一種基于磁偏轉(zhuǎn)技術的低污染空間中能電子探測器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于磁偏轉(zhuǎn)技術的低污染空間中能電子探測器，包括：探頭、電子學箱；探頭用于采集空間中的中能電子，得到電壓脈沖信號；電子學箱對電壓脈沖信號進行幅度分析，確定中能電子的能道；探頭包括粒子準直儀、永磁偏轉(zhuǎn)結構、一維的位置靈敏傳感器、電荷靈敏前置放大器以及屏蔽機殼；外部入射的粒子群從粒子準直儀入射后被該粒子準直儀限定成一窄束，經(jīng)過由永磁偏轉(zhuǎn)結構所形成的磁場，粒子群中的中能電子發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后的中能電子入射到傾斜安裝的一維的位置靈敏傳感器上，中能電子在一維的位置靈敏傳感器上產(chǎn)生能量沉積，形成電子-空穴對，在所加電場的作用下向兩極漂移，由電荷靈敏前置放大器收集轉(zhuǎn)化為電壓脈沖信號。
【專利說明】一種基于磁偏轉(zhuǎn)技術的低污染空間中能電子探測器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及空間粒子測量領域，特別涉及一種基于磁偏轉(zhuǎn)技術的低污染空間中能電子探測器。
【背景技術】
[0002]隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，空間粒子輻射環(huán)境的測量也越來越重要?？臻g中的帶電粒子理論上可分為高能、中能、低能三類。中能電子是指能量在幾十keV-幾百MeV的電子，介于高能和低能之間。
[0003]中能電子對于空間環(huán)境的擾動極為敏感，并且和很多空間物理現(xiàn)象關聯(lián)，同時中能電子也是衛(wèi)星表面高充電電位的主要誘因，因此對中能電子進行測量是空間物理科學研究和衛(wèi)星工程保障的重要需求。
[0004]目前，國外已經(jīng)在一些衛(wèi)星上進行過中能電子的測量，但我國目前還沒有在空間中進行過中能電子測量，我國急需在這一【技術領域】實現(xiàn)突破。
[0005]目前中能電子測量的技術難點是如何排除其它粒子的污染。以國外的測量方法為例，一般直接使用硅半導體傳感器對中能電子進行測量，由于空間屬于質(zhì)子和電子的混合粒子輻射環(huán)境，在測量中能電子的同時，質(zhì)子會不可避免的進入探頭中對測量結果造成污染，盡管可以使用增加擋光層或者在硅傳感器表面鍍鋁的方式對質(zhì)子進行屏蔽，但由于屏蔽層同樣會阻擋電子，因此其厚度不能加得太大，導致了仍然有相當多的質(zhì)子穿透屏蔽對中能電子測量造成污染，尤其是MEO軌道，嚴重時質(zhì)子污染可達到100%。為了排除質(zhì)子污染，國外經(jīng)常會額外增加一臺質(zhì)子探測器，利用質(zhì)子探測器的數(shù)據(jù)，將電子數(shù)據(jù)中質(zhì)子的污染通過“減法”排除，但該方法會增加額外的儀器，增加對衛(wèi)星的資源需求。此外高能電子的能損漲落也是另一個干擾因素，高能電子可直接進入探測器中，受電子能損漲落的影響，其在探測器中的能量沉積將會是從低到高的分布，有可能產(chǎn)生與中能電子相同的能量沉積，由于探測器都是以粒子在探測器中的能量沉積作為能量測量的依據(jù)，因此高能電子不可避免的會對中能電子的測量造成污染。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中對中能電子的測量容易造成誤差的缺陷，從而提供一種有效提高中能電子測量的準確度的探測器。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于磁偏轉(zhuǎn)技術的低污染空間中能電子探測器，包括:探頭、電子學箱；所述探頭用于采集空間中的中能電子，得到關于所述中能電子的電壓脈沖信號；所述電子學箱對所述電壓脈沖信號進行幅度分析，確定所述中能電子的能道；所述探頭包括粒子準直儀1、永磁偏轉(zhuǎn)結構2、一維的位置靈敏傳感器3、電荷靈敏前置放大器4以及屏蔽機殼5 ;其中，
[0008]外部入射的粒子群從所述粒子準直儀I入射后被該粒子準直儀I限定成一窄束，然后經(jīng)過由所述永磁偏轉(zhuǎn)結構2所形成的磁場，所述粒子群中的中能電子發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后的中能電子入射到傾斜安裝的所述一維的位置靈敏傳感器3上，所述中能電子在所述一維的位置靈敏傳感器3上產(chǎn)生能量沉積，形成電子-空穴對，在所述一維的位置靈敏傳感器3所加電場的作用下向兩極漂移，由與所述一維的位置靈敏傳感器3連接的電荷靈敏前置放大器4收集轉(zhuǎn)化為電壓脈沖信號；所述粒子準直儀1、永磁偏轉(zhuǎn)結構2、一維的位置靈敏傳感器3、電荷靈敏前置放大器4都位于所述屏蔽機殼5內(nèi)。
