CN111194133B - 一种利用紫外辐射和电子枪产生中性尘埃粒子流的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用紫外辐射和电子枪产生中性尘埃粒子流的装置，涉及尘埃粒子加速器设备技术领域，本发明包括首尾顺次连通的电离腔、加速腔、电子枪中和通道、偏转腔，所述电离腔、所述加速腔、所述电子枪中和通道、偏转腔均为两端开口的平置圆筒状，所述装置还包括电力***；所述电离腔中设有电离组件和辐射组件，所述加速腔设有加速组件，所述电子枪中和通道的侧边连通设置有电子枪本体，所述偏转腔外侧壁设有偏转组件，所述加速腔的尾端与所述电子枪中和通道的首端之间、所述电子枪中和通道的尾端与所述偏转腔的首端之间分别设有绝缘环，具有使用简单、成本低、操作安全的潜在优势。

Description

一种利用紫外辐射和电子枪产生中性尘埃粒子流的装置

技术领域

本发明属于尘埃粒子加速器设备技术领域，具体涉及一种利用紫外辐射和电子枪产生中性尘埃粒子流的装置。

背景技术

空间碎片是指人类在太空活动中产生的废弃物及其衍生物，主要包括废弃航天器、火箭末子级、执行任务过程中的抛弃物、火箭***物、空间飞行器解体及碎片之间相互碰撞产生的碎片等。空间碎片是空间环境的主要污染源，轨道上日益增多的空间碎片必将影响和威胁人类对空间资源的可持续利用，空间碎片移除是未来航天任务必须面对的重要问题。

国内外空间碎片移除的主要技术手段，包括推移离轨、增阻离轨、抓捕离轨3类。推移离轨利用激光、离子束、太阳辐射等能量束作用于空间碎片，产生特定力的作用，使其离开原来的轨道，达到移除的目的。增阻离轨通过增加碎片的飞行阻力，降低碎片轨道高度，进而缩短碎片轨道寿命，使其在规定的时间内离轨再入大气。抓捕移除通过任务飞行器与空间碎片直接物理接触的方式来移除碎片。其中，离子束推移离轨技术是一种新型的非接触式空间碎片清除方式，适合于远距离操作，不需要交会过程和复杂的控制***，适合于不同轨道、不同尺寸大小的空间碎片。对比激光等通过材料熔融实现离轨的技术，使用同样的能源成本，离子束推移离轨方式的动量传递效率要高得多。目前，欧空局、日本、俄罗斯都提出了类似概念。

在离子束推移空间碎片离轨的方法中，关键技术之一就是产生并释放大量且稳定的离子束，这种技术的缺点是喷射出的离子束自由分散，可控性差；效率低，离轨时间长，实现起来代价高。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术尘埃粒子加速器喷射出的离子束自由分散，可控性差,效率低，离轨时间长,成本高的问题，提供一种利用紫外辐射和电子枪产生中性尘埃粒子流的装置。

本发明采用的技术方案如下：

一种利用紫外辐射和电子枪产生中性尘埃粒子流的装置，包括首尾顺次连通的电离腔、加速腔、电子枪中和通道、偏转腔，所述电离腔、所述加速腔、所述电子枪中和通道、偏转腔均为两端开口的平置圆筒状，所述装置还包括与所述电离腔管道相通的真空***以及为所述电离腔、所述加速腔、所述电子枪中和通道和所述偏转腔提供电能的电力***；

所述电离腔中设有电离组件和辐射组件，所述加速腔设有加速组件，所述电子枪中和通道的侧边连通设置有电子枪本体，所述偏转腔外侧壁设有偏转组件，所述加速腔的尾端与所述电子枪中和通道的首端之间、所述电子枪中和通道的尾端与所述偏转腔的首端之间分别设有绝缘环。

作为优选,所述电离组件包括同心设置于所述电离腔中的网状放电电极，所述网状放电电极的外侧面与所述电离腔的内壁之间有序设置若干将二者相连的第一绝缘柱，所述网状放电电极所围空间的上部设有可受控释放尘埃的尘埃容器，所述电离腔首部端口设有观察窗。

