一种卫星差异电位的测量装置的制作方法

本发明涉及卫星防护领域，尤其涉及一种用于中高轨道卫星的卫星差异电位的测量装置。

背景技术：

卫星表面由于空间等离子体的附着作用，会形成类似地面静电带电的表面充电，表面充电会造成卫星与空间环境之间存在电位差，此即卫星表面悬浮电位。当卫星表面与空间环境之间出现过大的电位差，例如，在静止轨道卫星可以造成负2万伏高压，这样就会造成卫星表面与空间环境之间或者表面不同部分之间由于电位差别过大而出现放电现象(即如地面的静电放电)，或者造成卫星的仪器测量不准。静电放电会释放出来电流脉冲、电磁脉冲及热脉冲，电流脉冲和电磁脉冲都会直接或间接耦合进卫星电子学系统，干扰甚至伤害卫星安全。因此，需要测量卫星表面充电，从而为卫星的防护设计和运管提供技术建议。

卫星表面充电后的卫星结构地与空间等离子体之间的电位称之为卫星结构电位，卫星表面充电后的不同表面处与卫星结构地之间的电位称之为卫星差异电位，对于卫星充电放电探测而言，对于卫星差异电位的测量是重要内容之一。

目前，卫星表面充电的电位测量可以采用由朗缪尔探针法、电容分压法、静电分析器法等方法和途径来实现。相对来说，朗缪尔探针法测量精度高，但可以测量的电位范围窄；电容分压法测量原理简单、结构简洁，但电容分压法测量的是样本而非卫星蒙皮表面；静电分析器法测量原理清楚、技术成熟，但相对结构复杂。

技术实现要素：

因此，为了克服上述问题，本发明提供一种卫星差异电位测量装置，包括：准直器、加速栅网、传感器、电子学部分及机壳，其中：加速栅网包括两层，这两层加速栅网分别被加载不同的高压从而在二层加速栅网所构成的空腔内形成强电场，空间电子进入加速栅网后被加速；传感器包括至少一片半导体传感器，当空间电子进入该半导体传感器时由于损失能量而在其两侧电极激起电信号脉冲；电子学部分用于对传感器提供的电信号进行处理，以提供反映空间电子在传感器内沉积能量的信号，并分析得到空间电子的能量，测量进入本发明测量装置的空间电子的能谱，并依据测量到的空间电子的能谱的峰值所在的能量点，得到卫星差异电位值。

根据本发明的测量装置的一个实施例，电子学部分包括：主放大器，用于将一路成形电路输出的信号进行放大；峰保电路，用于对主放大器放大后的信号进行脉冲峰值保持；A/D采集电路，用于对峰值保持后的信号进行模数转换；FPGA电路，用于将所有的A/D采集电路得到的数字信号进行幅度分析和数据处理，其中不同的幅度代表着不同能量的电子或质子。

根据本发明的测量装置的又一个实施例，电子学部分包括：主放大器，用于将一路成形电路输出的信号进行放大；峰保电路，用于对主放大器放大后的信号进行脉冲峰值保持；A/D采集电路，用于对峰值保持后的信号进行模数转换；FPGA电路，用于将所有的A/D采集电路得到的数字信号进行幅度分析和数据处理，其中不同的幅度代表着不同能量的电子或质子；前置放大器，用于将传感器输出的反应带电粒子沉积能量的电荷信号进行放大并转变成电压脉冲信号；及成形电路，用于将前置放大器输出的电压脉冲信号成形输出。

优选地，本发明的测量装置嵌入式地安装在卫星表面，且其外表面与卫星外表面垂直高度相差小于±2mm。

优选地，在本发明的测量装置中，加速栅网与传感器的平行度不低于30度，以避免造成加速电场畸变从而尽量导致测量误差放大。

优选地，本发明的测量装置中，加速栅网通过金属膜中间开孔制作而成；当分别为其二层栅网加载高压时，在二层栅网所构成的内部空腔内形成强电场；且栅网对于空间电子的透过率不低于30％。

优选地，本发明的测量装置中，半导体传感器采用厚度为大于0.1mm、小于3mm、灵敏面积不小于2mm×2mm的硅或金刚石类传感器，半导体传感器对应的前置放大器采用集成运放电容反馈方式。

优选地，本发明的测量装置的电气地电位与卫星整星结构的地电位保持一致，或者之间电位差为已知定值。

可选地，本发明的测量装置还包含卫星接口电路，用于与卫星总线进行通信。

本发明的卫星差异电位测量装置具有相对结构简单、原理清晰、安装要求低的特点。其可以安装在中高轨道的各类卫星上，用于测量卫星表面蒙皮或其他部件的表面与卫星结构地之间的电位差。

