[发明专利]电容-电离耦合式空间微米级碎片探测装置

说明书

本发明公开了一种电容‑电离耦合式空间微米级碎片探测装置，包括电容传感单元和电离传感单元，电容传感单元由金属层‑绝缘介质层‑金属层三层结构的靶标组成，电离传感单元由栅格和若干平行交错设置的电极组成，本发明将用于空间微米级碎片探测的电容式传感单元和电离式传感单元结合，在空间微米级碎片撞击事件发生时，通过两个单元的电压、电荷、脉冲时间信号综合处理，可在一次撞击事件中得到微米级碎片的速度、质量和密度。

技术领域

本发明属于航天技术空间环境探测技术领域，具体涉及一种电容-电离耦合式空间微米级碎片探测装置。

背景技术

近地轨道是人类太空活动的主要区域，近年来，随着太空活动的迅猛增加，空间碎片数量也急剧增加，不同尺寸的空间碎片其潜在威胁程度不同。微米级空间微小碎片占空间碎片总体数量的99％以上，对航天活动存在严重影响。因此极有必要对其进行监测，监测手段主要是在轨监测。现有的探测手段有PVDF型探测器[1张庆志.基于PVDF压电传感器的空间微小碎片探测系统规划研究.中北大学硕士学位论文.2012；2曹光伟.空间微小碎片探测器研制.中国科学院空间科学与应用研究中心硕士学位论文.2007.]，其工作原理为碎片撞击时，PVDF产生去极化反应。这种去极化反应将产生一个瞬时快电荷脉冲，通过电子学电路处理后得到碎片撞击特性。这种探测器存在的缺点是无法推算碎片的质量、速度、密度数值。

中国航天科技集团公司第五研究院第五一〇研究所申请了《一种空间微小碎片的探测方法》，利用探测薄膜暴露在空间进行微小碎片俘获，然后将探测薄膜运回地面，采用物理分析方法分析微小碎片的注入深度和碎片化学组成，根据撞击深度公式的计算，注入深度可以反映出入射碎片的尺寸。这种方法不能确定碎片的速度信息，无法实时探测碎片，具有很大的局限性。

北京空间飞行器总体设计部公开了《微小空间碎片探测用探测器探头及其传感器制备方法》专利，采用金属铝制备碎片探测的灵敏区，但无法探测碎片的速度、密度等数值。

发明内容

为了评估微米级空间微小碎片对航天器运行的影响，需要获得碎片的精确信息，包括质量、密度、速度等参数。为此，本发明的目的是提供一种电容-电离耦合式空间微米级碎片探测装置。

本发明采用了如下的技术方案：

电容-电离耦合式空间微米级碎片探测装置，包括电容传感单元和电离传感单元，电容传感单元由金属层-绝缘介质层-金属层三层结构的靶标组成，电离传感单元由栅格和若干平行交错设置的电极组成，且电离传感单元位于电容传感单元上方，相距一定距离，其中，栅格接地，电极按奇偶顺序设置在格栅上，奇数序号电极接高电压，偶数序号电极接地，同时奇数序号电极还与电离传感器放大器电路连接，电容传感单元表面金属层接电压负极，另一金属层接电阻，然后接电源正极。

其中，奇数序号电极接高电压为300V。

其中，所有的奇数序号电极末端都一起连接至信号放大器电路，所有的偶数序号电极末端都一起连接接地。

其中，空间微小碎片穿过电离传感单元栅格和电极的间隙，撞击电容传感单元的上层金属层，撞击作用下产生冲击波和热量，导致电容传感单元电阻系数瞬时减小，从上层金属层测量得到电容放电电压。

其中，金属层为铝或银。

其中，金属层的厚度不同，要大于空间碎片直径。

其中，绝缘介质层为是聚甲基丙烯酸甲酯或聚硅氧烷。

进一步地，两层金属层为厚20μm的铝，绝缘介质为厚1.5μm聚甲基丙烯酸甲酯，电容探测单元电压U_C为200V，电离单元U_I电压为300V。