ДЕТЕКТОР МИКРОМЕТЕОРОИДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2009 года по МПК G01T1/34 

Изобретение относится к области космического приборостроения и может быть использовано для исследования степени и характера загрязнения космического пространства техногенными и микрометеороидными частицами.

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 микрометеороидами 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 получать сведения о мелких частицах (фрагменты КЛА, отделяемые элементы, микрочастицы, образованные в результате подрыва космических объектов, и т.д.), которые совместно с микрометеороидами 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 получать сведения о мелких частицах (<1÷5 см), являющихся в основном главным источником загрязнения космического пространства (Дж.П.Лофтус и др. Загрязнение космического пространства, «Аэрокосмическая техника», №1, 1989).

Известен КЛА серии «Пегас 1, 2, 3» (Clifton S., Naumann R. Pegasus satellite measurements penetration. Febrary 11 - December 31, 1965) - Nasa, Tehn. Mem. TMX - 1216, 1966), содержащий раскрывающуюся оболочку в качестве детектора как регистратора факта пробивания поверхности техногенными и микрометеороидными частицами (Леванвский В.И. Механика космического полета. - М., 1980, с.158).

Более совершенным по информационным возможностям является детектор ионизационного типа полусферической формы, измеряющий скорость и массу частицы при априори заданной скорости (Патент США №3715590, кл. 250-83.32, опубл. 06.02.73, а также - Dietzel H. and Et. al. The Heos 2 and Helios micrometeoroid experiments. J. Pfus. Sci. Justrum. 1973, 6, 3, p.207-217).

Наиболее близким по технической сущности к заявленному детектору является выбранное в качестве прототипа устройство для определения параметров пылевых частиц (Патент России №2050008 от 10.12.1995, МПК G01T 1/34, H01J 27/00).

В качестве такого устройства используется ионизационно-конденсаторный детектор сферической формы, содержащий две пленочные сферические оболочки, расположенные одна в другой и связанные между собой стропами. Внутренняя оболочка соединена с внешней оболочкой, служащей мишенью ионизационного датчика. Внешнее металлизированное покрытие внутренней оболочки и внутреннее металлизированное покрытие внешней оболочки соединены с минусовой и плюсовой шинами источника постоянного напряжения.

Недостатком такого устройства является отсутствие возможности регистрации частиц с размером менее 15÷20 мкм в связи с толщиной пленочной мишени, равной 20÷30 мкм, измерения заряда частицы и оценки ее направления движения.

Задачей изобретения является расширение диапазона регистрации частиц по массе, измерение их заряда и оценка направления движения.

Поставленная задача достигается тем, что в детекторе микрометеороидных и техногенных частиц, содержащем мишень в виде пленочного конденсатора, нанесенного на металлическую пластину, приемник ионов, источник постоянного напряжения, согласно изобретению приемник ионов установлен на фиксированном расстоянии от мишени, симметрично ее осевой, боковые поверхности детектора состоят из двух расположенных параллельно друг другу сеток, симметрично расположенных относительно оси детектора под углом к мишени, внешние сетки заземлены, а внутренние сетки находятся под плюсовым потенциалом, в непосредственной близости от приемника ионов установлена сетка, находящаяся под минусовым потенциалом, причем внутренние сетки, выходы приемника ионов и мишени соединены с соответствующими усилителями. Кроме того, расстояние между сетками в каждой секции по меньшей мере равно 1 см и сетки расположены под углом к мишени, равным 60°.

На Фиг.1 изображен общий вид детектора микрометеороидных и техногенных частиц, на фиг.2 - вид сверху.

Мишень в виде пленочного конденсатора 1, нанесенного на металлическую пластину 2, на фиксированном расстоянии от мишени установлен приемник ионов 3, на боковых поверхностях детектора установлены зарядочувствительные сетки 4, поверх которых - заземляющие сетки 5, на расстоянии от мишени установлена сетка 6, соединенная с зарядочувствительными сетками 4, сетка 4 и мишень 1 соединены соответственно с усилителями 7, 8, 9, перед приемником 3 установлена ускоряющая сетка 10, а поверх приемника 3 установлен защитный кожух 11. Сетки 4 и 6 соединены между собой. Сетки 4 и 5, приемник ионов 3, защитный кожух 11 закреплены на держателе 12.

