CN112304365B - 一种在轨微小空间碎片多参数测量探头及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在轨微小空间碎片多参数测量探头及测量方法，本发明属于空间碎片监测测量领域，涉及一种在轨被动微小碎片尺寸、速度、质量多个参数测量方法，用于航天器在轨空间碎片测量载荷。本发明的包括前后薄膜传感器、前后电荷收集电极、电荷测量放大器以及高频脉冲计数器。前后薄膜上镀有金属膜，前薄膜后、后薄膜前装有等间距电荷收集丝，收集电极与薄膜间加负直流电压，用于收集微小碎片撞击到前后薄膜产生的电荷信号。前后薄膜产生的电荷被收集电极收集，并由电荷放大器放大为电压脉冲信号，由高频脉冲计数器测量前后薄膜上的撞击信号的时间差，获得速度和方向信息。由电荷量信号获得撞击碎片能量，结合速度可以得到空间碎片的质量。

Description

一种在轨微小空间碎片多参数测量探头及测量方法

技术领域

本发明属于空间碎片监测测量领域，涉及一种在轨微小空间碎片多参数测量探头及测量方法，在轨被动撞击方式对微小碎片尺寸、速度、质量多个参数测量，用于航天器在轨微小空间碎片测量载荷。

背景技术

目前越来越多空间碎片对越来越多的航天器在轨运行的威胁程度愈加剧烈，对空间碎片的研究得到国内外相关领域的高度重视，对空间碎片的观测和监视是开展空间碎片研究的基础；国内外建立的大量的地面光学和无线电观测设备，可以观测到厘米级以上尺寸的空间碎片，为测量的空间微小碎片(亚毫米级及以下尺寸,《空间碎片》中国宇航出版社，都亨等)，需要在航天器上安装专用的在轨测量设备，目前国内外在轨微小空间碎片测量设备基于以下技术，一般为单参数得测量。

基于MOS电容的测量技术是在轨测量微小碎片撞击到MOS电容后产生的电压脉冲，测量微小碎片的通量，可以测量微米及以上尺寸微小碎片的通量(见图1)；此技术已应用到长期暴露设施(LDEF)、微流星体技术卫星(MTS)及国际空间站(ISS)上。

聚偏二氟乙烯聚合物(PVDF)薄膜的测量技术利用PVDF的压电特性，当一个空间碎片撞击PVDF传感器时候，导致局部偶极子快速极化，产生较大的快速的电荷脉冲，测量脉冲幅度可以得到碎片能量和通量(见图1)；PVDF薄膜探测器曾经搭载在织女一号和织女二号，用于探测哈雷彗星粉尘撞击记数和质量分析的DUCMA探测器；PVDF传感器压电特性随环境变化，测量信息偏差较大。

空间碎片等离子体探测器技术原理为：空间碎片高速撞击探测器靶体时，产生大量的等离子体，通过电场分离等离子体中电子和离子，并测量电子或离子电流，获得空间碎片速度，利用此技术的“粉尘探测器(DDS)”探测器，于1987年、1990年分别搭载于Galileo卫星和Ulysses卫星，GORID等离子体探测器搭载在俄罗斯的EXPRESS-2卫星上，此类探测器体积功耗大，设计复杂。

以上测量方法采用电子电路(有源)方式在轨获得测量数据和信息；而无源测量方式用于可回收航天器上，中国专利(CN201010522728.2)公开了一种无源(无需电路)测量方式，利用暴露在空间薄膜进行微小碎片俘获，然后将探测薄膜运回地面，采用物理分析方法分析微小碎片的注入深度和碎片化学组成的方法，此方法不能实时测量微小空间碎片信息，并且不能测量速度。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提出一种在轨微小空间碎片多参数测量探头及测量方法，测量高速微小碎片撞击平面薄膜产生等离子体中的离子电荷量，并采用飞行时间法测量碎片速度，获得微小碎片速度(≥2km/s)、质量数据(≥10^-11g)，以及质量。

本发明解决技术的方案是：一种在轨微小空间碎片撞击测量探头，该探头包括前薄膜、后薄膜、M个前薄膜收集电极、N个后薄膜收集电极、M个前薄膜电荷放大器、N个后薄膜电荷放大器、前薄膜撞击触发器、后薄膜撞击触发器、前薄膜收集电极电荷信号加法放大器、后薄膜收集电极电荷信号加法放大器、高频脉冲计数器，M大于等于10，N大于等于10；

前薄膜面向微小碎片撞击方向放置，前薄膜的背对微小碎片撞击方向的平面上镀有金属薄膜，该金属薄膜后装有等间距电荷收集丝，收集丝与前薄膜之间施加负直流电压，所述电荷收集丝作为前收集电极，用于收集微小碎片撞击到前薄膜上产生的电荷信号；

后薄膜与前薄膜相互平行并保持一定的间隔，后薄膜的面对微小碎片撞击方向的平面上镀有金属薄膜，该金属薄膜前装有等间距电荷收集丝，即为后薄膜收集电极，前薄膜收集电极与后薄膜之间施加负直流电压，用于收集微小碎片撞击到后薄膜上产生的电荷信号；

