一种基于放射源的便携式空间电场检测仪及其测量方法
【专利摘要】本发明提供一种基于放射源的便携式空间电场检测仪及其测量方法，所述的检测仪包括：放射源（6）、放射源盒（2）、两片偏压板（3）和探测腔（7），所述探测腔（7）的侧壁设有若干个侧壁传感器（5），其两个端口均设有探测腔底板（4），该探测腔底板（4）与探测腔（7）密封连接，该探测腔底板（4）的内表面上还装有顶部传感器（8），所述的放射源（6）固定于放射源盒（2）内；本发明利用放射源出射两个不同能量的带电粒子，通过测量带电粒子在探测腔中偏转的运动学量，即可反推出空间电场的大小及方向，测量过程简单，且由于空间电场的测量是在探测腔内进行，探测腔内为真空，能够有效减少环境对测量结果的影响。
【专利说明】一种基于放射源的便携式空间电场检测仪及其测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及空间电场测试测量【技术领域】，尤其涉及一种基于放射源的便携式空间电场检测仪。
【背景技术】
[0002]在外层空间，电场的监测对于了解近地空间电状态是不可缺少的。可以为太阳活动对近地空间天气的影响、雷暴和地震预警，以及航天活动等提供直接的观测资料。提高对灾害性空间天气的预警预报能力。在地面上，电场的检测在探矿、静电检测、航天器件充放电等方面也发挥重要作用。
[0003]目前，国际上比较成熟的空间电场的测量方法主要有两种:双探针电场测量法和电子漂移电场测量法。双探针探测电场原理实际上与电压表测量电压的原理相类似，即测量浸入等离子体中两点之间的电位差。其方法如说明书附图中的图1所示，在探测仪外部向空间伸出两杆，在各自的端头安装了与其有电性绝缘的金属球作为探针，即电场传感器，当两探针上的电位与其各自周围等离子体的电位一致时，测量出两探针之间的电位差，根据两探针之间的距离就能够得到沿伸杆方向的电场分量，即:
[0004]E = [ (Vxl-Vs)-(Vx2-Vs) ]/d
[0005]上式中，d为两探针之间的距离，Vxl和Vx2是杆两端的电势，Vs是杆中间的电势。这种空间电场测量方法的缺点是探针暴露在空间中，容易受到环境的影响，需要用前置放大器，探针会受到电容耦合的干扰，并且不方便确定电场的方向。
[0006]另一种空间电场的测量方法为电子漂移测量法，该测量方法的原理如说明书附图中的图2所示。在一些重要的等离子环境中，由于等离子体的密度特别稀薄，以至于电场也非常小(〈lmV/m)。在这些场合，如果采用双探针测量法就很难将所需要探测的电场与飞船的尾流、光电子，以及等离子鞘所形成的感应电场相区分开，这时就需要使用电子漂移电场测量法测量电场。
[0007]电子漂移测量法通过测量一个充电粒子在垂直于电场和磁场方向的导引中心漂移速度间接地测量电场。该漂移速度和电磁场的关系可以表示为
[0008]
I I
ExB
Vd= 了
[0009]上式中，Vd为引导中心漂移速度，佥为电场，A为磁场，在一致周边磁场的前提下，只需测量带电粒子的漂移速度，就可以通过计算得到电场。
[0010]上述方法在磁场较大时比较适用，但当磁场较小时，带电粒子的漂移位移就会很大，超出卫星的探测能力。例如，对于给定的一个电场(lmv/m)，在低轨道高度时(磁场强度约25000nT)，带电粒子的漂移位移约0.06mm，但在太阳风或等离子鞘中(磁场强度5nT)，漂移位移会达到1428m，这时就无法采用测量漂移位移的方法。[0011]当发射的波束由于不稳定或者与周边的波动的相互作用导致严重发散时，会使测量失败；电场或者磁场的快速变化都会造成对波束探测失败；并且仅使用有限范围的电子能量来精确分离漂移的电分量和磁分量是不太可能的。
[0012]以上方法的共同缺点是在测量空间电场时受环境的影响较大，比如光的影响，等离子浓度和速度的影响，双探针还需要前置放大器，探针也较长，也不方便测定电场的方向性，漂移法还依赖于空间磁场，实现的技术难度大。
【发明内容】
[0013]本发明的目的在于，为解决现有技术中的空间电场测量受环境的影响较大的技术问题，本发明提供一种基于放射源的便携式空间电场检测仪及其测量方法，本发明利用放射源出射两个不同能量的带电粒子，通过测量带电粒子在探测腔中偏转的运动学量，即可反推出空间电场的大小及方向，测量过程简单，且由于空间电场的测量是在探测腔内进行，探测腔内为真空，能够有效减少环境对测量结果的影响。
[0014]为实现上述目的，本发明提供一种基于放射源的便携式空间电场检测仪，所述的检测仪包括:放射源、放射源盒、两片偏压板和探测腔，所述探测腔为圆柱形真空腔体，其侧壁设有若干个侧壁传感器，其两个端口均设有探测腔底板，该探测腔底板与探测腔密封连接，该探测腔底板的内表面上还装有顶部传感器，所述的放射源固定于放射源盒内，该放射源盒的开口端、两片偏压板和探测腔一端同轴依次连接，并沿轴线方向的各连接处均设有贯通孔。
