АНАЛИЗАТОР КОСМИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ НИЗКИХ ЭНЕРГИЙ

Область техники
Заявляемая полезная модель относится к области физики, в частности, к спектрометрической технике, и может быть использована для регистрации заряженных частиц в космическом пространстве.
Заявляемый анализатор космических частиц низких энергий предназначен для изучения энергетического распределения заряженных частиц в условиях космического пространства в диапазоне энергий от 50 эВ до 20 кэВ, и может быть использован в качестве отдельного узла, устанавливаемого на космические аппараты, в том числе, кубсаты.
Предшествующий уровень техники
Электростатические анализаторы широко применяются при решении современных исследовательских задач в самых разных областях науки, от радиационной медицины и биофизики до космических исследований. Это способствует появлению новых и развитию предыдущих разработок и исследований, связанных с теорией и практикой применения подобных анализаторов.
Дисперсионные электростатические анализаторы представляют собой набор электродов, обеспечивающих заданное распределение в пространстве не зависящего от времени электрического поля. Принцип их действия основан на разделении в пространстве пучков частиц различных энергий после прохождения сквозь поле анализатора.
Из уровня техники известен «Электростатический анализатор энергии заряженных частиц» (патент РФ № 2086037), представляющий дисперсионный электростатический анализатор типа "цилиндрическое зеркало". Данное устройство помимо, собственно, анализатора содержит также источник ионизирующего излучения (электронную пушку), что обеспечивает возможность его для наземного использования в микроскопии.
Недостатками данного устройства являются его габариты, излишняя масса, а также наличие дополнительных узлов, что в совокупности затрудняет возможность его использования в качества анализатора на космическом аппарате. К дополнительным недостаткам можно также отнести малый угол захвата частиц и высокие требования к точности изготовления.
Известно «Устройство для разделения заряженных частиц по энергиям» (патент РФ № 2187171), содержащее вакуумную камеру, в которой установлены источник заряженных частиц, приемники заряженных частиц и сепаратор заряженных частиц, образованный двумя парами пластинчатых элементов, являющихся конденсаторами, изогнутых в поперечном сечении по участкам окружных образующих концентричных полых цилиндров и изогнутых в продольном сечении по дугам круговых орбит низкоэнергетических заряженных частиц, расположенными пересекающимися так, что их электрические поля размещены в пересекающихся направлениях с образованием единого электрического поля, представляющего для заряженных частиц электрический барьер. Достоинством данного анализатора является повышение селективности при разделении заряженных частиц по энергиям и снижение материалоемкости устройства вследствие уменьшения длины зоны разделения заряженных частиц, приводящее к соответствующему уменьшению размеров и массы устройства.
Недостатком данного устройства являются высокая сложность изготовления и малые углы захвата.
Известен «Анализатор энергий заряженных частиц» (патент РФ № 2294579), который содержит образец (эмитирующий заряженные частицы), наружный электрод и внутренний электрод с двумя кольцевыми щелями и детектирующую систему. Аксиальный и радиальный градиенты потенциала поля энергоанализатора согласованы вдоль пути следования заряженных частиц заданием соответствующей конфигурации эквипотенциальных поверхностей электродов анализатора. Достоинством данного устройства является простота конструкции и более высокое разрешение по сравнению с анализатором типа "цилиндрическое зеркало".
Недостатками данного анализатора является худшее разрешение по сравнению со сферическими анализаторами, несмотря на заявленное лучшее разрешение в сравнение с полусферическим, малые углы захвата, малый сектор и высокие краевые искажения.
Известен «Электростатический спектрометр заряженных частиц» (патент РФ № 2022395), выполненный из двух пар одинаковых плоских конденсаторов, расположенных в форме шеврона, источник питания и детектор заряженных частиц, при этом для увеличения отношения сигнал/шум накладываются ограничения на его геометрические параметры.