M个前薄膜收集电极收集的电荷信号分别由前薄膜电荷放大器放大，得到M个前薄膜电压脉冲信号，M个前薄膜电压脉冲信号进入前薄膜撞击触发器和前薄膜收集电极电荷信号加法放大器，在前薄膜撞击触发器中，M个前薄膜电压脉冲信号进行或操作之后，得到前薄膜撞击信号；在前薄膜收集电极电荷信号加法放大器中，M个电压脉冲信号的幅度相加，得到前薄膜撞击产生的总电荷量；

N个后收集电极收集的电荷信号分别由后薄膜电荷放大器放大，得到N个后薄膜电压脉冲信号，N个后薄膜电压脉冲信号进入后薄膜撞击触发器和后薄膜收集电极电荷信号加法放大器中，在后薄膜撞击触发信号电路中，N个后薄膜电压脉冲信号进行或操作之后，得到后薄膜撞击信号；在后薄膜收集电极电荷信号加法放大器中，N个后薄膜电压脉冲信号的幅度求和，得到前薄膜撞击产生的总电荷量；

高频脉冲计数器，测量得到前薄膜撞击信号和后薄膜撞击信号的时间差，用于计算撞击微小碎片的速度；

前薄膜撞击产生的总电荷量、后薄膜撞击产生的总电荷量与撞击微小碎片的速度用于计算撞击微小空间碎片的质量。

所述镀金属薄膜为聚酰亚胺镀铝膜、聚酯镀铝膜、聚乙烯镀银膜。

所述前薄膜与后薄膜的薄膜厚度D_m大于微小空间碎片最大撞击坑深度p，所述微小空间碎片撞击坑深度p的计算公式为：

0≤θ≤θ_max

其中，d_p为入射微小空间碎片最大特征尺寸，单位：cm，B_H为薄膜材料布氏硬度；ρ_p为薄膜材料密度，单位：g/cm³；ρ_t为入射微小空间碎片密度，单位g/cm³；V_n为相对于薄膜的入射速度，单位：km/s；C为材料声速，单位：km/s，θ为入射微小空间碎片方向与薄膜平面法线方向夹角，L为前收集电极(3)或者后收集电极沿排列方向的有效收集范围，D为前薄膜(1)与后薄膜(2)之间的间隔，其中，薄膜厚度小于p/2。

所述前薄膜与后薄膜之间的间隔D、所述收集电极横截面的最大特征尺寸d₀同时满足如下条件：

(a)、收集电极横截面的最大特征尺寸d₀小于D/10；

(b)、所述收集电极距离薄膜距离为d，d应满足H离子在前薄膜与前薄膜收集电极形成的电场或者后薄膜与后薄膜收集电极形成的电场中漂移时间Ts小于入射微小空间碎片在前薄膜与后薄膜之间的飞行时间T_f的1/10；

(c)、

其中,m_i为等离子体中的离子质量，e为电子电量，k为系数一般大于10。

所述前薄膜电荷放大器和后薄膜电荷放大器结构相同，均包括并联的输入电路、电荷放大反馈电路、电压放大电路、输出电路；其中，前薄膜电荷放大器包括M路并联输入电路，用于将每个前收集电极收集的电荷信号传输至电荷放大反馈电路；

后薄膜电荷放大器包括N路并联输入电路，用于将每个后收集电极收集的电荷信号传输至电荷放大反馈电路；

电荷放大反馈电路，用于将电荷进行放大并转换成电压信号；

电压放大电路，将电压信号进行放大；

输出电路，将放大后的电压信号输出。

所述并联输入电路包括电阻R1、R2、滤波电容C1、隔直电容C3，电阻R1的一端连接负电压-Vdc，电阻R1的另一端并联连接滤波电容C1和电阻R2的一端，滤波电容C1的另一端接地，电阻R2的另一端连接隔直电容C3的一端和前收集电极或者后收集电极收集的电荷信号，隔直电容C3的另一端连接电荷放大反馈电路的输入端。

所述电荷放大反馈电路包括场效应管Q1、三极管Q2、运算放大器U1A、电容C2、C5、C6、C7、C8、C9、电阻R4、R5、R6、R8、R9、R10、R12；

场效应管Q1的栅极为电荷放大反馈电路的输入端，场效应管Q1的源极接地，场效应管Q1的漏极连接三极管Q2的基极和电阻R4，电阻R4串联电阻R5连接至电源正端VD1，同时电阻R4与电阻R5之间的节点通过并联连接的电容C2和C5接地，三极管Q2的集电极通过电容C6接地，同时通过电阻R6串联电阻R5连接至电源正端VD1，三极管Q2的发射极连接电阻R7的一端和运算放大器U1A的正输入端，电阻R7接地的另一端接地，运算放大器U1A的负输入端并联连接电阻R9和电阻R10，电阻R10接地，电阻R9的另一端连接运算放大器U1A的供电正端和电阻R8，电阻R8连接电源正端VD1，运算放大器U1A的供电正端同时通过电容C7接地，运算放大器U1A的供电负端通过电容C8接地，同时，通过电阻R12连接电源负端VE1，运算放大器U1A的输出端为电荷放大反馈电路的输出端，运算放大器U1A的输出端通过并联连接的电阻R11和电容C9反馈至场效应管Q1的栅极；

