随着低轨及超低轨（150km-1200km）航天器和空间环境探测任务的发展，准确获取地球高层稀薄大气的密度、成分及温度等多要素参数具有重要的科学与工程意义。目前，高层大气参数主要通过卫星轨道与阻力信息间接反演，或利用空间探测载荷开展原位测量获得。间接反演依赖先验大气模型，难以充分反映局部环境的快速动态演化特性；原位探测则能够直接实时获取航天器附近的粒子信息。其中，静电能量分析器具有结构紧凑、能量选择能力较强和易于小型化等优势，已成功实现大气多要素参数的测量。
稀薄大气探测用的能量分析器主要由准直腔室、电离腔室和偏转接收腔室构成。准直区腔室处开有一平行于迎风面的狭缝，稀薄大气粒子由此进入能量分析器，并由准直区偏转电场过滤荷电粒子；电离腔室可将来流中性粒子电离，电离后的大气离子进入偏转腔室；偏转腔室利用扫描的不规则静电场筛分不同组分离子。离子离开偏转腔室后被微通道板放大并形成离子信号，通过对电离腔室收集到的电子信号和微通道板收集的离子信号进行分析，可以反演计算获得稀薄大气温度、密度和成分等大气参数。可以看出，电离腔室是连接稀薄大气环境与可测电信号的关键环节，其对大气粒子的电离效果直接影响后续探测响应。
在地面研制阶段，航天器在轨的低密度大气（10^-3-10^-5Pa）和高速来流环境（7 -9 km/s）难以完整复现，能量分析器的标定与性能验证因而需要可控的粒子输入条件。外部电离腔室首先通过热钨丝发射电子，采用水平布置的双栅引出结构将电子向下引出至电离区域，碰撞电离稀薄大气中的中性粒子，并利用垂直布置的推拉板组成的静电场调节离子输出能量，为能量分析器偏转区提供指定能量的低能离子束，后续可通过与偏转和接收腔室组合形成能量分析器地面演示验证平台。与常规电离规或离子源不同，该装置为实现大气密度标定既要实现有效电离，又需兼顾剩余电子收集、离子定向引出与输出能量控制。由于电子引出、电离和离子输运受到多电极电场共同作用，单纯增大电子电流或提高电子能量并不一定增加有效离子输出。因此，有必要研究外部电离腔室内荷电粒子的调控方式及引出特性，从而为能量分析器地面试验与标定提供合适的来流环境。
针对上述问题，本文以稀薄大气能量分析器的外部电离腔室为对象，搭建包含钨丝热电子发射结构、双栅电子引出电极、气体电离区、推拉式离子引出电极及电子与离子微弱电流检测单元的实验平台，如图 1所示。通过调节上、下栅极电压，研究双栅电场对电子引出电流的耦合调控规律，如图 2所示；在近似固定电子电流或电子能量的条件下，分别分析电子碰撞能量和束流强度对离子产生的影响，如图 3、图 4所示；通过改变左右推拉电极间的电势差，考察低能离子的引出与收集响应，如图 5所示。结合低电离率条件下的电子碰撞电离模型，分析电子束参数、电离截面及离子收集效率与测得离子电流之间的联系，为电极参数协同匹配提供依据。
实验结果表明，在电子电流基本保持不变的条件下，离子电流随电子能量增加先上升后下降，并在约100eV附近达到峰值水平，根本原因在于碰撞电离截面与电子能量之间的非单调关系。在电子能量基本不变时，离子电流与电子电流总体呈正相关，表明参与电离的电子数量对离子产生具有重要作用。此外，在所研究的低能离子引出区间内，离子收集电流随推拉电极电势差增大而上升，呈近似线性变化，说明引出电场能够调控有效离子收集。上述结果揭示了外部电离腔室内通过双栅极和推拉板调控荷电粒子的规律及其响应特性。
综上所述，本文从电子产生、碰撞电离到离子输运的完整过程出发，明确了各环节中荷电粒子的调控或引出特性，分析了各电极电压对输出离子电流的影响，为外部电离腔室工作参数优化、可控低能离子束产生及能量分析器地面标定提供了实验依据，并为低轨稀薄大气原位探测载荷的性能验证提供参考。
 

低轨稀薄大气,原位探测,能量分析器,电子碰撞电离,荷电粒子引出