作为优选,所述尘埃容器为竖置圆筒状，所述尘埃容器的底面为网孔结构，所述尘埃容器的顶部或侧壁设有可受控启闭的振动机构。

作为优选,所述观察窗通过可拆卸式紧固旋钮固定在所述电离腔的首部端口位置，所述观察窗与所述电离腔的首部端口之间设有密封垫片。

作为优选,所述真空***包括气罐，所述气罐的输出端通过进气管道与所述电离腔的侧壁上开设的进气孔连通，所述进气管道上设有控制阀；所述真空***还包括真空泵，所述真空泵的输入端通过出气管道与所述电离腔侧壁上开设的出气孔连通，所述出气管道上设有控制阀。

作为优选,所述加速组件包括设置于所述加速腔首部端口与所述电离腔尾部端口之间的网状负电极和设置于所述加速腔尾部端口与所述电子枪中和通道首部端口之间的网状正电极，所述加速腔外侧壁同心设置有磁聚焦线圈；所述磁聚焦线圈通过若干在加速腔外侧壁有序分布的第二绝缘柱与所述加速腔连接，在所述加速腔内形成恒定磁场。

作为优选,所述偏转组件包括同心设置于所述偏转腔外侧壁的偏转电极，所述偏转电极通过若干在所述偏转腔外侧壁有序分布的第四绝缘柱与偏转腔连接，在所述偏转腔内形成偏转电场。

作为优选,所述电力***包括交流电源、控光电源、负单脉冲电源、直流电源，所述交流电源一端穿过所述电离腔侧壁上开设的第一通道与所述网状放电电极电性连接，另一端与谐振电感和电离腔外侧壁电性连接；所述控光电源两端分别穿过电离腔侧壁上开设的第二通道与紫外氘灯电性连接，所述紫外氘灯通过第五绝缘柱与电离腔的内壁连接；所述负单脉冲电源通过第三通道与负电极电性连接；所述直流电源与偏转腔外侧壁的电性连接。

作为优选,所述电子枪中和通道和所述加速腔的内径小于所述电离腔的内径。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明所述技术方案通过设置辐射腔和电子枪，可以低耗、高效地获得可在真空中应用的中性尘埃粒子流，本发明装置与卫星合作可达到长时间跟踪清除空间碎片的功能，并且本发明装置可以控制尘埃粒子的大小以及种类，适用于应对不同大小的空间碎片，具有极大的推广价值和广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的整体结构正视剖切图；

图2是本发明的电离腔的横切面示意图；

图3是本发明的加速腔的横切面示意图；

图4是本发明的电子枪中和通道的横切面示意图；

图5是本发明的偏转腔的横切面示意图

图中标记：1-电离腔，2-加速腔，3-电子枪中和通道，4-偏转腔，101-进气孔，102-出气孔，103-放电电极，104-第一通道，105-第一绝缘柱，106-尘埃容器，107-密封垫片，108-观察窗，109-紧固旋钮，110-第二通道，111-紫外氘灯，112-第五绝缘柱，201-正电极，202-第三通道，203-第二绝缘柱，204-磁聚焦线圈，205-负电极，301-电子枪本体，302-绝缘环，401-偏转电极，402-第四绝缘柱，501-控制阀，502-气罐，503-真空计，504-真空泵，601-交流电源，602-谐振电感，603-控光电源，604-负单脉冲电源，605-直流电源。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：说明书中的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个原件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种利用紫外辐射和电子枪产生中性尘埃粒子流的装置，其特征在于：包括首尾顺次连通的电离腔、加速腔2、电子枪中和通道3、偏转腔4，所述电离腔1、所述加速腔2、所述电子枪中和通道3、偏转腔4均为两端开口的平置圆筒状，所述装置还包括与所述电离腔1管道相通的真空***以及为所述电离腔1、所述加速腔2、所述电子枪中和通道3和所述偏转腔4提供电能的电力***；所述电离腔1中设有电离组件和辐射组件，所述加速腔2设有加速组件，所述电子枪中和通道3的侧边连通设置有电子枪本体301，所述偏转腔4外侧壁设有偏转组件，所述加速腔2的尾端与所述电子枪中和通道3的首端之间、所述电子枪中和通道3的尾端与所述偏转腔4的首端之间分别设有绝缘环。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本发明较佳实施例提供的一种利用紫外辐射和电子枪产生中性尘埃粒子流的装置，图中：电离腔1呈圆筒状，腔内有空心圆状网状体放电电极103，放电电极103外径小于电离腔内径，通过第一绝缘柱105与电离腔连接为同心圆结构；观察窗108通过密封垫片107和紧固旋钮109固定在电离腔1一侧；放电电极103内部的上部放置一个半径3厘米，高1.5厘米圆筒形尘埃容器106，尘埃容器106的底部由金属网组成，间隔5微米(可更换容器，其底部网孔有不同尺寸)，金属粉尘放置在容器中，一种具有定时器功能的振动装置安装在容器上，当容器振动时，粉尘掉入等离子体中。紫外氘灯111通过第五绝缘柱112与电离腔1内壁连接。此处的紫外氘灯111作为一种紫外光源，也可替换为其他类型的紫外光源。