所述电压放大电路包括运算放大器U2A、电容C10、电阻R13、R14、R15；

电容C10的一端为电压放大电路的输入端，电容C10的另一端连接运算放大器U2A的正输入端，并通过电阻R14接地，运算放大器U2A的输出端为电压放大电路的输出端，通过串联连接的电阻R15和电阻R13接地，并且于电阻R15和电阻R13之间的节点反馈至运算放大器U2A的负输入端。

所述输出电路包括电阻R16、电阻R17、电阻R18和电容C11；

电压放大电路的输出端并联连接电阻R16和电阻R17，电阻R16的另一端接地，电阻R17的另一端连接电阻R18和电容C11，电容C11接地，电阻R18的输出端为输出电路的输出端。

相邻两根前薄膜收集电极之间的间距d1和相邻两根后薄膜收集电极之间的间距d2取值范围通过如下公式确定：

d1＝d2≤D/20

基于上述装置，本发明还提供了一种在轨微小空间碎片撞击测量方法，该方法包括如下步骤：

(1)、获取M个前薄膜收集电极收集的电荷信号和N个后薄膜收集电极收集的电荷信号；

(2)、分别将M个前薄膜收集电极收集的电荷信号由前薄膜电荷放大器放大，得到M个前薄膜电压脉冲信号；分别将N个后薄膜收集电极收集的电荷信号由后薄膜电荷放大器放大，得到N个后薄膜电压脉冲信号；

(3)、将M个前薄膜电压脉冲信号进行与操作之后，得到前薄膜撞击信号，为计数器开始信号；将N个后薄膜电压脉冲信号进行与操作之后，得到后薄膜撞击信号，为计数器停止信号；由计数器开始信号和计数器停止信号测量到时间差T_f；

(4)、将M个前薄膜电压脉冲信号的幅度相加，得到前薄膜撞击产生的总电荷量；将N个后薄膜脉冲电压脉冲信号的幅度相加，得到后薄膜撞击产生的总电荷量Q；

(5)、测量前薄膜撞击信号和后薄膜撞击信号的时间差，根据前薄膜与后薄膜之间的间隔D和该时间差计算撞击微小碎片的速度v；

(6)、根据前薄膜撞击产生的总电荷量Q与撞击微小碎片的速度v，计算撞击微小碎片的质量，具体计算公式如下：

Q＝m^αv^β

其中，α为质量指数、β为速度指数，可以通过地面高速微粒撞击薄膜试验获得，V_p为入射微小空间碎片速度，通过飞行时间法测量。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明采用双层镀金属薄膜和收集电极结构实现微小空间碎片撞击时间、电荷量以及质量测量，探头结构简单、质量轻，易于集成安装。

(2)、本发明测量微小空间碎片撞击薄膜产生电荷信号，分析得到微小空间碎片能量(动能)。

(3)、本发明采用飞行时间方法，采用高频(不小于50Mhz)脉冲计数器，以微小碎片穿透前、后薄膜产生等离子体中的离子电荷信号为开始和停止信号，得到计数器的计数值，与频率相乘，得到时间差，前薄膜和后薄膜之间的距离D除以时间差，进而获得碎片速度。

(4)、本发明测量电荷量与微小碎片的质量和速度相关，在获得速度值后，可以计算获得微小碎片质量。

(5)、本发明通过设置平行的前后收集电极获得电荷信号，分析相邻收集电极上电荷信号幅度大小差异，确定两个收集到做多电荷的收集电极，从而确定撞击到薄膜相对收集电极的一维位置，结合前后薄膜处的一维位置信息，获得微小碎片的撞击位置范围和角度范围。

(6)、本发明采用镀金属薄膜，阻挡外部环境光、热和电磁环境对探头的影响，不易受外界热、电磁干扰。

附图说明

图1(a)为PVDF微小碎片探头示意图。

图1(b)为MOS电容微小碎片探头示意图

图2为本发明实施例在轨微小空间碎片撞击测量探头组成框图。

图3(a)为本发明实施例在轨微小空间碎片撞击测量探头前薄膜、后薄膜位置关系示意图；

图3(b)为本发明实施例在轨微小空间碎片撞击测量探头前薄膜、后薄膜位置关系示意图的截面图；

图3(c)为本发明实施例在轨微小空间碎片撞击测量探头收集电极结构示意图。

图4为本发明实施入射微小碎片方向测量示意图。

图5为本发明实施例电荷放大器示意图。

图6为本发明实施例高频计数器功能示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

实施例1：

本发明提出多参数微小空间碎片测量探头，探头结构见图2所示，包括平行放置的前薄膜1、后薄膜2，20个前收集电极3、20个后收集电极4、20路前收集电极电荷放大器5、20路后收集电极电荷放大器6、前薄膜撞击触发器7、高频脉冲计数器8、前收集电极电荷信号加法放大器9、后收集电极电荷信号加法放大器10、后薄膜撞击触发器11。

本实施例中，探头前薄膜1和后薄膜2采用镀铝聚酰亚胺薄膜为撞击载体，高速空间微小碎片撞击前薄膜1和后薄膜2产生等离子体，等离子体中的离子在收集电极与薄膜间的电场作用下，收集离子、在收集电极上形成电荷脉冲信号，通过电荷放大器产生电压脉冲信号，其输出电压信号幅度与收集电极上电荷量大小成正比；测量电压脉冲信号可以得到撞击时刻和电荷量；

