ДЕТЕКТОР МИКРОМЕТЕОРИТНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 1995 года по МПК G01T1/34 H01J27/00 

Изобретение относится к космической технике и предназначено для исследования степени и характера загрязнения околоземного космического пространства техногенными и микрометеоритными частицами с целью решения фундаментальных и прикладных задач (например изучение распределения микрометеоритных частиц на различных высотах и защита элементов конструкций КЛА), а также для определения плотности верхних слоев атмосферы. Известно, что в настоящее время на околоземных орбитах находится значительное количество техногенных частиц, образовавшихся в результате эксплуатации космических средств (фрагменты КЛА, отделяемые элементы, микрочастицы, образованные в результате подрыва космических объектов и т.д.), которые совместно с микрометеоритами естественного происхождения оказывают разрушительное действие на функционирование КЛА. Некоторые сведения о параметрах, количестве и плотности распределения указанных частиц были получены с помощью наземных станций слежения, не позволяющих, однако, получать сведения мелких частицах (1-10 см), являющихся в основном главным источником загрязнения космического пространства [1]
Известен КЛА серии "Пегас" ("Пегас 1,2,3" 1965-1966 гг), содержащий раскрываемую оболочку (поверхность) в качестве детектора как регистратора факта пробивания поверхности техногенными частицами и микрометеоритами [2]
На указанных КЛА серии "Пегас" были установлены конденсаторные пленочные структуры (МДМ-структуры), регистрирующие факт взаимодействия частиц с преградой [3]
При этом характеристики частицы (скорость, масса, плотность) здесь не могут быть определены, что является существенным недостатком подобных детекторов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому детектору является выбранное в качестве прототипа устройство для определения параметров пылевых частиц скорости и массы при априори заданной плотности. В качестве такого устройства используется ионизационный детектор полусферической формы, являющийся автономным прибором в составе космического летательного аппарата и содержащий полусферическую мишень, в центре которой установлен приемник ионов полусферической формы, соединенный с блоком обработки [4]
Недостатком ионизационного детектора является наличие неопределенности задания плотности частицы, что связано с неопределенностью в определении скорости и массы (измеряются только два параметра общий заряд и время разлета плазмы, а параметров частицы три). Другим недостатком ионизационного детектора является наличие шумов, обусловленных воздействием на его чувствительную поверхность составляющих галактических лучей и солнечного ветра. Использование электростатической защиты слабо защищает датчик. Уровень шумов резко (1-2 порядка) увеличивается при увеличении площади чувствительной поверхности детектора, что ограничивает чувствительность по массе частицы, которые редко соударяются с небольшой площадью чувствительной поверхности (реально 100-200 см²), так что использование детектора ионизационного типа для определения параметров частиц даже при его длительном экспонировании является малоэффективно, если посмотреть известные распределения микрометеоритов в пространстве, полученные в результате десятка наиболее удачных прямых экспериментов и отличающихся друг от друга почти на порядок.

Очень важным недостатком является невозможность практически зарегистрировать ионные импульсы ионизационным датчиком при взаимодействии с ним частиц со скоростями ниже 4-5 км˙см^-1 в связи с незначительным количеством ионов, инициируемых с чувствительной поверхности детектора. Так известно, что даже начальное количество ионов, полученных при скорости соударения 1-2 км˙с^-1 масс частиц -10^-14-10^-13 г, составляет всего несколько сотен.

Другим недостатком, присущим как регистраторам на основе конденсаторных пленок, так и ионизационному детектору, является ограниченный угол обзора, невозможность определения вектора скорости частиц.

Технической задачей изобретения является повышение точности определения характеристик техногенных, микрометеоритных частиц и помехозащищенности, расширение функциональных возможностей и динамического диапазона измеряемых параметров частиц.

Поставленная задача достигается тем, что детектор микрометеоритных и техногенных частиц содержит две оболочки, внешняя из которых служит мишенью, а внутренняя приемником ионов, выполненные в виде пленки структуры металл-диэлектрик-металл сферической формы, имеющие общий центр, установленные одна внутри другой и соединенные между собой диэлектрическими стропами, внутренняя оболочка дополнительно соединена с внешней оболочкой с помощью полого цилиндрического пленочного кабеля, внутренняя металлическая обкладка внешней оболочки подключена к источнику постоянного напряжения, положительной полярности, на внешнюю металлическую обкладку внутренней оболочки подключен источник отрицательной полярности, внешняя металлическая обкладка внешней оболочки соединена с корпусом источника напряжения, причем внешняя обкладка внутренней оболочки и внутренняя обкладка внешней оболочки соединены с блоком обработки информации. Внешняя оболочка состоит из нескольких секторов, сварочные швы которых выполнены двойными и газонаполненными. Авторами впервые предложена оригинальная конструкция Устройства, служащая одновременно космическим летательным аппаратом и многопараметрическим детектором пылевых частиц, выполненным на больших площадях чувствительной поверхности.

