全文摘要
本实用新型公开了一种多栅离子能量分析仪器及其探头，设置所述探头的栅网的网孔孔径小于两倍的德拜半径，且所述栅网中网孔孔径为所述栅网的网丝直径的10‑15倍。所述栅网由导体网丝编制而成，网孔中心电势势必比网丝电位低，会产生横向电场，网孔越大，这种效应越明显，由于等离子的德拜屏蔽作用，为了保证栅网竖向电场的有效性，设置所述探头的栅网的网孔孔径小于两倍的德拜半径，同时设置所述栅网中网孔孔径为所述栅网的网丝直径的10‑15倍，使得栅网网孔小而密，在保证透过率的同时，能够有效降低横向电场影响。
设计方案
1.一种多栅离子能量分析仪器的探头，其特征在于，所述探头包括：
套筒，所述套筒两端分别覆盖有挡板和底板；所述挡板具有探头开口用于通过待检测离子；
位于套筒内的收集极；
位于所述套筒内的多层栅网，所述栅网位于所述收集极与所述挡板之间，所述栅网用于形成选择电场，使得高于电场能量的离子入射所述收集极；
其中，所述栅网的网孔孔径小于两倍的德拜半径，且所述栅网中网孔孔径为所述栅网的网丝直径的10-15倍。
2.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述挡板与相邻所述栅网之间、相邻所述栅网之间、所述收集极与相邻所述栅网之间、以及所述底板与所述收集极之间均设置有绝缘垫片。
3.根据权利要求2所述的探头，其特征在于，所述绝缘垫片为外径与所述套筒内径相同的圆环。
4.根据权利要求3所述的探头，其特征在于，所述圆环的上表面设置有与所述圆环同轴线的圆形凹槽；
所述挡板置于其下方相邻所述绝缘垫片的凹槽内；
所述栅网置于其下方相邻所述绝缘垫片的凹槽内；
所述收集极置于其下方相邻所述绝缘垫片的凹槽内。
5.根据权利要求2所述的探头，其特征在于，所述绝缘垫片为聚四氯乙烯垫片。
6.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述套筒、所述挡板、所述底板、所述收集极以及所述栅网的磁导率不大于1.1。
7.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述探头开口的半径不小于1.06mm，且不超过10mm。
8.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述套筒的半径不小于34.2mm，且不超过100mm。
9.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述栅网的导电率不小于106<\/sup>S\/m；
所述栅网的硬度不小于37HRC；
所述栅网的膨胀系数不大于18.2m\/m℃(at20-100℃)；
所述栅网的透过率不小于80％；
所述栅网的网孔为正六边形通孔；
相邻所述栅网之间的间距为4mm-7mm。
10.一种多栅离子能量分析仪器，其特征在于，包括：如权利要求1-9任一项所述的探头。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及等离子体测量领域，更具体的说，涉及一种多栅离子能量分析仪器及其探头。
背景技术
离子能量分析仪器(Ion Energy Analyzer，IEA)又称为阻滞势分析器(RetardingPotential Analyzer，RPA)，作为一种就位探测等离子体能量的重要工具，被广泛应用于电离层探测卫星中。然而受电场畸变、等离子体鞘层、离子温度和安装方式等因素的影响，现有的离子能量分析仪器的测量精度并不高，故如何提高离子能量分析仪器的测量精度是等离子体测量领域一个亟待解决的问题。
实用新型内容