由最大幅度两路电压信号，确定距离撞击点最近的收集电极由收集电极位置，得到撞击点范围应在两个收集极之间(一维位置)；测量前后薄膜电压信号之间的时间差，可以获得入射空间微小碎片的速度，依据前后薄膜撞击点位置可以获得入射方向。

一、薄膜具体设计

前薄膜1和后薄膜2采用镀金属的有机薄膜(如聚酰亚胺镀铝膜、聚酯薄镀铝膜、聚乙烯镀银膜)，薄膜力学和热性能稳定，可耐300℃以上高温；薄膜厚度为D_m。前薄膜1和后薄膜2大小相同、平行放置。

采用超高速撞击方程对微小空间碎片撞击薄膜的穿透深度进行分析如下：

其中：p为靶上的撞击坑深度(cm),d_p为入射微小碎片直径(cm)，B_H为薄膜材料布氏硬度；ρ_p为薄膜材料密度(g/cm³)；ρ_t为入射微小空间碎片密度(g/cm³)；V_n为相对于薄膜的入射速度(km/s)；C为材料声速(km/s)，θ为入射方向。

当微小空间碎片穿透薄膜后，收集电极才能收集电荷，进而测量撞击事件；因此薄膜厚度D_m应大于p。

二、收集电极设计

收集电极距离薄膜表面距离为d，收集电极为金属铜圆柱，其半径应至少小于d/10；收集电极丝与薄膜间电压为-U(薄膜接地，负电源接收集极)；d应满足离子(主要为H、C、Al)在电场(U/d)中漂移时间远小于(＜0.1倍)入射空间微小碎片在前后薄膜间的飞行时间T_f。

收集电极的电荷收集过程见图3(c)，撞击产生的等离子在电场作用下分离出正离子，正离子在电场下漂移到收集电极，产生电荷信号，由电荷放大器转变为电压脉冲信号。

空间微小空间碎片撞击到薄膜产生等离子中的离子电荷Q与碎片质量、速度关系如下，通过测量电荷Q和速度V_p可获得空间微小碎片质量，其中电荷Q与电压脉冲幅度成正比。

Q＝m^αV_p ^β

V_Q＝A_qvQ

α为质量指数、β为速度指数，；可以通过地面高速微粒撞击薄膜试验获得，V_p为入射微小空间碎片速度，通过飞行时间法测量(见图6)。

三、本发明关键参数设计

如图3(a)和图3(b)所示，前薄膜后装有等间距(距离薄膜平面为d)平行的金属收集极(间距d1)，前收集电极与前薄膜间加直流电压U(-50V)，用于收集微小碎片撞击到前薄膜产生的电荷信号。后薄膜在薄膜前装有等间距(距离薄膜面为d)平行的金属收集极(间距d2)，D为前薄膜与后薄膜之间的距离。

本发明提出多参数微小空间碎片测量探头的关键参数包括：前薄膜与后薄膜之间的距离D，收集电极丝距离薄膜平面距离d，前薄膜收集电极丝间距的d1，后薄膜收集电极丝间距的d2，收集电极丝与薄膜电压U(-50V)；它们之间的关系满足下式。

d＝d1＝d2≤D/20

其中m_i为等离子体中的离子质量，e为电子电量，k为系数一般大于10，与测量精度有关。

四、电荷放大器设计

电荷放大器是一种由一只结型场效应晶体管、三极管、运算放大器及阻容元件组成的米勒积分电路，采用自举原理，使运算放大器电路开环增益达大于2000，带宽>20MHz，输入阻抗大于100MΩ。

前薄膜电荷放大器5和后薄膜电荷放大器6(见图5)工作原理如下：等离子中离子在电场作用下，被收集电极俘获产生，形成电荷脉冲，输入到放大器组成的积分电路，输入电压信号。

如图5所示，前薄膜电荷放大器5和后薄膜电荷放大器6结构相同，均包括并联的输入电路、电荷放大反馈电路、电压放大电路、输出电路；其中，前薄膜电荷放大器5包括M路并联输入电路，用于将每个前收集电极3收集的电荷信号传输至电荷放大反馈电路；

后薄膜电荷放大器6包括N路并联输入电路，用于将每个后收集电极4收集的电荷信号传输至电荷放大反馈电路；

电荷放大反馈电路，用于将电荷进行放大并转换成电压信号；

电压放大电路，将电压信号进行放大；

输出电路，将放大后的电压信号输出。

所述并联输入电路包括电阻R1、R2、滤波电容C1、隔直电容C3，电阻R1的一端连接负电压-Vdc，电阻R1的另一端并联连接滤波电容C1和电阻R2的一端，滤波电容C1的另一端接地，电阻R2的另一端连接隔直电容C3的一端和前收集电极3或者后收集电极4收集的电荷信号，隔直电容C3的另一端连接电荷放大反馈电路的输入端。