附图说明

图1为本发明的卫星差异电位测量装置在卫星上的安装位置的示意图。

图2为卫星表面部位及空间等离子体的电位之间的关系示意图。

图3为本发明的卫星异电位测量装置的一个优选实施例的结构示意图。

图4为本发明的卫星差异电位测量装置的一个优选实施例中包含的加速栅网的俯视图。

图5为根据本发明的卫星差异电位测量装置的一个优选实施例的电气实现原理框图。

附图标记

1、可测的次级电子 2、测量装置 3、卫星表面

4、空间等离子体鞘层 5、空间等离子体电位 6、卫星结构电位

7、卫星表面电位 8、卫星表面次级电子 9、准直器

10、加速栅网 11、传感器 12、机壳

13、电子学部分

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的卫星差异电位测量装置进行详细说明。

图1显示了本发明的卫星差异电位测量装置在卫星上的安装位置的示意图，测量装置2嵌入式地安装在卫星表面3，且其外表面与卫星外表面3的垂直高度相差小于±2mm。空间等离子体鞘层4为空间等离子体受到卫星扰动的区域，该区域内等离子体电位是不均匀的，呈现一个由卫星表面极高而向卫星内部逐渐降低的分布。

图2为本发明涉及到的卫星表面不同部位之间及与空间等离子体之间电位关系示意图。如图2所示，以未受扰动的空间等离子体电位5为零电位，卫星表面电位7为负电位，因为在中高轨道的卫星通常由于空间等离子体温度较高而充电到-20kV的量级负电位。另外卫星表面电位7会由于二次电子反射率、电容等差异导致与卫星结构的地电位不一致。当卫星表面受到空间离子或太阳光照射时，均会释放出次级电子，电子温度为eV量级，呈现出峰值在eV量级的电子谱，这些次级电子会受到其他高电位的吸引而飞向其他地方，诸如高电位的空间等离子体或相对高电位的测量装置，次级电子在飞到测量装置的过程中会不断受到表面差异充电电位差的加速而获得能量，从而导致到达测量装置的次级电子比卫星表面次级电子的能谱整体发生偏移。如此，依据测量装置获得的电子能谱，依据上述能谱偏移机制，即可给出差异电位大小。

图3为本发明的卫星差异电位测量装置的一个优选实施例的结构示意图。如图3所示，包括：准直器9、加速栅网10、传感器11、机壳12及电子学部分13，其中：加速栅网10包括两层，这两层栅网分别被加载不同的高压从而在该二层栅网构成的空腔内形成强电场，空间电子在进入加速栅网后由于强电场的作用而被加速；传感器11包括至少一片半导体传感器，当空间电子进入该半导体传感器时由于损失能量而在其两侧电极激起电信号脉冲；电子学部分13用于对传感器11提供的电信号进行处理，以提供反映空间电子在传感器11内沉积能量的信号，并分析得到电子的能量。测量获得进入此测量装置的空间电子的能谱，并依据测量到的空间电子能谱的峰值所在的能量点，得到卫星差异电位值。

在本发明的一个实施例中，加速栅网与传感器的平行度不低于30度，以避免造成加速电场畸变从而尽量导致测量误差放大。

根据本发明的测量装置的一个实施例，电子学部分13包括：主放大器，用于将一路成形电路输出的信号或两路成形电路输出的信号经过相加电路后输出的信号进行放大；峰保电路，用于对每个主放大器放大后的信号分别进行脉冲峰值保持；A/D采集电路，用于对峰值保持后的信号进行模数转换；FPGA电路，用于将所有的A/D采集电路得到的数字信号进行幅度分析和数据处理，其中不同的幅度代表着不同能量的电子或质子。

根据本发明的测量装置的一个实施例，电子学部分13还包括前置放大器及成形电路，前置放大器用于将传感器输出的反应带电粒子沉积能量的电荷信号分别进行放大并转变成电压脉冲信号，成形电路将前置放大器输出的电压脉冲信号成形输出。根据本发明的一个优选实施例，该卫星差异电位测量装置安装在卫星上时，其外表面与卫星外表面平齐。

本发明的一个实施例中，半导体传感器采用厚度为大于0.1mm、小于3mm、灵敏面积不小于2mm×2mm的硅或金刚石类传感器，半导体传感器对应的前置放大器采用集成运放电容反馈方式。

图4为根据本发明的卫星差异电位测量装置的一个优选实施例中包含的加速栅网的俯视图。在此优选实施例中，加速栅网为例如不锈钢的金属材料制成，且两者较好地完全平行，如果二者不完全平行，即呈现一定的夹角，则会导致加速电场畸变从而导致测量误差变大，测量夹角越大误差越大。对于空间电子的透过率为90％。可替代的，本发明的测量装置中的加速栅网对空间电子的透过率不低于30％。

优选地，本发明的测量装置中，装置的电气地电位与卫星整星结构的地电位保持一致，或者之间电位差为已知定值。

根据本发明的一个实施例，半导体传感器采用厚度为0.3mm离子注入型Si-PIN、灵敏区直径为12mm，半导体传感器对应的前置放大器采用集成运放电容反馈方式。

可选地，本发明的测量装置还包含卫星接口电路，用于与卫星总线进行通信。

图5所示为根据本发明的一个实施例的测量装置的电气实现原理框图，其中虚线中的各个部件构成该测量装置。具体来说，空间电子经过加速栅网10后先后进入传感器11，在传感器11内损失能量，于是在传感器两侧电极激起电信号脉冲。利用前置放大电路、成形电路、主放大电路对电信号进行放大和整形，最后再利用峰保电路获取电压的变化峰值，并将获取的变化峰值送给A/D采集电路。A/D采集电路输出端与FPGA电路的输入端相连，FPGA电路对信号进行组合处理，而后FPGA电路通过卫星接口电路将该数据传送给卫星电子系统。

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当理解，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。