Прибор для изучения параметров микрометеоритов и частиц космического мусора

Полезная модель относится к приборостроению, масс-спектрометрии, преимущественно для космических исследований.
Известен масс-спектрометр, содержащий мишень, плоский электростатический отражатель, приемник ионов, электростатический цилиндрический отражатель, фокусирующие электроды полусферической формы, блок обработки ионного спектра, источник ионов, управляющую сетку, ускоряющую сетку, выходную сетку, нагреватель, отражатель, источник тока нагревателя, источник тока и напряжения отражателя, источник напряжения отражающей сетки, источник изменяемого во времени импульсного напряжения, выталкивающую сетку и источник напряжения (патент №2122257, МПК Н01J 49/40, опубл. 20.11.98, бюл. №32).
Недостатками являются малая разрешающая способность на больших массах и высокие потери ионов.
Известен пылеударный масс-спектрометр, содержащий мишень, приемники ионов, иммерсионную линзу, состоящую из отражающей сетки и заземленной сетки, выталкивающую сетку, четыре тороидальных дефлектора, каждый из которых состоит из внутреннего отклоняющего электрода и внешнего отклоняющего электрода, источник отклоняющих напряжений, усилитель, электронный ключ, источник изменяемого во времени импульсного напряжения, источник напряжения, блок обработки ионных спектров и блок индикации (патент №2235386, МПК Н01J 49/40, опубл. 27.08.2004, бюл. №24).
Недостатком устройства является малая достоверность измерений, вызванная зависимостью результатов измерений от места удара микрометеорита с мишенью, что типично для пылеударных масс-спектрометров.
В качестве прототипа выбрано устройство (патент №2326465, МПК Н01J 49/40, опубл. 10.06.2008, бюл. №16). Устройство содержит мишень, заземленную сетку, четыре приемника ионов, четыре тороидальных дефлектора, каждый из которых состоит из внутреннего отражающего электрода и внешнего отражающего электрода и расположенные с обратной стороны мишени, причем выходы тороидальных дефлекторов совмещены между собой и с отверстием в центре мишени, а выходы расположены рядом с соответствующими приемниками ионов, источник напряжения, блок обработки ионных спектров и блок индикации, согласно изобретению мишень выполнена полусферической с центральным отверстием и дополнительно введены: полусферическая сетка, установленная концентрически внутри мишени, за которой по линии ее среза расположена заземленная сетка, цилиндрическая сетка, расположенная внутри отверстия мишени, обращенный к мишени параболический отражатель с вложенной в него параболической сеткой; внутренние отклоняющие электроды и внешние отклоняющие электроды тороидальных дефлекторов и параболический отражатель подключены к выходам источника напряжения, полусферическая сетка, заземленная сетка, цилиндрическая сетка и параболическая сетка соединены друг с другом и заземлены, к входам блока обработки ионных спектров подключены приемники ионов, а к выходу - блок индикации.
Недостатком прототипа является отсутствие возможности измерять вектор скорости микрометеоритов и частиц космического мусора.
Поставлена задача - разработать прибор для изучения параметров микрометеоритов и частиц космического мусора с возможностью измерять вектор скорости микрометеоритов и частиц космического мусора.
Поставленная задача достигается тем, что прибор для изучения параметров микрометеоритов и частиц космического мусора содержит мишень, заземленную сетку, четыре приемника ионов, четыре тороидальных дефлектора, каждый из которых состоит из внутреннего отражающего электрода и внешнего отражающего электрода и расположенные с обратной стороны мишени, причем выходы тороидальных дефлекторов совмещены между собой и с отверстием в центре мишени, а выходы расположены рядом с соответствующими приемниками ионов, источник напряжения, блок обработки ионных спектров и блок индикации, мишень выполнена полусферической с центральным отверстием и полусферической сеткой, установленной концентрически внутри мишени, за которой по линии ее среза расположена заземленная сетка, цилиндрическая сетка, расположенная внутри отверстия мишени, обращенный к мишени параболический отражатель с вложенной в него параболической сеткой, внутренние отклоняющие электроды и внешние отклоняющие электроды тороидальных дефлекторов и параболический отражатель подключены к выходам источника напряжения, полусферическая сетка, заземленная сетка, цилиндрическая сетка и параболическая сетка соединены друг с другом и заземлены, к входам блока обработки ионных спектров подключены приемники ионов, а к выходу - блок индикации, согласно изобретению дополнительно введены первая пара измерительных электродов, вторая пара измерительных электродов, третья пара измерительных электродов, блок измерения вектора скорости, соединенный с первой парой измерительных электродов, второй парой измерительных электродов, третьей парой измерительных электродов и блоком индикации, при этом полусферическая мишень выполнена из трех слоев металла: золота, никеля и меди.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема устройства.