所述电荷放大反馈电路包括场效应管Q1、三极管Q2、运算放大器U1A、电容C2、C5、C6、C7、C8、C9、电阻R4、R5、R6、R8、R9、R10、R12；

场效应管Q1的栅极为电荷放大反馈电路的输入端，场效应管Q1的源极接地，场效应管Q1的漏极连接三极管Q2的基极和电阻R4，电阻R4串联电阻R5连接至电源正端VD1，同时电阻R4与电阻R5之间的节点通过并联连接的电容C2和C5接地，三极管Q2的集电极通过电容C6接地，同时通过电阻R6串联电阻R5连接至电源正端VD1，三极管Q2的发射极连接电阻R7的一端和运算放大器U1A的正输入端，电阻R7接地的另一端接地，运算放大器U1A的负输入端并联连接电阻R9和电阻R10，电阻R10接地，电阻R9的另一端连接运算放大器U1A的供电正端和电阻R8，电阻R8连接电源正端VD1，运算放大器U1A的供电正端同时通过电容C7接地，运算放大器U1A的供电负端通过电容C8接地，同时，通过电阻R12连接电源负端VE1，运算放大器U1A的输出端为电荷放大反馈电路的输出端，运算放大器U1A的输出端通过并联连接的电阻R11和电容C9反馈至场效应管Q1的栅极；

所述电压放大电路包括运算放大器U2A、电容C10、电阻R13、R14、R15；

电容C10的一端为电压放大电路的输入端，电容C10的另一端连接运算放大器U2A的正输入端，并通过电阻R14接地，运算放大器U2A的输出端为电压放大电路的输出端，通过串联连接的电阻R15和电阻R13接地，并且于电阻R15和电阻R13之间的节点反馈至运算放大器U2A的负输入端。

所述输出电路包括电阻R16、电阻R17、电阻R18和电容C11；

电压放大电路的输出端并联连接电阻R16和电阻R17，电阻R16的另一端接地，电阻R17的另一端连接电阻R18和电容C11，电容C11接地，电阻R18的输出端为输出电路的输出端。

优选地，前薄膜电荷放大器(5)包括M路并联测试输入电路，与M路并联输入电路相对应，用于模拟M路电荷输入。同样的，后薄膜电荷放大器(6)包括N路并联测试输入电路，用于模拟N路电荷输入。测试输入电路包括串联连接的电阻R3和电容C4，电阻R3和电容C4之间的节点为测试输入电路的输入端，电阻R3的另一端接地，电容C4连接场效应管Q1的栅极。

上述电荷放大器中，直流电压为负电压(-Vdc，-50V)，通过电阻R1、R2连接到收集电极间，薄膜为地电平(GND)，C1为滤波电容；Q_N为其中一个收集电极的输出电荷信号，通过隔直电容C3输入到场效应管Q1的栅极。电阻R11、电容C9、场效应管Q1、三极管Q2和运算放大器U1A组成电荷积分放大器，将输入的电荷在电容C9上积分，输出电压信号；电阻R4为场效应管Q1上漏极负载电阻；三极管Q2和电阻R7组成射极跟随电路，对电路阻抗调整作用；电阻R5、R6、电容C2、C5、电阻R8、电容C7为阻容滤波电路，为场效应管Q1、三极管Q2、运算放大器U1A和运算放大器U2A供正电，电阻R12、电容C8组成阻容滤波电路为运算放大器U1A和运算放大器U2A供负电；电阻R9、电阻R10分压电路与运算放大器U1A同相端连接形成零点调节电路；运算放大器U2A与电阻R13、电阻R15、电阻R14组成同相端电压运算放大器，电压放大倍数为(1+R15/R13)；C10为隔直电容，电阻R16、R17、R18、电容C11为放大器输出负载电路。

电荷放大器单路输入电荷信号为Q_N，输出电压为Q_N/C9；一般C9为nF，R11电荷泄放电阻，对于10ms的RC电路时间常数，R11约为10MΩ；电路中的电荷电压放大倍数A_qv为：

本发明某一具体实施例中，电路中Q1输入阻抗大于10¹²Ω，要求R1和R2值不小于100MΩ。TS_N为测试信号输入端，用于测试电路性能，R3为阻抗匹配电阻，C4为隔直电容。

前薄膜收集电极丝间距d1，后薄膜收集电极丝间距d2,与入射微小空间碎片的入射角度测量有关，见图6所示。微小空间碎片入射角度范围为θ，范围与d1、d2和D相关。

微小空间碎片撞击前薄膜位置在收集电极第m和(m+1)之间，在第m和m+1收集电极产生电荷信号，经放大后产生电压信号V_n和V_m+1,，由V_m和V_m+1信号，可以确定撞击点一维位置在m×d1和(m+1)×d1之间；撞击后薄膜位置在收集电极第n和(n+1)之间,相邻收集电极n和n+1收集到电荷信号，经放大后产生电压信号V_n和V_n+1，由V_n和V_n+1信号，确定撞击点位置在n×d1和(n+1)×d1之间；则微小空间碎片入射角度为：

tan^-1((m)d₁-(n+1)d₂)≤θ≤tan^-1((m+1)d₁-nd₂)

五、脉冲计数电路设计

脉冲计数电路(见图6)的GATE信号为l，允许计数；为低电平停止计数。前薄膜收集电极输出的电压脉冲作为起始信号，使GATE变高，开始计数；后薄膜收集电极输出的电压脉冲作为停止信号，使GATE变低同时结束计数，脉冲计数电路输出计数值，计数值与高频信号源的脉冲频率(f)的相除，为时间间隔T_f，既T_f＝n/f。