为了解决上述问题，本实用新型实施例提供了一种多栅离子能量分析仪器及其探头，通过设置所述探头中栅网的孔径和网孔密度，有效提高了多栅离子能量分析仪器的测量精度。
为了实现上述目的，本实用新型提供如下方案：
一种多栅离子能量分析仪器的探头，所述探头包括：
套筒，所述套筒两端分别覆盖有挡板和底板；所述挡板具有探头开口用于通过待检测离子；
位于套筒内的收集极；
位于所述套筒内的多层栅网，所述栅网位于所述收集极与所述挡板之间，所述栅网用于形成选择电场，使得高于电场能量的离子入射所述收集极；
其中，所述栅网的网孔孔径小于两倍的德拜半径，且所述栅网中网孔孔径为所述栅网的网丝直径的10-15倍。
优选的，在上述探头中，所述挡板与相邻所述栅网之间、相邻所述栅网之间、所述收集极与相邻所述栅网之间、以及所述底板与所述收集极之间均设置有绝缘垫片。
优选的，在上述探头中，所述绝缘垫片为外径与所述套筒内径相同的圆环。
优选的，在上述探头中，所述圆环的上表面设置有与所述圆环同轴线的圆形凹槽；
所述挡板置于其下方相邻所述绝缘垫片的凹槽内；
所述栅网置于其下方相邻所述绝缘垫片的凹槽内；
所述收集极置于其下方相邻所述绝缘垫片的凹槽内。
优选的，在上述探头中，所述底板、所述收集极以及所述圆环具有相对设置的定位螺孔。
优选的，在上述探头中，所述绝缘垫片为聚四氯乙烯垫片。
优选的，在上述探头中，所述套筒、所述挡板、所述底板、所述收集极以及所述栅网的磁导率不大于1.1。
优选的，在上述探头中，所述探头开口的半径不小于1.06mm，且不超过10mm。
优选的，在上述探头中，所述套筒的半径不小于34.2mm，且不超过100mm。
优选的，在上述探头中，所述栅网的导电率不小于106<\/sup>S\/m；
所述栅网的硬度不小于37HRC；
所述栅网的膨胀系数不大于18.2m\/m℃(at20-100℃)；
所述栅网的透过率不小于80％；
所述栅网的网孔为正六边形通孔；
相邻所述栅网之间的间距为4mm-7mm。
本实用新型还提供了一种多栅离子能量分析仪器，包括：上述任一项所述的探头。
通过上述描述可知，本实用新型技术方案提供的多栅离子能量分析仪器及其探头中，设置所述探头的栅网的网孔孔径小于两倍的德拜半径，且所述栅网中网孔孔径为所述栅网的网丝直径的10-15倍。所述栅网由导体网丝编制而成，网孔中心电势势必比网丝电位低，会产生横向电场，网孔越大，这种效应越明显，由于等离子的德拜屏蔽作用，为了保证栅网竖向电场的有效性，设置所述探头的栅网的网孔孔径小于两倍的德拜半径，同时设置所述栅网中网孔孔径为所述栅网的网丝直径的10-15倍，使得栅网网孔小而密，在保证透过率的同时，能够有效降低横向电场影响。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为离子能量分析仪器内部结构示意图；
图2为离子能量分析仪器的测量曲线图；
图3为本实用新型实施例提供的一种多栅离子能量分析仪器的探头的结构示意图；
图4为图3所示探头中套筒的结构示意图；
图5为图3所示探头垂直于套筒轴线的切面图；
图6为图3所示探头中挡板的结构示意图；
图7为图3所示探头中栅网的结构示意图；
图8为图3所示探头中绝缘垫片的结构示意图；
图9为图3所示探头中收集极的结构示意图；
图10为图3所示探头中底板的结构示意图；
图11为探头轮廓示意图；
图12为本实用新型实施例提供一种栅网对齐方式示意图；
图13为正方形网孔的栅网和正六边形网孔的栅网的离子透过率的对比图；
图14为对齐和未对齐两种情况下的离子透过率曲线对比图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