Прибор для изучения параметров микрометеоритов и частиц космического мусора содержит полусферическую мишень 1 с одним отверстием в центре ее поверхности, полусферическую сетку 2, концентрически вложенную в мишень, заземленную сетку 3, расположенную по линии среза полусферической сетки 2, цилиндрическую сетку 4, вложенную в отверстие мишени, четыре приемника ионов 5, четыре тороидальных дефлектора, каждый из которых состоит из внутреннего отклоняющего электрода 6 и внешнего отклоняющего электрода 7, причем входы тороидальных дефлекторов совмещены между собой и с отверстием в полусферической мишени 1, а выходы расположены рядом с соответствующими приемниками ионов 5, параболический отражатель 8, расположенный за заземленной сеткой 3 так, что его фокус совпадает с центром полусферической мишени 1, и обращенный к ней, параболическую сетку 9, вложенную в параболический отражатель 8, источник напряжения 10, блок обработки ионных спектров 11 и блок индикации 12, блок измерения вектора скорости 13, первую пару измерительных электродов 14, вторую пару измерительных электродов 15, третью пару измерительных электродов 16. Полусферическая мишень 1, внутренние отклоняющие электроды 6 и внешние отклоняющие электроды 7 тороидальных дефлекторов и параболический отражатель 8 подключены к выходам источника напряжения 10, полусферическая сетка 2, заземленная сетка 3, цилиндрическая сетка 4 и параболическая сетка 9 соединены друг с другом и заземлены, к входам блока обработки ионных спектров 11 подключены приемники ионов 5, а к выходу - блок индикации 12. Первая пара измерительных электродов 14, вторая пара измерительных электродов 15 и третья пара измерительных электродов 16 соединены блоком измерения вектора скорости 13, соединенным с блоком индикации 12. Полусферическая мишень 1 состоит из трех слоев материалов: золото, никель, медь.
Прибор работает следующим образом.
Микрометеорит или пылевая частица соударяется с внутренней стороной полусферической мишени 1 и в результате ударной ионизации превращается в слабоионизированный газ. Под действием электрического поля между полусферической мишенью 1 и полусферической сеткой 2 ионы газа ускоряются в направлении к центру полусферической мишени. В пространстве, ограниченном полусферической сеткой 2 и заземленной сеткой 3, ионы движутся равномерно. Поскольку фокус параболического отражателя 8 совпадает с центрами полусферической мишени 1 и полусферической сетки 2, то расстояние от любой точки поверхности мишени до фокуса параболического отражателя 8 одинаково и все ионы пройдут через фокус параболического отражателя 8, образовав при отражении коллинеарный поток, направленный в отверстие полусферической мишени 1. Далее ионы попадают в один из четырех тороидальных дефлекторов, образованных внутренними отклоняющими электродами 6 и внешними отклоняющими электродами 7, и, пройдя через них, фиксируются приемниками ионов. Каждый тороидальный дефлектор настроен на свой диапазон масс, что обеспечивает более широкий динамический диапазон исследуемых масс ионов. Массовые спектры от отдельных приемников ионов 5 отображаются блоком индикации 12.
Поскольку ионы проходят сквозь полусферическую мишень 1 одним сфокусированным потоком, большая площадь полусферической мишени 1 является рабочей, что обеспечивает больший коэффициент сбора ионов, а следовательно, увеличивает чувствительность прибора.
Путь, пройденный ионами от любой точки соударения микрометеорита с полусферической мишенью 1 до одного из приемников ионов 5, постоянен, что устраняет зависимость результатов измерений от места соударения и обеспечивает увеличение достоверности результатов работы прибора для измерения параметров микрометеоритов и частиц космического мусора.
Для измерения скорости микрометеоритов и частиц космического мусора используют блок измерения вектора скорости 13, первую пару измерительных электродов 14, вторую пару измерительных электродов 15, третью пару измерительных электродов 16. Известно, что микрометеориты и частицы космического мусора в космическом пространстве заряжаются до некоторого заряда. При пролете микрометеоритов и частиц космического мусора через первую пару измерительных электродов 14, расположенных в плоскости XZ, вторую пару измерительных электродов 15, расположенных параллельно оси Z, но под углом 10-30 градусов к оси X, третью пару измерительных электродов 16, расположенных параллельно оси X, но под углом 10-30 градусов к оси Z, наводят на эти измерительные электроды, выполненные из металла, импульсы тока, которые обрабатываются блоком измерения вектора скорости 13. Первая пара измерительных электродов 14 позволяет измерять проекцию вектора скорости микрометеоритов и частиц космического мусора на ось Y-Vy. Вторая пара измерительных электродов 15 позволяет измерять проекцию вектора скорости микрометеоритов и частиц космического мусора на ось X-Vx. Третья пара измерительных электродов 16 позволяет измерять проекцию вектора скорости микрометеоритов и частиц космического мусора на ось Z-Vz. Знание проекции вектора скорости (Vx, Vy, Vz) на три взаимно перпендикулярные оси X, Y, Z позволяет нам однозначно определить вектор скорости микрометеоритов и частиц космического мусора.
Благодаря тому, что полусферическая мишень 1 выполнена из трех слоев, появляется возможность классифицировать микрометеориты и частицы космического мусора по значению их массы и скорости по трем группам. Известно, что размер кратера, образующийся при высокоскоростном соударении микрометеоритов и частиц космического мусора, увеличивается при увеличении массы и скорости этих частиц. Если микрометеорит или частица космического мусора пробивает только первый слой полусферический мишени 1 из золота, но не проникает во второй слой, то такую частицу можно отнести к первой группе. Если микрометеорит и частиц космического мусора пробивают первый слой из золота и второй слой из никеля, но не проникают в третий слой из меди, то такие частицы можно отнести ко второй группе. Если микрометеорит и частиц космического мусора пробивают первый слой из золота, второй из никеля и проникают в третий слой из меди, то такие частицы можно отнести к третьей группе. Изменяя толщины слоев никеля и золота, можно изменять критерий разделения по группам. Такое разделение по трем группам полезно для предварительного анализа данных о параметрах микрометеоритов и частиц космического мусора. Судить о том, какой слой полусферической мишени 1 пробили микрометеориты и частицы космического мусора, можно путем анализа массового спектра, полученного с приемника ионов. Золото, никель и медь очень редко можно встретить в составе микрометеоритов и частиц космического мусора, поэтому их наличие в массовом спектре говорит о пробивании того или иного слоя полусферической мишени 1.