高频脉冲计数电路经过初始化后，当计数电路的起始信号到达时，RS触发器

输出高电平，计数器的G端电平为高，开始对高频振荡器13输出的脉冲记数；当计数电路停止信号到达后，RS触发器12被置低电平，计数电路14的G端变为低电平，计数停止，计数电路保留计数值，直到数据采集电路15读信号控制读取计数值；数据采集电路15在读取计数值后，产生复位信号，使RS触发器复位，并清除计数器高频脉冲计数。

由时间间隔T_f和前后薄膜间距D，以及入射角度θ，获得微小碎片的速度V_p为D/T_fcosθ。

本发明的工作原理是：

微小空间碎片撞击前后薄膜产生等离子体中的离子电荷被前收集电极、后收集电极收集，并由前、后电荷放大器放大为电压脉冲信号，对M路前薄膜电压脉冲信号进行或操作之后，得到前薄膜撞击信号V_t1，为高频计数器开始计数信号；将N路后薄膜电压脉冲信号进行或操作之后，得到后薄膜撞击信号V_t2，为高频计数器计数停止信号；由高频计数器开始信号和计数器停止信号之间测量到脉冲计数，获得时间差；

将M路前薄膜电压脉冲信号的幅度相加，由测量到的电压幅度得到前薄膜撞击产生的总电荷量；将后薄膜脉冲电压脉冲信号的幅度相加，由测量到的电压幅度得到后薄膜撞击产生的总电荷量；

测量前薄膜撞击信号和后薄膜撞击信号的时间差，根据前薄膜与后薄膜之间的距离D和时间差，可计算撞击空间微小碎片的速度V_p；

根据前薄膜撞击产生的总电荷量与撞击微小碎片的速度V_p，可计算撞击空间微小碎片的质量。具体计算公式如下：

Q＝m^αV_p ^β

α为质量指数、β为速度指数，；可以通过地面高速微粒撞击薄膜试验获得，V_p为入射微小空间碎片速度。

如图4所示，微小空间碎片撞击前薄膜位置在收集电极第m和(m+1)之间，在第m和m+1收集电极产生电荷信号，经放大后产生电压信号V_n和V_m+1,，由V_m和V_m+1信号，可以确定撞击点一维位置在m×d1和(m+1)×d1之间；撞击后薄膜位置在收集电极第n和(n+1)之间,相邻收集电极n和n+1收集到电荷信号，经放大后产生电压信号V_n和V_n+1，由V_n和V_n+1信号，确定撞击点位置在n×d1和(n+1)×d1之间；则微小空间碎片入射角度为：

tan^-1((m)d₁-(n+1)d₂)≤θ≤tan^-1((m+1)d₁-nd₂)

实施例2：

前薄膜1、后薄膜2为镀铝聚酰亚胺薄膜，厚度参考表1中的数据，膜厚为10μm；p为靶上的撞击坑深度(cm),d_p为入射微小空间碎片直径(cm)，B_H为薄膜材料布氏硬度；ρ_p为薄膜材料密度(g/cm³)；ρ_t为微小空间碎片密度(g/cm³)；V_n为相对于薄膜的入射速度(km/s)；C为材料声速取5.1km/s，入射方向θ为0。薄膜厚度为20μm，微小碎片撞击坑深度应大于薄膜厚度2倍(40μm)，对应最小可测量空间碎片范围见下表1。

表1微小空间碎片在聚酰亚胺的撞击坑深度(铝、铁材料的空间碎片，θ为0)

直径为10微米、9.50km/s的铁微小空间碎片，在前薄膜上产生的离子电荷量约为6.3×10^-10C；收集电极直径为0.5mm，间距d为5mm，收集电极距离薄膜距离为5mm,前后薄膜的间距D为20cm，对于V_p为15km/s，m_i(H)为1.67×10^-27kg,入射角θ为45°,k为10，e为电子电荷，则U应大于35V,设计中取50V(负电压)；

考虑方向和空间分布，一个收集极电荷最大约为总电荷1.1×10^-10C，电荷放大器积分电容C19为1nf，R11为10MΩ，R13和R15为10kΩ。

前收集电极3(20个)，编号为M1～M20,对应20个前收集电极电荷放大器AM1～AM20，输出信号为VAM1～VAM20；输出到触发器7和加法放大器9；触发器7产生计数器8的起始信号V_t1；加法放大器9输出电荷信号V_q1；后收集电极4(20个)编号为N1～N20，对应20个后收集电极电荷放大器AN1～AN20，输出信号为VAN1～VAN20；输出到触发器11和加法放大器10；触发器11产生计数器8的停止信号V_t2；加法放大器10输出电荷信号V_q2。

图6中前薄膜收集电极输出的电压脉冲作为起始信号，使GATE12变高，开始计数；后薄膜收集电极输出的电压脉冲作为停止信号，使GATE变低同时结束计数，脉冲计数电路14输出计数值，计数值与高频信号源13的脉冲频率(50Mhz)相除，获得时间间隔T_f，对于9.50km/s的微小空间碎片垂直入射(θ为45°)，D为20cm，T_f约为29.6μs，计数值为1487，速度为1.414D/T_f。