[0009]上述技術方案中，所述電子學箱包括多路探測支路、一個A/D采集電路、一個FPGA處理芯片、輸出接口電路；其中，用于采集電壓脈沖信號的探測支路與探頭中的電荷靈敏前置放大器4連接，每一路探測支路至少包括成形電路、主放大器、峰值保持器；所述成形電路對所采集的電壓脈沖信號做成形輸出，然后由主放大器對信號進行放大，放大后的信號通過峰值保持器后進行脈沖峰值保持；所述A/D采集電路對各個探測支路所采集的信號做模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號由所述FPGA處理芯片進行數(shù)據(jù)處理，所述數(shù)據(jù)處理包括對信號的幅度分析確定電子的能道，以及對分析后的數(shù)據(jù)進行打包，形成數(shù)據(jù)包；所述輸出接口電路用于與衛(wèi)星的通信，將探測數(shù)據(jù)結果以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給衛(wèi)星。
[0010]上述技術方案中，所述電子學箱還包括用于判斷各探測支路的工作狀態(tài)的噪聲特性檢測電路；該電路包括:在所述多路探測支路中的主放大器的輸出端連接一個多路開關，該多路開關的輸出端連接一個對傳感器信號進行檢測的傳感器特性檢測單元，所述傳感器特性檢測單元的輸出端連接所述A/D采集電路的輸入端。
[0011]上述技術方案中，所述粒子準直儀I為內(nèi)部成鋸齒臺階狀的反散射結構，采用鋁材料制成。
[0012]上述技術方案中，所述永磁偏轉(zhuǎn)結構2包括多塊小磁鋼形成的圓環(huán)結構以及套在所述圓環(huán)外側(cè)的純鐵環(huán)。
[0013]上述技術方案中，所述一維的位置靈敏傳感器3包括多個靈敏區(qū)，每一靈敏區(qū)與一電荷靈敏前置放大器連接。
[0014]上述技術方案中，所述一維的位置靈敏傳感器3傾斜放置在中能電子的偏轉(zhuǎn)路徑上。
[0015]上述技術方案中，所述屏蔽機殼5采用鋁材料加鎢材料實現(xiàn)。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0017](I)本發(fā)明的探測器能夠去除90%以上的質(zhì)子和高能電子污染，有效提高中能電子測量的準確度。
[0018](2)在本發(fā)明中，由于入射的粒子束被磁鐵偏轉(zhuǎn)后，偏轉(zhuǎn)路徑各不相同，導致粒子束的輻射面積變大，會發(fā)生類似“散焦”的效果，使用大面積的傳感器進行測量可降低傳感器單位面積上的粒子輻照數(shù)量，提高傳感器的使用壽命，尤其適合高輻照條件的MEO軌道應用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的中能電子探測器中的探頭結構的示意圖；
[0020]圖2是本發(fā)明的中能電子探測器中的準直儀結構的示意圖；
[0021]圖3是本發(fā)明的中能電子探測器中的永久磁鐵結構的示意圖；
[0022]圖4是本發(fā)明的中能電子探測器中的一維位置靈敏傳感器結構的示意圖；[0023]圖5是一個實施例中本發(fā)明的中能電子探測器的電路原理圖；
[0024]圖6是另一個實施例中本發(fā)明的中能電子探測器的電路原理圖；
[0025]圖7是本發(fā)明的中能電子探測器中的FPGA處理芯片的數(shù)據(jù)處理流程圖。
[0026]附圖標示
[0027]I 粒子準直儀 2 永磁偏轉(zhuǎn)結構 3 —維的位置靈敏傳感器
[0028]4 電荷靈敏前置放大器 5屏蔽機殼
【具體實施方式】
[0029]現(xiàn)結合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。
[0030]本發(fā)明的基于磁偏轉(zhuǎn)技術的中能電子探測器包括探頭、電子學箱兩個部分，下面對這兩個部分的結構分別予以說明。