[0015]作为上述技术方案的进一步改进，所述的检测仪还包括手柄，该手柄的敞口端套设于放射源盒上，并与探测腔一端的探测腔底板外表面密封连接。
[0016]作为上述技术方案的进一步改进，所述的偏压板为圆片形结构，其与放射源盒的直径均为50mm,两片偏压板之间距离为3mm。
[0017]作为上述技术方案的进一步改进，所述的放射源盒采用铅材料制成。
[0018]作为上述技术方案的进一步改进，所述探测腔的直径为100mm，长度为500mm，厚度为5mm，其采用绝缘材料制成；所述探测腔底板的直径为100mm，厚度为2mm，采用绝缘材料制成。
[0019]作为上述技术方案的进一步改进，所述侧壁传感器为弧形片状结构，其弧长为
9.82mm,宽度为8mm，厚度为2.5mm。
[0020]作为上述技术方案的进一步改进，所述顶部传感器为圆形结构，其半径为45mm，厚度为2.5_。
[0021]作为上述技术方案的进一步改进，所述偏压板和探测腔一端的连接处的贯通孔的直径均为5mm。
[0022]根据上述的基于放射源的便携式空间电场检测仪，本发明还提供一种基于放射源的便携式空间电场检测仪的测量方法，所述的测量方法包括:
[0023]步骤I)放射源出射两个不同能量的带电粒子，并经两片偏压板调速之后通过贯通孔进入探测腔，在空间电场的作用下带电粒子发生偏转，最终打在探测腔的侧壁传感器上；
[0024]步骤2 )利用步骤I)中的侧壁传感器计算得出两个带电粒子在探测腔内沿轴线方向的移动位移；
[0025]步骤3)根据步骤2)中获得的移动位移，测量带电粒子在电场中的运动学量，两个带电粒子的径向运动学方程组为:
[0026]
【权利要求】
1.一种基于放射源的便携式空间电场检测仪，其特征在于，所述的检测仪包括:放射源(6)、放射源盒(2)、两片偏压板(3)和探测腔(7)，所述探测腔(7)为圆柱形真空腔体，其侧壁设有若干个侧壁传感器(5)，其两个端口均设有探测腔底板(4)，该探测腔底板(4)与探测腔(7)密封连接，该探测腔底板(4)的内表面上还装有顶部传感器(8)，所述的放射源(6)固定于放射源盒(2)内，该放射源盒(2)的开口端、两片偏压板(3)和探测腔(7)—端同轴依次连接，并沿轴线方向的各连接处均设有贯通孔。
2.根据权利要求1所述的基于放射源的便携式空间电场检测仪，其特征在于，所述的检测仪还包括手柄，该手柄的敞口端套设于放射源盒(2)上，并与探测腔(7) —端的探测腔底板(4)外表面密封连接。
3.根据权利要求1所述的基于放射源的便携式空间电场检测仪，其特征在于，所述的偏压板(3)为圆片形结构，其与放射源盒(2)的直径均为50mm，两片偏压板(3)之间距离为3mm 。
4.根据权利要求1所述的基于放射源的便携式空间电场检测仪，其特征在于，所述的放射源盒(2)采用铅材料制成。
5.根据权利要求1所述的基于放射源的便携式空间电场检测仪，其特征在于，所述探测腔(7)的直径为100mm，长度为500mm，厚度为5mm，所述探测腔底板(4)的直径为100mm，厚度为2mm，该探测腔(7)与探测腔底板(4)均采用绝缘材料制成。
6.根据权利要求1所述的基于放射源的便携式空间电场检测仪，其特征在于，所述侧壁传感器(5)为弧形片状结构,其弧长为9.82mm,宽度为8mm,厚度为2.5_。
7.根据权利要求1所述的基于放射源的便携式空间电场检测仪，其特征在于，所述顶部传感器(8)为圆片形结构，其半径为45mm,厚度为2.5mm。
8.根据权利要求1所述的基于放射源的便携式空间电场检测仪，其特征在于，所述偏压板(3)和探测腔(7) —端的连接处的贯通孔的直径均为5mm。
9.根据权利要求1-8之一所述的基于放射源的便携式空间电场检测仪所实现的测量方法，其特征在于，所述的测量方法包括: 步骤I)放射源出射两个不同能量的带电粒子，并经两片偏压板调速之后通过贯通孔进入探测腔，在空间电场的作用下带电粒子发生偏转，最终打在探测腔的侧壁传感器上； 步骤2)利用步骤1)中的侧壁传感器计算得出两个带电粒子在探测腔内沿轴线方向的移动位移； 步骤3)根据步骤2)中获得的移动位移，测量带电粒子在电场中的运动学量，两个带电粒子的径向运动学方程组为:
10.根据权利要求9所述基于放射源的便携式空间电场检测仪的测量方法，其特征在于，当所述的两个不同能量的带电粒子所带电荷量及质量不相等时， 则有，所述的径向空间电场分量表示为:
【文档编号】G01R29/12GK103576003SQ201310594492
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月21日 优先权日:2013年11月21日
【发明者】汪金龙, 孙建军, 张振龙, 曹旭纬, 杨涛, 吴逢时, 郑汉生 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心