如背景技术所述，现有的离子能量分析仪器的测量精度并不高，离子能量分析仪器有待于进一步改良。
离子能量分析仪器可分为探头和测量电路两部分，探头用于获取微弱电流，测量电路用来对微弱电流进行检测，本实用新型实施例所述方案主要通过优化探头的设计，以提高离子能量分析仪器的测量精度。
目前常规探头的内部结构如附图1所示，图1为离子能量分析仪器内部结构示意图，所示探头内含有四层栅网G1-G4和收集极C。外部离子通过栅网G1进入仪器，栅网G1接仪器地，以屏蔽内部所加电压对外部离子的影响。离子进入仪器后，遇到两层阻滞栅网G2和G3。阻滞栅网加正的扫描电压，形成电场，通过所述电场对不同能量的离子进行筛选，只有高于电场能量的离子能够通过两层阻滞栅网G2和G3到达栅网G4。栅网G4相对于仪器地加负偏压，用来阻止前端飞入的电子到达收集极C，也可抑制收集极C受高能离子激发的二次电子的逸出。穿过栅网G4的离子最终到达收集极C形成电流。电流对扫描电压曲线的一阶微分即为离子能量分布，测量结果如图2所示，图2为离子能量分析仪器的测量曲线图，横轴为电压V，纵轴为电流I。
现有离子能量分析仪器中，一般主要针对等离子体材料中高能量密度离子能量的测量，在这种情况下，待测信号强，比较容易测量。但是当离子能量较低，比如低到本实用新型关注的eV数量级时，测量电流在pA量级，由于测量精度较低，这种测量方法获取不到测量信号。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
参考图3-图9，图3为本实用新型实施例提供的一种多栅离子能量分析仪器的探头的结构示意图，图4为图3所示探头中套筒的结构示意图，图5为图3所示探头垂直于套筒轴线的切面图，图6为图3所示探头中挡板的结构示意图，图7为图3所示探头中栅网的结构示意图，图8为图3所示探头中绝缘垫片的结构示意图，图9为图3所示探头中收集极的结构示意图，图10为图3所示探头中底板的结构示意图。栅网22和收集极23通过各自表面连接的电极片施加电压，本实用新型附图中未示出所述电极片。
该探头包括：套筒24，所述套筒24两端分别覆盖有挡板21和底板26；位于套筒24内的收集极23；位于所述套筒24内的多层栅网22，所述栅网22位于所述收集极23与所述挡板21之间，所述栅网22用于形成选择电场，使得高于电场能量的离子入射所述收集极23；其中，所述挡板21具有探头开口20用于通过待检测离子；所述栅网22的网孔孔径小于两倍的德拜半径，且所述栅网22中网孔孔径为所述栅网的网丝直径的10-15倍。为了便于图示，图3中示出的是套筒24侧壁具有局部剖面的示意图，实际套筒24侧壁是一个完整圆筒结构。
由于所述探头的栅网22的网孔孔径小于两倍的德拜半径，且所述栅网22中网孔孔径为所述栅网的网丝直径的10-15倍，使得栅网22的网孔小而密集，可以保证栅网22竖向电场的有效性，在保证透过率的同时，能够有效降低横向电场影响。
所述套筒24的结构如图4所示，所示套筒24为圆筒结构。圆筒内各部件均具有预设定位螺孔31，以通过预设定位螺孔31相互固定。
栅网22数量可以基于需求设定为多层，顶部栅网接地，底部栅网相对于仪器地加负偏电压。顶部栅网和底部栅网之间的栅网用于形成选择电场。
本实用新型实施例中，设置四层栅网22，该四层栅网22依次为顶部栅网221、底部栅网224，以及位于顶部栅网221和底部栅网224之间的两阻滞栅网222和223。顶层栅网221接地，以屏蔽中间两阻滞栅网222和223所加电压对外部离子的影响，中间两阻滞栅网222和223施加扫描电压，两阻滞栅网222和223之间形成电场，通过该两阻滞栅网222和223之间电场对不同能量离子进行筛选，只有高于电场能量的离子能够通过该两阻滞栅网222和223达到底部栅网224。底部栅网224相对于仪器地加负偏电压，以阻止前端飞入电子达到收集极23，同时抑制收集极23受高能离子激发的二次电子逸出。穿过底部栅网224的离子最终被收集极23探测形成电流。
