专利名称：一种微小尘埃颗粒采集方法与结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微小尘埃颗粒采集方法与结构，本技术属于航空航天技术领域， 直接应用在空间遥感探测器及其他航天器表面尘埃的荷质比测量。
背景技术：
近年来，等离子体尘埃研究是等离子体学科中一个活跃的分支领域之一，带电尘埃广泛存在于空间等离子体、实验室聚变装置、低温等离子体工业应用等众多不同的环境中，并且呈现出相同或相似的性质。这是一种部分或完全电离的等离子体，其基本成分除了电子和离子外，还有(通常)带负电的、且电荷不是常数的微粒。带电颗粒有着与电子和离子完全不同的动力学行为，其与等离子体的相互作用呈现出许多新的物理现象。空间等离子体颗粒与航天器相互作用受到卫星研制单位的密切关注。由于卫星的长寿命、有效载荷的高性能对等离子体颗粒的了解程度不断提高，急需了解空间卫星轨道环境中，等离子颗粒的荷质比，以了解和获取空间轨道更为详细的微小颗粒特性。有关颗粒等离子体的研究历史可追溯到一个多世纪前的天文观察，星际空间、行星环、彗尾等处均存在大量尘埃颗粒，这些颗粒被电离气体以及被紫外线辐照而带电。实验室颗粒等离子体的研究也可追溯到等离子体学科发展初期Langmuir等人观察到的溅射粒子吸附电子现象。在漫长的岁月里，颗粒等离子体研究经历了缓慢的发展，直到20世纪80 年代的两个事件，促成了后来的迅速发展。一个是80年代初期旅行者2号宇宙飞船飞抵土星时传回的土星环照片，发现B环中有径向辐条状的物质环绕B环外部旋转.这些辐条状物质散射太阳光而被飞船看见，当飞船向土星靠近时，看到的是相对于明亮背景的暗辐条， 当飞船离开土星时，看到的是比背景明亮的辐条，如图1所示，这说明辐条物是由精细微粒组成，对阳光的散射是米氏散射。更重要的是，这些辐条物不是静止的，而是快速运动的，运动的时间尺度很短，不能用引力来解释，必然受到电磁力的影响.美国的Hill J和Mendis A以及德国的Goertz C和Morfill G首先提出这些微粒是带电的，Goertz和Morfill的工作还表明，带电微粒被静电悬浮在土星环平面80km处。他们将颗粒带电归结于小流星随机撞击土星环产生的等离子体，由此可见，空间轨道环境中带电颗粒是一个不容忽视的问题。常用的带电粒子荷质比测量方法主要包括汤姆逊电偏转的方法来测量电子荷质比；磁偏转法测量电子荷质比；电、磁偏转法测量正离子的荷质比；质谱仪法测最同位素的荷质比；磁聚焦法测量电子的荷质比；双电容法测量电子荷质比；反常塞曼效应F-P标准具干涉成像测量电子荷质比；反常塞曼效应中通过不同磁场汞绿线干涉环重叠情况来测量电子荷质比等多种方法。怎样用原位定量的方法原位测量微小尘埃颗粒荷质比，就是控制航天器轨道环境，不断深化理解空间颗粒特性的一个不容忽视问题。本专利中利用石英晶体微量天平 (Quartz Crystal Microbalances. QCM)禾口中空圆柱电容器(Hollow Cylinder Capacitor) 相互结合的方法实现一种微小尘埃颗粒采集方法与结构，主要用于监测微小颗粒电荷实时监测空间颗粒荷质比。
发明内容