На фиг.1 изображен общий вид детектора частиц после отделения его от базового КА носителя; на фиг.2 временные диаграммы напряжений с конденсаторного и ионизационного датчиков сферического детектора частиц; на фиг.3 сварочные швы, связывающие секции конденсаторных датчиков друг с другом; на фиг. 4 разрез А-А на фиг.3; на фиг.5 блок-схема устройства обработки информации.

Детектор микрометеоритных и техногенных частиц содержит датчики ионизационного и конденсаторного типов. Конденсаторные датчики выполнены в виде секций (СI), из которых сварена внешняя оболочка 1. Ионизационный датчик 2 выполнен также из пленочных конденсаторных секций, соединенных между собой с помощью сварки в виде шара (внутренняя оболочка). Сварка внешней и внутренней оболочек выполнена из двух швов, образующих каналы, наполненные воздухом. Сварочные швы выполнены герметичными, так, чтобы основная часть воздуха из них не успела выйти за время существования аппарата (≈2-3 сут.) для сохранения формы детектора. Внутренняя и внешняя оболочки связаны между собой стропами 3, имеют один центр и выполнены из органической металлизированной с двух сторон пленки структуры металл-диэлектрик-металл. Конденсаторные секции внешней оболочки 1 образуются путем травления металлизированных участков, прилегающих к швам с внутренней стороны внешней оболочки 1. Внешняя сторона оболочки 1 представляет собой единый для всех конденсаторных секций экран (корпус), обеспечивающий высокую помехозащищенность ионизационного датчика 2 (приемник ионов) от электромагнитных наводок, протонов, электронов. Мишенью (чувствительной поверхностью) ионизационного датчика служит пленочная конденсаторная структура внешней оболочки 1. Внутренняя оболочка соединена с внешней оболочкой полым пленочным цилиндрическим кабелем 4. Внутренняя и внешняя оболочки имеют отверстия для выхода воздуха. Внешнее металлизированное покрытие внутренней оболочки и внутренние металлизированные покрытия (обкладки конденсаторов) внешней оболочки соединены соответственно с минусом (-30 В) и плюсом (+10-+50 В) источника постоянного напряжения.

Внешняя обкладка пленочного приемника ионов соединена с усилителем 5, выход которого соединен с блоком 6 анализа ионного импульса, а выходы конденсаторов внешней оболочки 1 соединены с блоком 7 регистрации частиц 7. Блоки 6 и 7 соединены с радиотелеметрическим блоком 8 детектора. Блок обработки информации содержит интегратор 9, вычитающие устройства 10 и 11, интеграторы 12 и 13. Выходы интегратора 9 и вычитающих устройство 10 и 11 объединены и являются входом устройства. Выходы интеграторов 9 и 12 соединены с вторым входом вычитающих устройств 10 и 11, выходы которых соединены с входами интеграторов 12 и 13, выходы которых, а также выход интегратора 9 являются выходами Z₁, Z₂ и Z₃ устройства обработки.

Детектор частиц функционирует следующим образом.

После отделения и раскрытия двух оболочек из них выходит воздух через имеющиеся в них отверстия, после чего детектор готов к работе. При пробое частицей одной или двух конденсаторных структур внешней оболочки 1 последняя кратковременно закорачивается и за счет приложенного к ней постоянного напряжения от источника питания (фиг.1) восстанавливается. В результате в соответствующем секторе (конденсаторе) образуется импульс U_с (фиг.2), который подается в блок 7. Таким образом, номер одного или двух конденсаторов и импульс, несущий информацию о начале процесса, записываются в блок 7.

Через время, определяемое скоростью разлета ударной плазмы, на коллекторе ионов за счет приложенного поля образуется ионный импульс (фиг.2), который усиливается усилителем 5 и подается в блок 6 анализа ионного импульса. В блоке 6 анализа сигнал с ионизационного датчика анализируется согласно алгоритму (фиг.4). Информация о характеристиках ионного импульса используется при анализе параметров частицы (скорость, размер, плотность) в соответствии с разработанной методикой обработки.

Структурная схема блока измерения вектора Z, реализующая алгоритм вида
Z_к= x(t)t^кdt показана на фиг.4.

Передаточные функции блоков структурной схемы представлены в виде

Блок-схема (фиг. 5) работает следующим образом. При ударе частицы в мишень (фиг. 1) образуется плазма, инициирующая на входе усилителя 5 (фиг.1) импульс тока, который интегрируется интегратором 9 (фиг.5). Измеряется общий суммарный заряд ионов, пропорциональный массе и скорости частицы, одновременно сигнал подается на два вычитающих устройства 10 и 11, на другие входы которых поступают с интеграторов 9 и 12 проинтегрированные сигналы.

Таким образом, с интеграторов 12 и 13 измеряются заряды, пропорциональные соответственно положению центра тяжести импульса тока и его дисперсии, т.е. пропорциональные скорости частицы и связанные с ее плотностью соответственно.

Полезный сигнал с выхода усилителя 5 (фиг.1) S(t,а₁,а₂,а₃) является функцией параметров а₁,а₂,а₃ однозначно связанных с массой, скоростью, плотностью частицы.