栅网22、挡板21、收集极23和底板26均为导体，为了避免接触短路，套筒24内，其中轴线方向上相邻的两部件之间需要绝缘，故设置所述挡板21与相邻所述栅网22之间、相邻所述栅网22之间、所述收集极23与相邻所述栅网22之间、以及所述底板26与所述收集极23之间均设置有绝缘垫片25。
各绝缘垫片25、各栅网22、挡板21、收集极23和底板26均具有正对设置的定位螺孔31，通过定位螺孔31内的螺丝实现各部件之间的对位固定。各部件上定位螺孔31的个数相同，且一一正对设置。同一部件上定位螺孔31的个数可以基于需求设置为任意多个，不局限于本实用新型实施例附图中的6个。
如图5所示，在所述套筒24内，由上至下依次具有挡板21、第一绝缘垫片251、顶部栅网221、第二绝缘垫片252、阻滞栅网222、第三绝缘垫片253、阻滞栅网223、第四绝缘垫片254、底部栅网224、第五绝缘垫片255、收集极23、第六绝缘垫片256以及底板26。
本实用新型实施例中，实现套筒24内相邻两导电部件绝缘的方式不局限于通过绝缘垫片25一种方式，其他方式中，还可以通过绝缘间隙、或设置在两部件周缘之间的绝缘支柱等方式。
如图7所示，栅网22固定在一个环状支撑部件41上，栅网22的定位螺孔31穿过该环状支撑部件41。环状支撑部件41用于保持栅网22更好的平整展开。
如图8所示，所述绝缘垫片25为外径与所述套筒24内径相同的圆环。该圆环的上表面设置有与所述圆环同轴线的圆形凹槽251，以便于绝缘垫片25上方部件在绝缘垫片25中安装固定。如图5所示，所述挡板21置于其下方相邻所述绝缘垫片25的凹槽251内；所述栅网22置于其下方相邻所述绝缘垫片25的凹槽251内；所述收集极23置于其下方相邻所述绝缘垫片25的凹槽内251。所述底板26、所述收集极23以及所述圆环31具有相对设置的定位螺孔。
如图5和图10所示，所述底板26设置有信号线孔260，用于引出各部件连接的信号线。
本实用新型实施例提供的探头用于离子能量分析仪器，该探头具有多个栅网22，可以用于构建多栅离子能量分析仪器，通过改进探头结构，以提高探头的测量精度，进而可以提高构建的多栅离子能量分析仪器的测量精度，无需改进测量电路。
针对现有探头测量精度不高的问题，本实用新型实施例提供的探头从下述十个方面对探头结构进行改进，基于该十个设计原则，设计探头中各部件的结构、选择加工方式和材料，可以方便、高效的进行高精度探头的设计与制作，该十个设计原则均可以在一定程度上提高探头测量精度，可以通过该十个设计原则中的一个或是多个改进探头，以提高其测量精度，进而提高整个多栅离子能量分析仪器的测量精度。
第一，设置探头中各导电部件均具有较低的磁性。带电粒子在磁场作用下，运动方向会发生改变，从而使离子透过率发生变化。故各导电部件应具有较低的磁性，以降低或是避免进入探头内部的离子受磁场的影响。基于此，设置所述套筒24、所述挡板21、所述底板26、所述收集极23以及所述栅网22的磁导率不大于1.1。所述探头采用不锈钢套筒24、不锈钢挡板21、不锈钢底板26、不锈钢收集极23以及不锈钢栅网22。各导电部件采用不锈钢材料制备，优选采用06Cr19Ni10奥氏体不锈钢(304不锈钢)，是一种无磁材料，相对磁导率的典型值在1.05-1.1。