对于微小空间碎片入射角度范围测量见下式。

tan^-1((m)d₁-(n+1)d₂)≤θ≤tan^-1((m+1)d₁-nd₂)

V_q1由图6中数据采集电路15采集处理，依据下式可计算电荷量。

由Q＝m^αv^β，计算微小空间碎片质量。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种在轨微小空间碎片撞击测量探头，其特征在于包括前薄膜(1)、后薄膜(2)、M个前薄膜收集电极(3)、N个后薄膜收集电极(4)、M个前薄膜电荷放大器(5)、N个后薄膜电荷放大器(6)、前薄膜撞击触发器(7)、后薄膜撞击触发器(11)、前薄膜收集电极电荷信号加法放大器(9)、后薄膜收集电极电荷信号加法放大器(10)、高频脉冲计数器(8)，M大于等于10，N大于等于10；

前薄膜(1)面向微小碎片撞击方向放置，前薄膜(1)的背对微小碎片撞击方向的平面上镀有金属薄膜，该金属薄膜后装有等间距电荷收集丝，收集丝与前薄膜(1)之间施加负直流电压，所述电荷收集丝作为前收集电极(3)，用于收集微小碎片撞击到前薄膜(1)上产生的电荷信号；

后薄膜(2)与前薄膜相互平行并保持一定的间隔，后薄膜(2)的面对微小碎片撞击方向的平面上镀有金属薄膜，该金属薄膜前装有等间距电荷收集丝，即为后薄膜收集电极(4)，前薄膜收集电极(4)与后薄膜(2)之间施加负直流电压，用于收集微小碎片撞击到后薄膜(2)上产生的电荷信号；

M个前薄膜收集电极(3)收集的电荷信号分别由前薄膜电荷放大器(5)放大，得到M个前薄膜电压脉冲信号，M个前薄膜电压脉冲信号进入前薄膜撞击触发器(7)和前薄膜收集电极电荷信号加法放大器(9)，在前薄膜撞击触发器(7)中，M个前薄膜电压脉冲信号进行或操作之后，得到前薄膜撞击信号；在前薄膜收集电极电荷信号加法放大器(9)中，M个电压脉冲信号的幅度相加，得到前薄膜撞击产生的总电荷量；

N个后收集电极(4)收集的电荷信号分别由后薄膜电荷放大器(6)放大，得到N个后薄膜电压脉冲信号，N个后薄膜电压脉冲信号进入后薄膜撞击触发器(11)和后薄膜收集电极电荷信号加法放大器(10)中，在后薄膜撞击触发信号电路(11)中，N个后薄膜电压脉冲信号进行或操作之后，得到后薄膜撞击信号；在后薄膜收集电极电荷信号加法放大器(10)中，N个后薄膜电压脉冲信号的幅度求和，得到前薄膜撞击产生的总电荷量；

高频脉冲计数器(8)，测量得到前薄膜撞击信号和后薄膜撞击信号的时间差，用于计算撞击微小碎片的速度；

前薄膜撞击产生的总电荷量、后薄膜撞击产生的总电荷量与撞击微小碎片的速度用于计算撞击微小空间碎片的质量。

2.根据权利要求1所述的一种在轨微小空间碎片撞击测量探头，其特征在于所述前薄膜(1)与后薄膜(2)的薄膜厚度D_m大于微小空间碎片最大撞击坑深度p，所述微小空间碎片撞击坑深度p的计算公式为：

0≤θ≤θ_max

其中，d_p为入射微小空间碎片最大特征尺寸，单位：cm，B_H为薄膜材料布氏硬度；ρ_p为薄膜材料密度，单位：g/cm³；ρ_t为入射微小空间碎片密度，单位g/cm³；V_n为相对于薄膜的入射速度，单位：km/s；C为材料声速，单位：km/s，θ为入射微小空间碎片方向与薄膜平面法线方向夹角，L为前收集电极(3)或者后收集电极沿排列方向的有效收集范围，D为前薄膜(1)与后薄膜(2)之间的间隔，其中，薄膜厚度小于p/2。

3.根据权利要求1所述的一种在轨微小空间碎片撞击测量探头，其特征在于所述前薄膜(1)与后薄膜(2)之间的间隔D、所述收集电极横截面的最大特征尺寸d₀同时满足如下条件：

(a)、收集电极横截面的最大特征尺寸d₀小于D/10；

(b)、所述收集电极距离薄膜距离为d，d应满足H离子在前薄膜(1)与前薄膜收集电极(3)形成的电场或者后薄膜(2)与后薄膜收集电极(3)形成的电场中漂移时间Ts小于入射微小空间碎片在前薄膜(1)与后薄膜(2)之间的飞行时间T_f的1/10；(c)、

其中,m_i为等离子体中的离子质量，e为电子电量，k为系数一般大于10。

4.根据权利要求1所述的一种在轨微小空间碎片撞击测量探头，其特征在于前薄膜电荷放大器(5)和后薄膜电荷放大器(6)结构相同，均包括并联的输入电路、电荷放大反馈电路、电压放大电路、输出电路；其中，前薄膜电荷放大器(5)包括M路并联输入电路，用于将每个前收集电极(3)收集的电荷信号传输至电荷放大反馈电路；