加速腔2和电子枪中和通道3也呈圆筒状，电子枪中和通道3与加速腔2的直径小于电离腔1，负电极205在电离腔1与加速腔2之间，呈圆形网状，正电极201在加速腔2与电子枪中和通道3之间，圆形网状；磁聚焦线圈204通过第二绝缘柱203与加速腔2外壁连接；偏转电极401与偏转腔4侧面相连。电离腔1、负电极205、加速腔2、磁聚焦线圈204、正电极201、电子枪中和通道3、偏转电场401排布在同一中轴线上，并沿中轴线对称。

电离腔1上有进气孔101、出气孔102和第一通道104，进气孔101和真空***的气罐502通过管道相连接，进气控制阀501在进气孔101和气罐502之间，控制进入等尘埃离子体电离腔1的惰性气体；真空泵504与出气孔102通过管道连接，控制腔内的气体压强。网状放电电极103为圆柱形空腔，与电离腔1内壁相距0.1m且绝缘，电离腔腔厚约1cm；交流电源601一端通过第一通道104与放电电极103相连，另一端与谐振电感602及电离腔外壁相连，输出电压100V～500V,输出频率在10kHz～50kHz之间；负电极205是直径为0.2m的圆形网状结构，通过第三通道202与幅值为50kV左右,频率在10kHz～50kHz之间，占空比为50％的负单脉冲电源604相连；加速腔2直径0.2m；正电极201为圆形网状，直径为0.2m,通过第三通道202接地；恒定磁场磁场强度为0.5T；紫外氘灯111通过第二通道110与控光电源603连接，紫外氘灯111主要发射波长在紫外区的190-400nm的紫外光，偏转电极401与幅值为35kv左右直流电源605连接。

放电电极103绝缘支撑为第一绝缘柱105，恒定磁场204绝缘支撑为绝缘胶柱203，紫外氘灯111绝缘支撑为第五绝缘柱112，偏转电极401绝缘支撑为第四绝缘柱402。电离腔1内第一绝缘柱105为等距离的多个绝缘支撑柱，电离腔1内第一绝缘柱105间隔分布在放电电极103与电离腔1体间。加速腔，电子枪中和通道和偏转腔之间由绝缘环302连接。

本发明产生中性尘埃粒子流的过程是：将紧固旋钮109拧紧，使观察窗108挤压垫片107密封腔体；打开真空泵504对腔体开始抽气，当前腔内气压由显示在真空计503上；当检测到压强为100Pa时，打开进气控制阀501，将气罐502中的惰性气体充入腔体内；继续抽气，当检测到气压为20Pa时，给控光电源603触发信号，让紫外氘灯111进入工作状态，同时打开交流电源601,放电电极103和腔体内壁等效的电容与谐振电感602一起构成谐振回路,交流电源601工作在谐振回路的谐振点上,使网状放电电极103与腔体内壁间形成高电压间隙放电，与此同时开启尘埃容器内的震动装置，自由电子在放电空间电场作用下，与中性气体和尘埃粒子碰撞，使中性原子分子电离，同时在紫外光源的辐射下，尘埃粒子带正电，气体的持续电离引起电子雪崩，气体最终被击穿；电压继续升高，放电实现自持并实现辉光放电，同时继续充气抽气，使腔体气压维持稳定。经过一段时间后，打开负单脉冲电源604，此时电离腔1内的带正电粒子受到负电极205负电压作用流向正电极201，并通过负电极205的网孔进入加速腔2中；带正电粒子在正电极201和磁聚焦线圈204磁场共同作用下，加速并聚焦通过加速腔2，并通过正电极201网孔进入电子枪中和通道3；带正电粒子在电子的中和下，大部分带正电粒子转换成中性粒子，以及小部分带电尘埃粒子未被中和；此时混合尘埃粒子流进入偏转腔4，在偏转电极401的恒定电场作用下，未被中和的带电粒子发生偏转，而只有中性尘埃粒子流径直穿过出口。

