軸線放置有石英晶體微量天平，石英晶體微量天平兩極分別與正負(fù)電極相連，在石英晶體微量天平上方同軸Imm以上處放置有中空柱狀電容器，中空柱狀電容器燒鑄在固定支架兩個倒刀型結(jié)構(gòu)下部的“刀柄”部分中間位置，其中，中空柱狀電容器的直徑大于石英晶體微量天平的直徑，在固定支架兩個倒刀型結(jié)構(gòu)上部的“刀身”部分自上而下對稱設(shè)有2對凸起，用于放置三層結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)直柵板，具體為，每一層準(zhǔn)直柵板都固定在凸起上，每對凸起之間間距以及凸起與固定支架“刀柄”部分上端面之間間距為2mm以上， 固定支架為95%氧化鋁陶瓷材料，準(zhǔn)直柵板也應(yīng)與中空柱狀電容器同軸放置；中空柱狀電容器同時與真空室以外的光電倍增管信號放大器和外接電容器相連；微小塵埃荷電裝置放置在真空室的頂部。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種微小塵埃顆粒采集結(jié)構(gòu)，其特征在于每對凸起之間間距以及凸起與固定支架“刀柄”部分上端面之間間距優(yōu)選為2. 5mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微小塵埃顆粒采集方法與結(jié)構(gòu)，本方法提供航天器軌道環(huán)境中微小塵埃顆粒采集方法與結(jié)構(gòu)方法，該方法可在模擬航天器軌道環(huán)境條件下，定量測量微小塵埃顆粒荷質(zhì)比，提高了我國質(zhì)量原位監(jiān)測靈敏度，可達(dá)到1.10×10-9～4.42×10-9g/cm2，塵埃顆粒荷質(zhì)比測試儀結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，主要有圓形柵板、中空圓柱電容器、QCM三部分組成，大大增加了試驗測試過程中測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，降低了航天器軌道載荷使用風(fēng)險，方法里中空柱狀電容器的使用，減小了儀器設(shè)計尺寸，結(jié)合信號采集電路和組裝盒，良好的測量了微小塵埃粒子的荷質(zhì)比，試驗過程穩(wěn)定可靠，石英晶體微量天平的使用，良好的測量了通過粒子的質(zhì)量變化，試驗過程穩(wěn)定可靠，復(fù)現(xiàn)性好。具有原位監(jiān)測航天器軌道環(huán)境粒子荷質(zhì)比的特色，且適應(yīng)于規(guī)?；囼?、生產(chǎn)、研究等。
文檔編號G01N1/10GK102175486SQ201010624379
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者柏樹, 田愷, 顏則東, 馬亞莉 申請人:中國航天科技集團(tuán)公司第五研究院第五一○研究所