К достоинствам данного устройства можно отнести простоту изготовления и малую массу, однако, несмотря на улучшение, разрешающая способность данного анализатора мала - высокий вклад в ошибку дают краевые эффекты.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является «Электростатический энергоанализатор для параллельного потока заряженных частиц» (патент РФ № 2327246), содержащий внешний и внутренний цилиндрические коаксиальные электроды, плоский ограничивающий электрод, перпендикулярный оси симметрии, имеющий потенциал внутреннего цилиндрического электрода с выполненным в нем входным окном, выходное окно, выполненное во внутреннем цилиндрическом электроде, приемную диафрагму и детектор, расположенные вне поля в полости внутреннего цилиндрического электрода. В данном устройстве входное окно выполнено в виде сквозных каналов малого диаметра в виде кольцевой щели, коаксиальной цилиндрическим электродам, параллельных оси симметрии. Приемная диафрагма для потока заряженных частиц расположена на оси симметрии цилиндрических электродов. Достоинством данного анализатора является повышенная разрешающая способность по энергиям в сравнение с анализатором “цилиндрическое зеркало”, расположение входного окна параллельно оси симметрии.
Недостатком данного анализатора является слабая защищенность от ультрафиолетового засвета, громоздкость, а также необходимость включения в конструкцию дополнительных узлов для устранения краевых эффектов.
Раскрытие краткой сущности полезной модели
0
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в обеспечении возможности регистрации количества заряженных частиц и энергетического спектра регистрируемых заряженных частиц в телесном угле, определяемом геометрическими параметрами анализатора (в диапазоне +/- 20 по оси входной щели корпуса анализатора) в условиях космического пространства (ионосфере Земли) в диапазоне энергий от 50 эВ до 20 кэВ.
Заявленный технический результат достигается тем, что в анализаторе космических частиц низких энергий, включающем сепарирующую часть, обеспечивающую сепарацию частиц электростатическим полем, снабженную входным и выходным окнами для обеспечения прохождения сепарируемых частиц, и регистрирующую часть, обеспечивающую регистрацию тока частиц, согласно техническому решению, сепарирующая часть выполнена в виде разъемного корпуса, внутри которого через изолирующие элементы последовательно и осесимметрично установлены и сопряжены между собой три пары коаксиально расположенных внешнего и внутреннего электродов, при этом внутренняя поверхность внешнего электрода и внешняя поверхность внутреннего электрода имеют форму тела вращения, входное и выходное окна расположены в нижнем и верхнем торцах корпуса, соответственно, и выполнены в виде щелевых отверстий, а регистрирующая часть анализатора сопряжена с верхним торцом корпуса и представляет собой закрепленные на кронштейне вторичный электронный умножитель с платой усилителя-преобразователя, обеспечивающих регистрацию распределения заряженных частиц по энергии на выходе из сепарирующей части, и высоковольтными платами питания. Электроды могут быть снабжены защитным покрытием, предотвращающим ультрафиолетовый засвет, выполненным из Cu или Rh толщиной от 0,1 до 25 мкм, а изолирующие элементы могут быть выполнены из радиационно-стойкого химически инертного полимера, например, в качестве полимера может быть использован политетрафторэтилен. Внешний и внутренний электроды каждой пары размещены с зазором не более 3 мм.
Преимуществом заявляемого анализатора также являются сниженные по сравнению с аналогами массогабаритные показатели и компактный форм-фактор, что позволяет использовать анализатор в качестве отдельного узла для установки на космические аппараты, в том числе, кубсаты. Устройство характеризуется также полным отсутствием электрических соединений, компонентов и проводов с внешней стороны корпуса и использованием вторичного электронного умножителя в качестве детектора частиц. Заявляемое устройство может быть установлено в одной секции (1U) космического аппарата типа кубсат без необходимости дополнительной адаптации механических интерфейсов спутника и прибора.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется следующими изображениями, где
на фиг. 1 представлена схема устройства,
на фиг. 2. представлены результаты регистрации заряженных частиц,
на фиг. 3а и 3б представлены фотоизображения модельного образца заявляемого анализатора.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - корпус А,
2 - корпус Б,
3 - кронштейн для электроники и ВЭУ,
4 - первый изолятор,
5 - второй изолятор,
6 - третий изолятор,
7 - первый внутренний электрод,
8 - второй внутренний электрод,
9 - третий внутренний электрод,
10 - первый внешний электрод,
11 - второй внешний электрод,
12 - третий внешний электрод,
13 - вторичный электронный умножитель,
14 - плата усиления и формирования сигнала,
15 - плата питания до + 2,5 кВ,
16 - плата питания до -2,5 кВ,
17 - крепление,
18 - крепление.