第二，根据微弱电流测量精度设计挡板21上探头开口20的大小。如果探头开口20的半径过大，探头内部的电压会对外部离子产生扰动，如果探头开口20的半径过小，收集极23感应电流会减小，增大微弱电流测量的难度。所述探头可以用于电离层探测卫星轨道区域内的等离子体或与之相当的等离子体参数的测量，此时德拜长度在2.37-1140.41mm之间，离子密度在1×104<\/sup>-2×106<\/sup>atom\/cm3<\/sup>之间，考虑到极端温度5000K时，最大离子热速度为9.1km\/s，微弱电流测量精度为20pA，电离层的探测卫星速度为700m\/s，基于此，设置所述探头开口20的半径r不小于1.06mm，且不超过10mm，优选设置r为5mm。所述探头开口20的半径r在该取值范围内，即可以有效避免探头内部的电压会对外部离子产生扰动，又可以使得收集极23能够较好的感应微弱电流。
第三，根据外部离子运动情况设计套筒24内部半径R。设定套筒24的内径为R，高度为H，位于套筒24顶部挡板21的探头开口20的半径为r。由于不能保证离子垂直进入探头内，故以速度V斜入射进入探头内离子有一定的横向速度Vy<\/sub>以及一定的竖向速度Vz<\/sub>，如图11所示，图11为探头轮廓示意图，所述横向速度Vy<\/sub>包括离子的热速度Vthy<\/sub>以及离子漂移速度横向分量Vdy<\/sub>。所述竖向速度Vz<\/sub>等于Vz0<\/sub>与离子漂移速度竖向分量Vdz<\/sub>。Vz0<\/sub>为探头所处测试平台的速度，如一般离子能量测试仪器置于电离层探测卫星上进行离子能量检测，此时，Vz0<\/sub>为电离层探测卫星速度。如果R过小，离子进入探头内未到达收集极23之前可能已经打在了套筒24侧壁上，由于探头一般是暴露在等离子空间内，如果R过大，又会对外部等离子体产生影响。所述探头可以用于电离层探测卫星轨道区域内的等离子体或与之相当的等离子体参数的测量，此时德拜长度在2.37-1140.41mm之间，离子密度在1×104<\/sup>-2×106<\/sup>atom\/cm3<\/sup>之间，考虑到极端温度5000K时，最大离子热速度为9.1km\/s，微弱电流测量精度为20pA，电离层的探测卫星速度为700m\/s，基于此，本实用新型实施例设置所述套筒24的半径R不小于34.2mm，且不超过100mm，优选可以为40mm。所述套筒24的半径R在该取值范围内，即可以尽可能保证较多斜入射离子达到收集极23，由于避免套筒24半径R过大对外部等离子体产生较大影响。其中，横向为垂直于套筒24轴线的方向，竖向为平行于套筒24轴线的方向。
第四，采用高导电率的栅网22。通过挤压在栅网22外围的金属电极片为栅网22施加设定电压，导电率高的栅网22可以保证栅网22平面处于等电位，进而可以提高测量精度。基于此，所述栅网22的导电率不小于106<\/sup>S\/m，栅网导电率越大越好。
第五，采用机械性能强的栅网22。栅网22通过绝缘垫片25的挤压和定位螺孔31内的螺丝固定在探头内部，具有较强机械性能的栅网22在受到挤压时可以保持平整。同时栅网22要具有较小的膨胀系数，以避免因环境温度改变导致形变扭曲。基于此，设置所述栅网22的硬度不小于37HRC，硬度越大越好，设置所述栅网22的膨胀系数不大于18.2mm\/℃(at20-100℃)，膨胀系数越小越好。
第六，采用高透过率的栅网22。收集极23电流通常在pA量级，已经很难检测到。由于栅网22的网丝的存在，离子在通过每层栅网22时，通量都会衰减，这就使得收集极23的电流更小，增加了检测电路检测微弱电流的难度。提高栅网22的透过率可以增大收集极23感应的电流，保证微弱电流在可测量范围内。基于此，设置栅网22的透过率不小于80％。透过率为栅网22的网孔占总面积的百分比。