后薄膜电荷放大器(6)包括N路并联输入电路，用于将每个后收集电极(4)收集的电荷信号传输至电荷放大反馈电路；

电荷放大反馈电路，用于将电荷进行放大并转换成电压信号；

电压放大电路，将电压信号进行放大；

输出电路，将放大后的电压信号输出。

5.根据权利要求4所述的一种在轨微小空间碎片撞击测量探头，其特征在于所述并联输入电路包括电阻R1、R2、滤波电容C1、隔直电容C3，电阻R1的一端连接负电压-Vdc，电阻R1的另一端并联连接滤波电容C1和电阻R2的一端，滤波电容C1的另一端接地，电阻R2的另一端连接隔直电容C3的一端和前收集电极(3)或者后收集电极(4)收集的电荷信号，隔直电容C3的另一端连接电荷放大反馈电路的输入端。

6.根据权利要求4所述的一种在轨微小空间碎片撞击测量探头，其特征在于所述电荷放大反馈电路包括场效应管Q1、三极管Q2、运算放大器U1A、电容C2、C5、C6、C7、C8、C9、电阻R4、R5、R6、R8、R9、R10、R12；

场效应管Q1的栅极为电荷放大反馈电路的输入端，场效应管Q1的源极接地，场效应管Q1的漏极连接三极管Q2的基极和电阻R4，电阻R4串联电阻R5连接至电源正端VD1，同时电阻R4与电阻R5之间的节点通过并联连接的电容C2和C5接地，三极管Q2的集电极通过电容C6接地，同时通过电阻R6串联电阻R5连接至电源正端VD1，三极管Q2的发射极连接电阻R7的一端和运算放大器U1A的正输入端，电阻R7接地的另一端接地，运算放大器U1A的负输入端并联连接电阻R9和电阻R10，电阻R10接地，电阻R9的另一端连接运算放大器U1A的供电正端和电阻R8，电阻R8连接电源正端VD1，运算放大器U1A的供电正端同时通过电容C7接地，运算放大器U1A的供电负端通过电容C8接地，同时，通过电阻R12连接电源负端VE1，运算放大器U1A的输出端为电荷放大反馈电路的输出端，运算放大器U1A的输出端通过并联连接的电阻R11和电容C9反馈至场效应管Q1的栅极。

7.根据权利要求4所述的一种在轨微小空间碎片撞击测量探头，其特征在于所述电压放大电路包括运算放大器U2A、电容C10、电阻R13、R14、R15；

电容C10的一端为电压放大电路的输入端，电容C10的另一端连接运算放大器U2A的正输入端，并通过电阻R14接地，运算放大器U2A的输出端为电压放大电路的输出端，通过串联连接的电阻R15和电阻R13接地，并且于电阻R15和电阻R13之间的节点反馈至运算放大器U2A的负输入端。

8.根据权利要求4所述的一种在轨微小空间碎片撞击测量探头，其特征在于所述输出电路包括电阻R16、电阻R17、电阻R18和电容C11；

电压放大电路的输出端并联连接电阻R16和电阻R17，电阻R16的另一端接地，电阻R17的另一端连接电阻R18和电容C11，电容C11接地，电阻R18的输出端为输出电路的输出端。

9.根据权利要求1所述的一种在轨微小空间碎片撞击测量探头，其特征在于相邻两根前薄膜收集电极(3)之间的间距d1和相邻两根后薄膜收集电极(3)之间的间距d2取值范围通过如下公式确定：

d1＝d2≤D/20。

10.基于权利要求1所述测量探头的一种在轨微小空间碎片撞击测量方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、获取M个前薄膜收集电极(3)收集的电荷信号和N个后薄膜收集电极(4)收集的电荷信号；

(2)、分别将M个前薄膜收集电极(3)收集的电荷信号由前薄膜电荷放大器(5)放大，得到M个前薄膜电压脉冲信号；分别将N个后薄膜收集电极(3)收集的电荷信号由后薄膜电荷放大器(6)放大，得到N个后薄膜电压脉冲信号；

(3)、将M个前薄膜电压脉冲信号进行或操作之后，得到前薄膜撞击信号，为计数器开始信号；将N个后薄膜电压脉冲信号进行或操作之后，得到后薄膜撞击信号，为计数器停止信号；由计数器开始信号和计数器停止信号测量到时间差T_f；

(4)、将M个前薄膜电压脉冲信号的幅度相加，得到前薄膜撞击产生的总电荷量；将N个后薄膜脉冲电压脉冲信号的幅度相加，得到后薄膜撞击产生的总电荷量Q；

(5)、测量前薄膜撞击信号和后薄膜撞击信号的时间差，根据前薄膜(1)与后薄膜(2)之间的间隔D和该时间差计算撞击微小碎片的速度v；

(6)、根据前薄膜撞击产生的总电荷量Q与撞击微小碎片的速度v，计算撞击微小碎片的质量，具体计算公式如下：

Q＝m^αv^β

其中，α为质量指数、β为速度指数，可以通过地面高速微粒撞击薄膜试验获得，V_p为入射微小空间碎片速度，通过飞行时间法测量。

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