[0031]圖1是一個實施例中的中能電子探測器探頭的結構示意圖。該探頭包括:粒子準直儀1、永磁偏轉(zhuǎn)結構2、一維的位置靈敏傳感器3、電荷靈敏前置放大器4以及屏蔽機殼5 ；其中，外部入射的粒子群從粒子準直儀I入射后被該粒子準直儀I限定成直徑為4mm的窄束，然后經(jīng)過由永磁偏轉(zhuǎn)結構2所形成的磁場，所述粒子群中的中能電子由于其偏轉(zhuǎn)半徑較質(zhì)子或高能電子更小而發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后的中能電子入射到傾斜安裝的所述一維的位置靈敏傳感器3上，所述中能電子在所述一維的位置靈敏傳感器3上產(chǎn)生能量沉積，形成電子-空穴對，在一維的位置靈敏傳感器3所加電場的作用下向兩極漂移，由與一維的位置靈敏傳感器3連接的電荷靈敏前置放大器4收集轉(zhuǎn)化為電壓脈沖信號；所述粒子準直儀
1、永磁偏轉(zhuǎn)結構2、一維的位置靈敏傳感器3、電荷靈敏前置放大器4都位于所述屏蔽機殼5內(nèi)。
[0032]下面對探頭中的各個部件做進一步說明。
[0033]參考圖2，所述粒子準直儀I為內(nèi)部成鋸齒臺階狀的反散射結構，能夠有效防止電子在準直儀內(nèi)部的彈性散射，降低由于彈性散射導致的粒子污染。所述粒子準直儀I采用鋁材料制成。
[0034]參考圖3，在本實施例中，所述永磁偏轉(zhuǎn)結構2為由16塊小磁鋼組成的圓環(huán)結構，這些磁鋼所形成的圓環(huán)的外側(cè)使用2mm的純鐵進行屏蔽，減小磁鋼側(cè)面的漏磁。在其他實施例中，所述永磁偏轉(zhuǎn)結構2所包含的磁鋼的數(shù)目可發(fā)生變化。在本實施例中，所述永磁偏轉(zhuǎn)結構2所提供的磁場強度為420Gs，在其他實施例中，也可以是其他值。
[0035]參考圖4，在本實施例中，所述一維的位置靈敏傳感器3的面積為15X32mm2，該傳感器包括8個靈敏區(qū)，每個靈敏區(qū)的面積為15X4mm2;每個靈敏區(qū)分別與各自的電荷靈敏前置放大器連接。所述一維的位置靈敏傳感器3使用多個靈敏區(qū)能夠提高探測器在大計數(shù)率條件下的適應性。在其他實施例中，傳感器3中的靈敏區(qū)的數(shù)目可根據(jù)實際需要變化。
[0036]所述電荷靈敏前置放大器4包括多個，一個電荷靈敏前置放大器與一個靈敏區(qū)連接。本實施例中，所述電荷靈敏前置放大器4可使用AMPTEK公司的A225高增益放大器實現(xiàn)。
[0037]所述屏蔽機殼5采用鋁材料加鎢材料實現(xiàn)，它能夠屏蔽3MeV以下的電子和32MeV以下的質(zhì)子。
[0038]參考圖5，所述電子學箱包括多路探測支路、一個A/D采集電路、一個FPGA處理芯片、輸出接口電路；其中，用于采集電壓脈沖信號的探測支路與探頭中的電荷靈敏前置放大器連接，每一路探測支路至少包括成形電路、主放大器、峰值保持器。所述成形電路對所采集的電壓脈沖信號做成形輸出，然后由主放大器對信號進行放大，放大后的信號通過峰值保持器后進行脈沖峰值保持；所述A/D采集電路對各個探測支路所采集的信號做模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號由FPGA處理芯片進行數(shù)據(jù)處理，所述數(shù)據(jù)處理包括對信號的幅度分析確定電子的能道，以及對分析后的數(shù)據(jù)進行打包，形成數(shù)據(jù)包；所述輸出接口電路用于與衛(wèi)星的通信，將探測數(shù)據(jù)結果以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給衛(wèi)星。
[0039]作為一種優(yōu)選實現(xiàn)方式，參考圖6，在另一個實施例中，本發(fā)明的裝置還包括噪聲特性檢測電路，該電路與主放大器的輸出端連接，該電路用于判斷各探測支路的工作狀態(tài)，從而及時判斷探測裝置中的故障，避免影響到探測結果的可靠性。所述的儀器特性檢測單元電路為:8個主放大器電路的輸出端連接一個多路開關，該多路開關的輸出端連接一個傳感器特性檢測單元，該檢測單元對傳感器信號進行檢測。檢測單元的輸出端連接A/D采集電路輸入端，所述的A/D采集電路輸出端與FPGA輸入端相連，用于及時了解到各探測支路的工作狀況。
[0040]圖7是中能電子探測器FPGA處理芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理程序，該系統(tǒng)工作流程如下:
[0041]步驟S6-1，任何時候有復位信號到來則重新初始化程序流程；
[0042]步驟S6-2，格式化內(nèi)存RAM ;控制ADC采集電路進行數(shù)據(jù)采集和ADC通道的切換，讀出采集后的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進行幅度分析；將分析完的數(shù)據(jù)進行打包，打包完成后寫入工程參數(shù)，包括時間碼和包計數(shù)；
