[发明专利]一种空间氢原子原位微型探测器及探测方法

说明书

本发明公开了一种空间氢原子原位微型探测器及探测方法，该微型探测器包括外壳、保护门Ⅰ、保护门Ⅱ、氢富集单元及氢探测传感器；保护门Ⅰ封闭外壳，形成存储氢的空间，氢富集单元设置在保护门Ⅰ内，氢原子经由保护门Ⅰ进入并存储在氢富集单元上，氢探测传感器设置在外壳内，通过保护门Ⅱ将氢探测传感器隔离。本发明能够搭载在微纳卫星平台上，探测出极低浓度的氢原子浓度，并且精度高、功耗低、体积小。

技术领域

本发明涉及气体浓度的探测的技术领域，具体涉及极低浓度(10¹¹个/m³)氢原子浓度的探测，用于在空间大气环境中氢原子浓度在轨原位探测。

背景技术

空间环境中H元素的丰度为95％，H元素的探测对于揭示宇宙起源、验证大爆炸理论及宇宙红移理论具有重要的学术价值及科学意义。原子氢是上层空间环境大气成分中最主要的中性成分，其成分变化对于超高层大气物理学、太阳物理学都有重要的意义，例如，大气化学、等离子体与中性粒子耦合过程、磁层的能量耗散过程以及地磁风暴都与其有关。另外，作为大气环境中最轻的中性成分，原子氢对于脱离行星引力所需要的能量最低，据估计地球中氢原子逃逸到外层空间中的速度大约为10⁸cm^-2s^-1，从长远看对于大气演化过程具有深远的意义。

不同于地面环境中氢是以氢气的形式存在，空间环境中的氢元素存由于受等离子体环境中的高能电子及太阳光的辐射作用下，是以单原子H或者H₂两种状态存在，并且浓度非常低，只有10¹¹个/m³,因此利用常规方法很难进行氢气检测。因此氢原子探测尤其在轨原位探测技术在国际上属于较难解决的问题。

最近几年随着世界各国对空间环境及空间科学认知能力的提升以及相关探测技术的不断发展，对于地球轨道环境中氢元素探测需求不断提高，例如，2016年Jianqi Qin和Lara Waldrop等人在Nature communications上发表的关于地球地冕中H原子浓度的探测结果，该项研究对于揭示在太阳不同活动周期内的氢原子分布状态进行详细的研究并进行分析。报道中指出，氢元素探测的手段是以太阳最为背景，通过对H原子吸收能量后所发射出的特定波长的光谱进行探测。因此，国外对氢原子的探测通常利用大功率的高频射电望远镜在地面进行遥感探测或者利用航天飞机以及大型卫星搭载复杂的光学成像系统对氢元素进行探测。例如，通过射电望远镜观测氢原子中的超精细结构21cm禁戒跃迁所发射的射电辐射来探测氢原子。这类观测一般适用于低红移的中性氢观测。另一种中性氢的观测方法是利用高红移的天体作为背景光源，当这些光源天体在视线方向存在中性氢云时，中性氢云会在光源天体的连续谱上产生吸收线，然后根据吸收线的特征来推断中性氢吸收体的性质。另外，例如美国1957年首次从火箭上搭载的地冕扫描成像仪对地球大气层氢原子密度进行探测，该项研究对于揭示地冕最外层环境中H浓度具有重要的意义。卫星通过搭载GUVI光谱成像仪度一个太阳活动周期内的地冕气辉进行成像分析，获得了目前地冕环境中最为准确的H原子随太阳活动周期波动的详细数据。

微纳卫星星座式立体分布和实时探测等特点，非常适合作为空间氢探测的搭载平台。目前我国已经开始利用微纳卫星平台进行空间氢探测。但是，由于微纳卫星的重量轻、体积小、功耗低和寿命短等自身特点，其对于载荷的体积、重量和功耗等方面的有了严格限制。因此，研制探测精度高、低功耗、小体积的微传感器技术是实现微纳卫星氢探测技术的关键。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种空间氢原子原位微型探测器及探测方法，该微型探测器能够搭载在微纳卫星平台上，探测出极低浓度的氢原子浓度，并且功耗低、体积小、重量轻。

本发明的具体实施方案如下：

一种空间氢原子原位微型探测器，该微型探测器包括外壳、保护门Ⅰ、保护门Ⅱ、氢富集单元及氢探测传感器；

所述氢富集单元用于存储氢原子并释放氢；