Практическая реализация изобретения осуществлялась на специально изготовленной модели детектора ионизационно-конденсаторного типа, внешняя и внутренняя оболочки которой выполнены из лавсановой металлизированной с двух сторон конденсаторной пленки. Размеры внешней и внутренней оболочек составляли соответственно ⊘ 0,8 м и ⊘ 1,1 м. Соединение оболочек выполнено с помощью четырех синтетических нитей. Наполнение оболочек газом осуществлялось от специального баллончика. Раскрывание внутренней оболочки осуществлялось посредством лавсанового тонкостенного пленочного кабеля. Выход газа из оболочек осуществлялся через специально выполненные отверстия. Форма шара изменялась незначительно за счет воздуха в швах оболочек. Внешняя оболочка состояла из нескольких конденсаторных секторов.

Экспериментальное исследование заявляемого устройства, проведенное на надуваемой в вакуумной камере модели детектора ионизационно-конденсаторного типа, с помощью электроплазменного ускорителя, показало на его высокую помехозащищенность от электромагнитных помех, эффективность системы обработки. Размеры частиц составляли 20-40 мкм, диапазон скоростей 1-5 км˙с^-1.

В настоящее время изготавливается датчик из конденсаторной пленки толщиной 25 мкм диаметром 10 м с площадью чувствительной поверхности ≈100 м² (радиус внутренней оболочки 0,3 м), что позволит получить за двое суток приблизительно в 2-3 раза больше информации, чем с помощью прототипа за 1 год эксплуатации.

Другим преимуществом заявляемого детектора является повышение помехозащищенности, а значит и достоверности информации за счет совмещения ионизационного и конденсаторного датчиков. Кроме того, скорость частицы в низком диапазоне дополнительно определяется с высокой точностью за счет пробивания соответствующих двух конденсаторов, что исключается в прототипе. В этом случае скорость определяется "в чистом виде" по времени пролета между двумя конденсаторами, номера которых известны, из таких измерений с учетом номеров "пробитых" конденсаторов производится оценка вектора скорости частицы, что является еще одним важным преимуществом. Известные ранее устройства позволяли регистрацию частиц только на какой-либо фиксированной орбите. Предлагаемый детектор позволяет собирать информацию о загрязнении околоземного космического пространства в широком диапазоне значений орбит (например, 850-120 км), что является еще одним важным преимуществом по сравнению с прототипом.

С помощью предлагаемого устройства становится возможным регистрация частиц с размерами ≈5-10 мкм в диапазоне скоростей 0,1-20 км˙с^-1. С учетом известных распределений частиц по массам в околоземном космическом пространстве предлагаемым устройством будет зарегистрировано 30-60 частиц за 1 виток, т. е. за 1,5 ч, тогда как с помощью прототипа с помощью чувствительной поверхности ≈200 см² регистрируется всего несколько частиц в сутки с массами менее 10^-13 г.

Использование: исследование степени и характера загрязнения околоземного пространства техногенными и микрометеоритными частицами. Сущность изобретения: детектор содержит датчики ионизационного и конденсаторного типов. Конденсаторные датчики выполнены в виде секций, из которых сварена внешняя оболочка. Ионизационный датчик выполнен также из пленочных конденсаторных секций. Соединенных между собой с помощью сварки в виде шара. Сварка внешней и внутренней оболочек выполнена из двух швов, образующих каналы, заполненные воздухом. Внутренняя и внешняя оболочки связаны между собой стропами, имеют один центр и выполнены из органической металлизированной с двух сторон пленки структуры металл-диэлектрик-металл. Внутренняя оболочка соединена с внешней оболочкой, служащей мишенью ионизационного датчика, дополнительно полым пленочным диэлектрическим кабелем. Внешнее металлизированное покрытие внутренней оболочки и внутреннее металлизированное покрытие (обкладки конденсаторов) внешней оболочки соединены соответственно с минусовой и плюсовой шинами источника постоянного напряжения. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. ДЕТЕКТОР МИКРОМЕТЕОРИТНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ЧАСТИЦ, содержащий мишень, приемник ионов и источник постоянного напряжения, отличающийся тем, что мишень и приемник ионов выполнены в виде двух концентрических оболочек из пленки металл диэлектрик металл сферической формы и соединены между собой диэлектрическими стропами, причем мишенью служит внешняя оболочка, детектор дополнительно содержит резервуар с газом, пространство между оболочками и пространство внутри внутренней оболочки соединены с выходами резервуара с газом пленочным газопроводом, причем в обеих оболочках выполнены сквозные отверстия, внутренняя металлическая обкладка внешней оболочки подключена к положительному полюсу источника постоянного напряжения, внешняя металлическая обкладка внутренней оболочки к отрицательному полюсу источника постоянного напряжения, внешняя металлическая обкладка внешней оболочки соединена с корпусом источника напряжения, а информационные сигналы снимаются с внешней обкладки внутренней оболочки и внутренней обкладки внешней оболочки. 2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что внешняя оболочка состоит из нескольких фрагментов, сварочные швы между которыми выполнены двойными и газонаполненными.