Детектор микрометеороидных и техногенных частиц работает следующим образов. При взаимодействии частицы с устройством на выходе усилителя 8 появляется импульс, наведенный на одну или две сетки 4 при пролете через них заряженной частицы, а при соударении с мишенью 1 в последней возникает частичный или сквозной пробой, в результате чего на выходе усилителя 9 регистрируется импульс пробоя (или сжатия). Образованные при ударе ионы выбрасываются в пространство детектора и собираются в приемнике ионов 3, на выходе усилителя 7 образуется электрический импульс напряжения (или тока).

Эффективный сбор ионов осуществляется соответствующей конфигурацией электрического поля между ускоряющими сетками 6 и 10 (˜200 В - потенциал между сетками), а также заданной напряженностью поля (˜50 В) между сетками 4 и 5.

Значительная нелинейность электрического поля в промежутке между сетками 6 и 10, обусловленная малыми размерами приемника ионов 3 и большими габаритами мишени 2, позволяет на большей части пути движения ионов уменьшить влияние электрического поля на их энергетические характеристики (функцию распределения по скоростям), что позволяет при обработке информации уменьшить погрешность определения скорости частицы и увеличить сбор ионов в приемнике 3.

Расстояние между сетками 4 и 5 выбрано около 1 см для обеспечения лучшей экранировки, с одной стороны, и уменьшения габаритных размеров детектора, с другой стороны. Угол наклона сеток 4 и 5 величиной 60° является оптимальным с точки зрения уменьшения габаритов детектора и влияния электрического поля на разлет ударной плазмы от мишени 1 до приемника ионов 3.

При определении параметров частиц с помощью данного детектора используются три эффекта: высокоскоростной пробой МДМ-структуры, электростатическая индукция, ионизация материалов частицы и мишени. Составляется система из трех уравнений с тремя неизвестными.

Для эффекта электростатической индукции:

где Δt - время пролета частицы через сетку 4, ν_ч - скорость пролета частицы через сетку 4.

Для эффекта ионизации:

где τ_p.n. - время разлета плазмы, L - расстояние между приемником ионов 3 и мишенью 1, ρ_ч - плотность материала частицы, ρ_м - плотность материала мишени, Q - общий заряд ионов, m_ч - масса частицы, ν_ч - скорость частицы, С - коэффициент пропорциональности, α=1, β=3.

Решая совместно данную систему уравнений, находим скорость, массу и плотность частицы.

Изобретение относится к области космического приборостроения и может быть использовано для исследования степени и характера загрязнения космического пространства техногенными и микрометеороидными частицами. Сущность: детектор микрометеороидных и техногенных частиц, содержит мишень в виде пленочного конденсатора, нанесенного на металлическую пластину, приемник ионов, источник постоянного напряжения. Приемник ионов установлен на фиксированном расстоянии от мишени, симметрично ее осевой. Боковые поверхности детектора состоят из двух расположенных параллельно друг другу сеток, симметрично расположенных относительно оси детектора под углом к мишени. Внешние сетки заземлены, а внутренние сетки находятся под плюсовым потенциалом. В непосредственной близости от приемника ионов установлена сетка, находящаяся под минусовым потенциалом, причем внутренние сетки, выходы приемника ионов и мишени соединены с соответствующими усилителями. Кроме того, расстояние между сетками в каждой секции по меньшей мере равно 1 см и сетки расположены под углом к мишени, равным 60°. Технический результат: расширение диапазона регистрации частиц по массе, измерение их заряда и оценка направления движения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Детектор микрометеороидных и техногенных частиц, содержащий мишень в виде пленочного конденсатора, нанесенного на металлическую пластину, приемник ионов, источник постоянного напряжения, отличающийся тем, что приемник ионов установлен на фиксированном расстоянии от мишени, симметрично ее осевой, боковые поверхности детектора состоят из двух расположенных параллельно друг другу сеток, симметрично расположенных относительно оси детектора под углом к мишени, внешние сетки заземлены, а внутренние сетки находятся под плюсовым потенциалом, в непосредственной близости от приемника ионов установлена сетка, находящаяся под минусовым потенциалом, причем внутренние сетки, выходы приемника ионов и мишени соединены с соответствующими усилителями.2. Детектор микрометеороидных и техногенных частиц по п.1, отличающийся тем, что расстояние между сетками в каждой секции по меньшей мере равно 1 см.3. Детектор микрометеороидных и техногенных частиц по п.1, отличающийся тем, что сетки расположены под углом к мишени, равным 60°.