本发明的技术解决问题是提供一种微小尘埃颗粒采集方法与结构，该方法解决航天器热真空试验和在轨运行期间，我国现有航天器轨道环境中微小尘埃粒子无法准确采集的问题。—种微小尘埃颗粒采集方法与结构主要包括准直栅板、待测颗粒、中空柱状电容器、光电倍增管信号放大器、外接电容器、石英晶体微量天平、电极、固定支架、真空室；真空室内放置有准直栅板、待测颗粒、中空柱状电容器、石英晶体微量天平、电极、固定支架；固定支架为两个对称的倒刀型结构组成，沿真空室中轴线放置在真空室的底部，中间有间隙，间隙处沿中轴线放置有石英晶体微量天平，石英晶体微量天平两极分别与正负电极相连，在石英晶体微量天平上方同轴Imm以上处放置有中空柱状电容器，中空柱状电容器烧铸在固定支架两个倒刀型结构下部的“刀柄”部分中间位置，其中，中空柱状电容器的直径大于石英晶体微量天平的直径，在固定支架两个倒刀型结构上部的“刀身”部分自上而下对称设有2对凸起，用于放置三层结构的准直栅板，具体为，每一层准直栅板都固定在凸起上，每对凸起之间间距以及凸起与固定支架“刀柄”部分上端面之间间距为2mm以上，优选为2. 5mm，固定支架为95%氧化铝陶瓷材料，准直栅板也应与中空柱状电容器同轴放置；中空柱状电容器同时与真空室以外的光电倍增管信号放大器和外接电容器相连；微小尘埃颗粒采集装置，微小尘埃荷电装置放置在真空室的顶部。本发明的技术解决方案是一种微小尘埃颗粒采集方法，包括下列步骤(1)选择航天器表面适当位置安装微小尘埃颗粒采集装置。微小尘埃颗粒采集装置包括石英晶体微量天平、中空圆柱电容器、准直栅板、电气控制盒等；(2)调整准直栅板，使准直栅板中孔通过中空圆柱电容器中轴，以便于带电微小颗粒准直进入中空柱状电容器；(3)调整石英晶体微量天平，使石英晶体微量天平准直于中空圆柱电容器中轴，以便于监测带电微小颗粒质量；(4)启动微小尘埃颗粒采集装置，设置石英晶体微量天平零点、调节外接电容；(5)微小尘埃颗粒通过微小尘埃颗粒采集装置；(6)在线原位记录石英晶体微量天平和中空圆柱电容器参数，主要包括频率、温度、电压脉冲幅值等；(7)关闭石英晶体微量天平零点，关闭微小尘埃颗粒采集装置。回复试验设备至初始试验状态。所述步骤(1)中石英晶体微量天平的本征频率为IOMHz、15MHz、20MHz或更高频率；所述步骤(1)中空圆柱电容器电容是4. 5pF，电容器其内径0. 1595cm、外径0. 1875cm、 长度为1cm。电容器被内径为0. 347的圆形黄铜支架包裹，支架与电容器之间填充聚氧化铝陶瓷，保证电容器不被外界干扰；所述步骤(1)中准直栅板中心孔是直径为0. 033cm ；所述步骤(1)中准直栅板包括3块同样孔径的栅板；所述步骤O)中准直栅板中孔与中空圆柱电容器中轴距离不超过0. Imm ；所述步骤(3)中石英晶体微量天平与中空圆柱电容器中轴距离不超过0. Imm ；所述步骤中微小尘埃颗粒荷质比测试仪系统中石英晶体微量天平监测分辨率小于士 lHz/s —般稳定工作30分钟以上后微小尘埃颗粒进入测试系统；所述步骤(5)中通过微小尘埃颗粒荷质比测试仪系统的微小尘埃颗粒质量小于 1 X 10_6g ；所述步骤(6)中频率、温度和电压脉冲幅值等监测参数的监测数据速率大于10次
/S；所述步骤(7)中严格按关闭石英晶体微量天平零点，关闭微小尘埃颗粒采集装置的顺序进行，最终使整个测试系统恢复至初始试验状态。本发明与现有技术相比的有益效果是(1)由于目前我国尚不能原位定量测量空间轨道环境中微小尘埃颗粒荷质比的状况，本方法提供一种微小尘埃颗粒采集方法与结构，该方法可在模拟航天器轨道环境条件下，定量测量微小尘埃颗粒荷质比，提高了我国质量原位监测灵敏度，可达到1.10X10_9 4. 42 X 10_9g/cm2 ；(2)航天器一种微小尘埃颗粒采集方法与结构中，尘埃颗粒荷质比测试仪结构设计简单，主要有圆形栅板、中空圆柱电容器、QCM三部分组成，大大增加了试验测试过程中测量数据的准确性，降低了航天器轨道载荷使用风险。(3)航天器一种微小尘埃颗粒采集方法与结构里中空柱状电容器的使用，减小了仪器设计尺寸，结合电气控制盒，良好的测量了微小尘埃粒子的荷质比，试验过程稳定可罪。(4)航天器一种微小尘埃颗粒采集方法与结构石英晶体微量天平的使用，良好的测量了通过粒子的质量变化，试验过程稳定可靠，复现性好。(5)具有原位监测航天器轨道环境粒子荷质比的特色，且适应于规模化试验、生