第七，采用具有较小网孔和网孔密集的栅网22，且网孔的孔径小于两倍的德拜半径。网孔中心的电位势必比网丝电位低，会产生横向电场。网孔越大，该效应越明显。由于等离子的德拜屏蔽作用，为了保证栅网22电场的有效性，栅网22孔径应该小于两倍的德拜半径。
第八，栅网22的网孔采用正六边形。相比于正方形网孔或是其他形状网孔，在透过率一定的情况下，正六边形网孔面积更小，网丝更少，离子撞到网丝上的几率更小。基于此，设置所述栅网22的网孔为正六边形通孔。
第九，合理设置栅网22之间的间距。如果栅网22间距过大会导致探头体积过大，对外部等离子体产生影响，如果栅网22间距过小，会产生较大的电场畸变，影响测量结果。基于此，对于测量能量在eV量级的离子，设置相邻所述栅网之间的间距为4mm-7mm。
第十，设置栅网22严格对齐。如图12所示，图12为本实用新型实施例提供一种栅网对齐方式示意图，图12左图为两栅网22a和22b处于对齐状态时的局部放大图，图12右图为为两栅网22a和22b处于未对其状态的局部放大图，如果两栅网处于22未对齐状态，将会导致离子在通过前一层栅网22b后将有较大的几率状态下一层栅网22a，进而导致收集极23感应电流减小。而且未对齐的栅网22的离子透过率曲线严重偏离了阶梯函数形式，会带来很大的测量误差。基于此，设置所有栅网22均相同，且严格对齐。
由于待测的离子能量较低，在eV量级，现有地面产生如此低能量的稳定离子源比较困难，因此无法通过实验定量的对仪器性能进行测试，故可以通过仿真软件COMSOL对探头性能进行模拟测试。
如上述第六点设计原则要求采用高透过率的栅网22。下表1示出了常见的100目、200目和400目的栅网孔径对照表，经过计算，这些栅网的透过率比较低，只有35％左右，表明常规栅网的透过率不适合作为探头的栅网，需要基于本实用新型设计原则，制作符合本实用新型需求的高透过率的栅网。
表1
理论上，探头的离子透过率曲线越接近理想阶梯函数，其测量误差越小。上述第八点设计原则要求采用正六边形的网孔，如图13所示，图13为正方形网孔的栅网和正六边形网孔的栅网的离子透过率的对比图，如图13所示可知，正六边形网孔的栅网的透过率曲线更接近一个阶梯函数。
上述第十点设计原则要求栅网严格对齐，如图14所示，图14为对齐和未对齐两种情况下的离子透过率曲线对比图，如图14所示，未对齐状态时透过率曲线已经严重偏离了阶梯函数，会导致很大的测量误差。
下表2列出了在模拟电离层探测卫星轨道环境下，不同离子温度时的离子能量分布的测量结果，可以看出，离子均值速度的最大相对误差为2.77％，离子能量分布最大均方根误差为0.73eV。表明，虽然电场畸变、等离子体鞘层和离子温度会对测量结果产生影响，但该影响较小，尤其是在离子温度比较低时。
表2
申请码:申请号:CN201921125490.2 申请日:2019-07-17 公开号:公开日:国家:CN 国家/省市:34(安徽) 授权编号:CN209896025U 授权时间:20200103 主分类号:H01J49/02 专利分类号:H01J49/02 范畴分类:38D; 申请人:中国科学技术大学 第一申请人:中国科学技术大学 申请人地址:230026 安徽省合肥市包河区金寨路96号 发明人:程健;翟红雨;王梦永 第一发明人:程健 当前权利人:中国科学技术大学 代理人:张静 代理机构:11227 代理机构编号:北京集佳知识产权代理有限公司 11227 优先权:关键词:当前状态:审核中 类型名称:外观设计
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