Осуществление полезной модели
Заявляемое устройство представляет собой сегментоидный анализатор, то есть устройство, составными частями которого являются сегменты (части) электродов, на которые подается напряжение, создающее электрическое поле для искривлениятраектории частиц. Величина этого искривления для каждой частицы зависит от отношения энергии к заряду, таким образом с помощью прикладываемогонапряжения осуществляется разделение частиц по положению в пространстве в зависимости от их энергии. Сегментоидная форма электродов анализатора значительно снижает регистрацию фонового ультрафиолетового излучения. Электроды дополнительно могут быть обработаны с помощью электрохимического осаждения тонким слоем (от 0,1 до 25 мкм) защитного покрытия (Cu/Rh).
Анализатор имеет разъемный корпус, состоящий из двух частей А и Б, которые составляют единую конструкцию, что способствует упрощению технологии его изготовления. Части корпуса выполнены из коррозионностойкого, пластичного сплава алюминия. Изоляторы изготовлены из радиационно-стойкого полимера и стандартных изделий (винты, керамические трубки).
Внутри разъемного корпуса осесимметрично установлены три комплекта электродов. Корпус А предназначен для размещения одного комплекта электродов, с одного торца закрыт первым изолятором (4), а с другого торца выполнен открытым для присоединения корпуса Б. Первый изолятор установлен в нижней части корпуса А (1). На изоляторе установлен первый внутренний электрод (7), соединенный крепежом (17) с корпусом А. Крепеж (17) состоит из болтового соединения, проходящего через изолятор, с обеспечением предотвращения электрического контакта электрода и корпуса. Коаксиально с ним в корпусе А установлен (плотно посажен через изолятор) первый внешний электрод (10). Электроды изготовлены из коррозионностойкого сплава алюминия (АМг6), который с помощью электрохимического осаждения почернен тонким слоем (Cu/Rh 0.1 мкм) для предотвращения влияния ультрафиолета на сигнал от вторичного электронного умножителя. Электроды закрепляют к корпусу, например, методом запрессовки.
Корпус Б (2) имеет в торцевых зонах фланцевые части для присоединения, с одной стороны, к корпусу А, а с другой стороны закрыт кронштейном (3) для установки электронного блока. Протяженность корпуса Б выбрана с обеспечением возможности последовательной установки двух комплектов электродов, разделенных между собой вторым изолятором (5). Соединение осуществляется с помощью крепежа (18). Крепеж (18) состоит из болтового соединения, проходящего через изолятор, с обеспечением предотвращения электрического контакта электрода и корпуса Б. Таким образом, в корпусе Б в средней части закреплен второй изолятор, с обеих сторон которого установлены внутренние электроды - второй (8) и третий (9), выполненные по аналогии с первым электродом (7), а также с аналогичным зазором (около 3 мм) установлены внешние второй (11) и третий (12) электроды. Третий внешний электрод закрыт третьим изолятором (6), на внешней поверхности которого закреплен кронштейн, выполненный в виде плиты с установленными на нем ВЭУ и платами, которые являются источниками высокого напряжения (15, 16), которое подается на электроды сепарирующей системы и усилителем-формирователем сигнала (14) от ВЭУ.
С торцов разъемного корпуса выполнены входное и выходное отверстия (щелевые) для обеспечения протекания потока заряженных частиц сквозь объем анализатора (на фигурах не показаны).
Для регистрации тока заряженных частиц, проходящих сквозь анализатор, после выходной щели размещена регистрирующая часть анализатора, представляющая собой электронный блок. Регистрирующая часть состоит из вторичного электронного умножителя (13), а также платы усиления-формирования сигнала (14), которые закреплены на кронштейне (3). Входное отверстие корпуса вторичного электронного умножителя одновременно является входной диафрагмой и предназначено для увеличения разрешения и устранения краевых электростатических полей. Плата усиления-формирования сигнала (14) обеспечивает сбор, обработку и формирование цифровых массивов информации, а также передачу массивов информации на стороннее устройство обработки информации.