可以理解的是，本发明还设有中央控制器，中央控制器的内核可以是单片机或PLC。辐射腔3尾端出口继续与其他设备连通，整个产生和利用中性粒子流的装置内部是个密封环境，因此可以通过位于电离腔1的真空***来调节压力和粒子成分。这些是本技术领域的常规技术或常规选择，为本领域技术人员所熟知，又不是本技术方案的改进重点，在这里略作说明就不再赘述。

如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种利用紫外辐射和电子枪产生中性尘埃粒子流的装置，其特征在于：包括首尾顺次连通的电离腔（1）、加速腔（2）、电子枪中和通道（3）、偏转腔（4），所述电离腔（1）、所述加速腔（2）、所述电子枪中和通道（3）、偏转腔（4）均为两端开口的平置圆筒状，所述装置还包括与所述电离腔（1）管道相通的真空***以及为所述电离腔（1）、所述加速腔（2）、所述电子枪中和通道（3）和所述偏转腔（4）提供电能的电力***；

所述电离腔（1）中设有电离组件和辐射组件，所述加速腔（2）设有加速组件，所述电子枪中和通道（3）的侧边连通设置有电子枪本体（301），所述偏转腔（4）外侧壁设有偏转组件，所述加速腔（2）的尾端与所述电子枪中和通道（3）的首端之间、所述电子枪中和通道（3）的尾端与所述偏转腔（4）的首端之间分别设有绝缘环（302）。

2.如权利要求1所述的利用紫外辐射和电子枪产生中性尘埃粒子流的装置，其特征在于：所述电离组件包括同心设置于所述电离腔（1）中的网状放电电极（103），所述网状放电电极（103）的外侧面与所述电离腔（1）的内壁之间有序设置若干将二者相连的第一绝缘柱（105），所述网状放电电极（103）所围空间的上部设有可受控释放尘埃的尘埃容器（106），所述电离腔（1）首部端口设有观察窗（108）。

3.如权利要求2所述的利用紫外辐射和电子枪产生中性尘埃粒子流的装置，其特征在于：所述尘埃容器（106）为竖置圆筒状，所述尘埃容器（106）的底面为网孔结构，所述尘埃容器（106）的顶部或侧壁设有可受控启闭的振动机构。

4.如权利要求2所述的利用紫外辐射和电子枪产生中性尘埃粒子流的装置，其特征在于：所述观察窗（108）通过可拆卸式紧固旋钮（109）固定在所述电离腔（1）的首部端口位置，所述观察窗（108）与所述电离腔（1）的首部端口之间设有密封垫片（107）。

5.如权利要求1所述的利用紫外辐射和电子枪产生中性尘埃粒子流的装置，其特征在于：所述真空***包括气罐（502），所述气罐（502）的输出端通过进气管道与所述电离腔（1）的侧壁上开设的进气孔（101）连通，所述进气管道上设有控制阀（501）；所述真空***还包括真空泵（504），所述真空泵（504）的输入端通过出气管道与所述电离腔（1）侧壁上开设的出气孔（102）连通，所述出气管道上设有控制阀（501）。

6.如权利要求2所述的利用紫外辐射和电子枪产生中性尘埃粒子流的装置，其特征在于：所述加速组件包括设置于所述加速腔（2）首部端口与所述电离腔（1）尾部端口之间的网状负电极（205）和设置于所述加速腔（2）尾部端口与所述电子枪中和通道（3）首部端口之间的网状正电极（201），所述加速腔（2）外侧壁同心设置有磁聚焦线圈（204）；所述磁聚焦线圈（204）通过若干在加速腔（2）外侧壁有序分布的第二绝缘柱（203）与所述加速腔（2）连接，在所述加速腔（2）内形成恒定磁场。

7.如权利要求1所述的利用紫外辐射和电子枪产生中性尘埃粒子流的装置，其特征在于：所述偏转组件包括同心设置于所述偏转腔（4）外侧壁的偏转电极（401），所述偏转电极（401）通过若干在所述偏转腔（4）外侧壁有序分布的第四绝缘柱（402）与偏转腔（4）连接，在所述偏转腔（4）内形成偏转电场。

8.如权利要求1所述的利用紫外辐射和电子枪产生中性尘埃粒子流的装置，其特征在于：所述电子枪中和通道（3）和所述加速腔（2）的内径小于所述电离腔（1）的内径。

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