小偏角粒子能量分析器的优化设计与仿真研究

发布时间：2020-06-03 19:52

【摘要】：能量分析器是空间粒子探测中被广泛使用的一种仪器。能量分析器探测粒子能量一般是利用静电场对离子的筛选来实现。通过仿真研究能量分析器的工作原理和讨论分析器工作过程的影响因素,进一步优化其结构,提高工作性能。本文结合理论分析和多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics5.3的使用,对一种小偏角粒子能量分析器进行了仿真计算以及结构优化。主要工作内容包括:(1)基于静电场中离子运动理论和低能离子运动碰撞理论,建立小偏角粒子能量分析器仿真的理论基础。(2)建立小偏角粒子能量分析器准直区和离化区三维仿真模型。在准直区仿真过程中,分析了准直区过滤电极板长度和宽度变化对电场分布的影响,分析了压强、电压、电极板长度和宽度、电极板距离入口位置以及空间电荷粒子种类对过滤电极过滤效果的影响。在离化区仿真过程中,计算了离化区内部电场分布特点以及电场对中性粒子电离后的离子运行轨迹的影响,计算了电子和中性粒子的碰撞过程。(3)建立小偏角粒子能量分析器偏离区二维和三维仿真模型。在二维模型仿真中,仿真计算了模型的电场分布和离子运动轨迹;计算二维模型的能谱图,根据能谱图计算了分析器能量分辨率和板因子。在三维模型仿真中,计算了三维模型下的电场分布和离子通过率。同时,对微通道板(MCP)的电压进行了优化,结果表明MCP电压为-100V时效果较好;优化偏离区的结构参数,并把三维仿真优化前后以及二维仿真的能谱图进行比较,结果表明优化后的三维仿真模型具有较高的离子通过率以及更好的能量分辨率。在优化后三维仿真模型尺寸下,对离子入射的角度以及温度和压强等参数进行了仿真分析,结果表明:分析器只在一个方向上具有角度分辨;模型中气体压力小于0.01Pa时可以忽略偏离区内残余中性气体的影响,温度的变化会影响到离子的通过率但对能量分辨率没有影响。本文的研究方法为该类型小偏角粒子能量分析器的设计制造提供了理论和仿真技术上的支撑,计算结果为小偏角粒子能量分析器的结构参数选定和优化提供了重要的参考依据。
【图文】：

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第一章绪论第一章绪论科学技术的发展，人类对空间环境进行天基探测在全世界范科领域。1957 年，，人类成功发射了第一颗人造地球卫星，的国家对空间环境进行了深入的探测研究，从近地空间到际空间到太阳系，探测领域在不断扩大。迄今为止，人类对空间环境进行探测。我国的天基空间环境探测起步于 197的成功发射，至今已有四十多年的历史。在航天器被广泛前提下，空间环境探测器成为主要的载荷工具之一。随着断提高和社会的进步发展，人类对空间环境探测器研究的大[1-4]。

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合肥工业大学硕士学位论文氧是近地空间大气环境中的主要成分，因此在进行能量探气环境中的原子氧的能量分布情况。本文的研究内容是针分析器的结构和电学参数进行仿真计算，分析其对不同能和能量分辨情况，并优化能量分析器的结构参数和电学参关对空间低能粒子能量进行探测的相关研究主要包括：对带对中性气体粒子能量进行探测；对带电粒子进行能量探测行探测以及对电子的能量进行探测。对带电粒子进行能量电分析器、法拉第杯、朗缪尔探针、以及固体探测器[11-13]。又分为圆柱形静电分析器、球形静电分析器以及平行板静为三种常见的静电分析器示意图。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V447.1

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