В состав прибора также входят платы питания (15, 16), обеспечивающие формирование линейно изменяющегося напряжения развертки и подачи высокого напряжения на вторично-электронный умножитель.
В таблице 1 приведены основные технические характеристики заявляемого анализатора.
Таблица 1.
Технические характеристики заявляемого устройства
Параметры
Значение
Диапазон измеряемых энергий электронов и ионов
от 50 эВ до 20 кэВ
Энергетическое разрешение
Варьирование энергетического разрешения в пределах 5 - 60 %
Измеряемый поток частиц
Поток частиц (угол 90°) 10<sup>8</sup> частиц в см<sup>-2</sup>ср<sup>-1</sup>сек<sup>-1</sup>
Заявляемое устройство работает следующим образом.
-6
Устройство предварительно калибруют в условиях, максимально приближенных к космической среде, а именно: обеспечивают давление 10мбар, в качестве источника мягкого бета-излучения используют сертифицированный препарат трития cо средней энергией 17 кэВ, лампу УФ с длиной волны 320 нм. Типичный полученный спектр измерений представлен на фиг. 2. Калибровочные спектры от препарата трития со средней энергией 17 кэВ при подаче потенциала на электрод (U эл), где спектр с круглыми маркерами соответствует случаю, когда подается потенциал только на внутренний электрод, а спектр с квадратными маркерами соответствует случаю, когда подается потенциал одновременно и на внутренний, и на внешний электроды.
Функция электростатических анализаторов - это разделение заряженных частиц по соотношению энергии на единицу заряда. Основу электростатического энергоанализатора составляет набор электродов, на которые подается напряжение, создающее электрическое поле для искривления траектории частиц. Поток заряженных частиц через входное отверстие в корпусе анализатора проникает в поле между электродами (внешним и внутренним) и движется в нем, отклоняясь и фокусируясь под действием существующего распределения потенциала. Величина искривления траектории для каждой частицы зависит от отношения энергии к заряду, таким образом, с помощью прикладываемого напряжения осуществляется разделение частиц по положению в пространстве в зависимости от их энергии. При значении отклоняющего потенциала U pl через выходное отверстие сепарирующей системы пройдут только те частицы, для которых выполнено условие, связывающее энергию заряженных частиц в пучке и величину отклоняющего потенциала на внешнем электроде через константу анализатора: k (В/эВ) = U pl /E, здесь E (эВ) - энергия заряженных частиц, U pl (В) - напряжение на пластине анализатора. Изменяя потенциал U pl либо на одном (второй электрод заземлен), либо на двух электродах одновременно, можно получить распределение заряженных частиц по энергиям на выходе сепарирующей части анализатора. Полученное распределение по энергиям регистрируется с помощью регистрирующей части анализатора, состоящей из вторичного электронного умножителя и платы усилителя-формирователя (14). Сигнал с платы усилителя-формирователя передается на внешние устройства.
Пример конкретного выполнения
В качестве модельного образца изготовлено устройство, имеющее следующие массогабаритные характеристики (масса не более 450 грамм и не более 10 см в длину), содержащее сепарирующую и регистрирующую части. Сепарирующая часть помещена в два сопряженных короба и включает три комплекта коаксиально установленных с зазором 3 мм электродов с изоляторами. Регистрирующая часть включает вторичный электронный умножитель, плату усилителя-формирователя сигнала (потребление платы не более 50 мА от 5 В) и платы питания +/- 2,5 кВ, обеспечивающие скорость перезарядки сепарирующей части анализатора до 0,2 секунды. (фиг. 3).
Устройство обладает прочностью и стойкостью к следующим видам внешних воздействий: механические нагрузки на этапе выведения; изменение внешнего давления на этапе выведения на рабочую орбиту функционирования; орбитальные микровибрационные нагрузки; ионизирующее излучение космического пространства естественного происхождения.