产、研究等。
图1是本发明一种微小尘埃颗粒采集方法与结构的设备结构示意图。
具体实施例方式如图1所示，本发明采用的一种微小尘埃颗粒采集方法与结构的设备结构包括 准直栅板1、待测颗粒2、中空柱状电容器3、光电倍增管信号放大器4、外接电容器5、石英晶体微量天平6、电极7、固定支架8、真空室9组成。真空室9内放置有准直栅板1、待测颗粒2、中空柱状电容器3、石英晶体微量天平6、电极7、固定支架8 ；固定支架8为两个对称的倒刀型结构组成，沿真空室9中轴线放置在真空室9的底部，中间有间隙，间隙处沿中轴线放置有石英晶体微量天平6，石英晶体微量天平6两极分别与正负电极7相连，在石英晶体微量天平6上方同轴Imm以上处放置有中空柱状电容器3，中空柱状电容器3烧铸在固定支架8两个倒刀型结构下部的“刀柄”部分中间位置，其中，中空柱状电容器3的直径大于石英晶体微量天平6的直径，在固定支架 8两个倒刀型结构上部的“刀身”部分自上而下对称设有2对凸起，用于放置三层结构的准直栅板1，具体为，每一层准直栅板都固定在凸起上，每对凸起之间间距以及凸起与固定支架8 “刀柄”部分上端面之间间距为2mm以上，优选为2. 5mm,固定支架8为95%氧化铝陶瓷材料，准直栅板1也应与中空柱状电容器3同轴放置；中空柱状电容器3同时与真空室9 以外的光电倍增管信号放大器4和外接电容器5相连；实施示例(1)试验样品为直径小于50 μ m的颗粒样品，将其装入粉尘颗粒荷电装置，使其通过微小尘埃颗粒荷质比测试仪的准直栅板1，调整石英晶体微量天平探测器6与微小尘埃颗粒荷质比测试仪电气控制盒通信使其正常工作，联接相关水、电、气辅助设备。(2)调整准直栅板1中孔与中空圆柱电容器3中心距离为0. Imm ；(3)调整石英晶体微量天平6与中空圆柱电容器3中心距离为0. Imm ；(4)微小尘埃颗粒荷质比测试仪系统稳定工作30分钟后，打开粉尘颗粒荷电装置，使其进入测试系统；(5)记录石英晶体微量天平和中空圆柱电容器的各种参数，主要包括石英晶体微量天平频率、温度，中空圆柱电容器的电压脉冲幅值等参数；(6)关闭微小尘埃颗粒荷质比测试仪系统，关闭微小尘埃荷电装置。回复试验设备至初始试验状态。
权利要求
1.一种微小尘埃颗粒采集方法与结构，其特征在于包括下列步骤(1)选择航天器表面适当位置安装微小尘埃颗粒采集装置。微小尘埃颗粒采集装置包括石英晶体微量天平、中空圆柱电容器、准直栅板、电气控制盒等；(2)调整准直栅板，使准直栅板中孔通过中空圆柱电容器中轴，以便于带电微小颗粒准直进入圆柱电容器；(3)调整石英晶体微量天平，使石英晶体微量天平准直于中空圆柱电容器中轴，以便于监测带电微小颗粒质量和电荷；(4)启动微小尘埃颗粒采集装置，设置石英晶体微量天平零点、调节外接电容；(5)微小尘埃颗粒通过微小尘埃颗粒采集装置；(6)原位记录石英晶体微量天平和中空圆柱电容器参数，主要包括石英晶体微量天平的频率值、温度值，中空圆柱电容器电压脉冲幅值等；(7)关闭石英晶体微量天平零点，关闭微小尘埃颗粒采集装置。回复试验设备至初始试验状态。
2.根据权利要求1所述的一种微小尘埃颗粒采集方法与结构，其特征在于所述步骤 ⑴中石英晶体微量天平的本征频率为IOMHz、15MHz、20MHz或更高频率；所述步骤(1)中空圆柱电容器电容是4. 5pF，电容器其内径0. 1595cm、外径0. 1875cm、长度为1cm。电容器被内径为0. 347的圆形黄铜支架包裹，支架与电容器之间填充聚氧化铝陶瓷，保证电容器不被外界干扰；所述步骤(1)中准直栅板中心孔是直径为0. 033cm ；所述步骤(1)中准直栅板含3块同样孔径的栅板；
3.根据权利要求1所述的一种微小尘埃颗粒采集方法与结构，其特征在于所述步骤(2)准直栅板中孔与中空圆柱电容器中心距离不超过0.1mm。
4.根据权利要求1所述的一种微小尘埃颗粒采集方法与结构，其特征在于所述步骤(3)中石英晶体微量天平与中空圆柱电容器中心距离不超过0.1mm。
5.根据权利要求1所述的一种微小尘埃颗粒采集方法与结构，其特征在于所述步骤(4)一种微小尘埃颗粒采集结构中石英晶体微量天平监测分辨率小于士 lHz/s —般稳定工作30分钟以上后微小尘埃颗粒进入测试系统。
6.根据权利要求1所述的一种微小尘埃颗粒荷质比测量方法，其特征在于所述步骤 (6)中通过微小一种微小尘埃颗粒采集方法与结构的微小尘埃颗粒质量小于lX10_6g。
7.根据权利要求1所述的一种微小尘埃颗粒荷质比测量方法，其特征在于所述步骤 (6)中频率、温度和电压脉冲幅值等监测参数的监测数据速率大于10次/s。
8.一种微小尘埃颗粒采集结构，主要包括准直栅板、待测颗粒、中空柱状电容器、光电倍增管信号放大器、外接电容器、石英晶体微量天平、电极、固定支架和真空室；其特征在于真空室内放置有准直栅板、待测颗粒、中空柱状电容器、石英晶体微量天平、电极、固定支架；固定支架为两个对称的倒刀型结构组成，沿真空室中轴线放置在真空室的底部，中间有间隙，间隙处沿中轴线放置有石英晶体微量天平，石英晶体微量天平两极分别与正负电极相连，在石英晶体微量天平上方同轴Imm以上处放置有中空柱状电容器，中空柱状电容器烧铸在固定支架两个倒刀型结构下部的“刀柄”部分中间位置，其中，中空柱状电容器的直径大于石英晶体微量天平的直径，在固定支架两个倒刀型结构上部的“刀身”部分自上而下对称设有2对凸起，用于放置三层结构的准直栅板，具体为，每一层准直栅板都固定在凸起上，每对凸起之间间距以及凸起与固定支架“刀柄”部分上端面之间间距为2mm以上， 固定支架为95%氧化铝陶瓷材料，准直栅板也应与中空柱状电容器同轴放置；中空柱状电容器同时与真空室以外的光电倍增管信号放大器和外接电容器相连；微小尘埃荷电装置放置在真空室的顶部。
9.根据权利要求8所述的一种微小尘埃颗粒采集结构，其特征在于每对凸起之间间距以及凸起与固定支架“刀柄”部分上端面之间间距优选为2. 5mm。
全文摘要
本发明公开了一种微小尘埃颗粒采集方法与结构，本方法提供航天器轨道环境中微小尘埃颗粒采集方法与结构方法，该方法可在模拟航天器轨道环境条件下，定量测量微小尘埃颗粒荷质比，提高了我国质量原位监测灵敏度，可达到1.10×10-9～4.42×10-9g/cm2，尘埃颗粒荷质比测试仪结构设计简单，主要有圆形栅板、中空圆柱电容器、QCM三部分组成，大大增加了试验测试过程中测量数据的准确性，降低了航天器轨道载荷使用风险，方法里中空柱状电容器的使用，减小了仪器设计尺寸，结合信号采集电路和组装盒，良好的测量了微小尘埃粒子的荷质比，试验过程稳定可靠，石英晶体微量天平的使用，良好的测量了通过粒子的质量变化，试验过程稳定可靠，复现性好。具有原位监测航天器轨道环境粒子荷质比的特色，且适应于规模化试验、生产、研究等。
文档编号G01N1/10GK102175486SQ201010624379
公开日2011年9月7日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者柏树, 田恺, 颜则东, 马亚莉 申请人:中国航天科技集团公司第五研究院第五一○研究所