[0043]步驟S6-3，有校時命令時，進行時間碼校對；
[0044]步驟S6-4，判斷是否有過數(shù)據(jù)請求命令，有則發(fā)送已經(jīng)完成的數(shù)據(jù)包；當沒有數(shù)據(jù)包完成時，等待完成當前數(shù)據(jù)包后發(fā)送。發(fā)送完成后格式化內(nèi)存RAM并開始新的打包過程。
[0045]最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1.一種基于磁偏轉(zhuǎn)技術的低污染空間中能電子探測器，其特征在于，包括:探頭、電子學箱；所述探頭用于采集空間中的中能電子，得到關于所述中能電子的電壓脈沖信號；所述電子學箱對所述電壓脈沖信號進行幅度分析，確定所述中能電子的能道；所述探頭包括粒子準直儀(I)、永磁偏轉(zhuǎn)結構(2)、一維的位置靈敏傳感器(3)、電荷靈敏前置放大器(4)以及屏蔽機殼(5);其中， 外部入射的粒子群從所述粒子準直儀(I)入射后被該粒子準直儀(I)限定成一窄束，然后經(jīng)過由所述永磁偏轉(zhuǎn)結構(2)所形成的磁場，所述粒子群中的中能電子發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后的中能電子入射到傾斜安裝的所述一維的位置靈敏傳感器(3)上，所述中能電子在所述一維的位置靈敏傳感器3 (上)產(chǎn)生能量沉積，形成電子-空穴對，在所述一維的位置靈敏傳感器(3)所加電場的作用下向兩極漂移，由與所述一維的位置靈敏傳感器(3)連接的電荷靈敏前置放大器(4)收集轉(zhuǎn)化為電壓脈沖信號；所述粒子準直儀(I)、永磁偏轉(zhuǎn)結構(2)、一維的位置靈敏傳感器(3)、電荷靈敏前置放大器(4)都位于所述屏蔽機殼(5)內(nèi)。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于磁偏轉(zhuǎn)技術的低污染空間中能電子探測器，其特征在于，所述電子學箱包括多路探測支路、一個A/D采集電路、一個FPGA處理芯片、輸出接口電路；其中，用于采集電壓脈沖信號的探測支路與探頭中的電荷靈敏前置放大器(4 )連接，每一路探測支路至少包括成形電路、主放大器、峰值保持器；所述成形電路對所采集的電壓脈沖信號做成形輸出，然后由主放大器對信號進行放大，放大后的信號通過峰值保持器后進行脈沖峰值保持；所述A/D采集電路對各個探測支路所采集的信號做模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號由所述FPGA處理芯片進行數(shù)據(jù)處理，所述數(shù)據(jù)處理包括對信號的幅度分析確定電子的能道，以及對分析后的數(shù)據(jù)進行打包，形成數(shù)據(jù)包；所述輸出接口電路用于與衛(wèi)星的通信，將探測數(shù)據(jù)結果以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給衛(wèi)星。
3.根據(jù)權利要求2所述的基于磁偏轉(zhuǎn)技術的低污染空間中能電子探測器，其特征在于，所述電子學箱還包括用于判斷各探測支路的工作狀態(tài)的噪聲特性檢測電路；該電路包括:在所述多路探測支路中的主放大器的輸出端連接一個多路開關，該多路開關的輸出端連接一個對傳感器信號進行檢測的傳感器特性檢測單元，所述傳感器特性檢測單元的輸出端連接所述A/D采集電路的輸入端。
4.根據(jù)權利要求1或2或3所述的基于磁偏轉(zhuǎn)技術的低污染空間中能電子探測器，其特征在于，所述粒子準直儀(I)為內(nèi)部成鋸齒臺階狀的反散射結構，采用鋁材料制成。
5.根據(jù)權利要求1或2或3所述的基于磁偏轉(zhuǎn)技術的低污染空間中能電子探測器，其特征在于，所述永磁偏轉(zhuǎn)結構(2)包括多塊小磁鋼形成的圓環(huán)結構以及套在所述圓環(huán)外側(cè)的純鐵環(huán)。
6.根據(jù)權利要求1或2或3所述的基于磁偏轉(zhuǎn)技術的低污染空間中能電子探測器，其特征在于，所述一維的位置靈敏傳感器(3)包括多個靈敏區(qū)，每一靈敏區(qū)與一電荷靈敏前置放大器連接。
7.根據(jù)權利要求1或2或3所述的基于磁偏轉(zhuǎn)技術的低污染空間中能電子探測器，其特征在于，所述一維的位置靈敏傳感器(3)傾斜放置在中能電子的偏轉(zhuǎn)路徑上。
8.根據(jù)權利要求1或2或3所述的基于磁偏轉(zhuǎn)技術的低污染空間中能電子探測器，其特征在于，所述屏蔽機殼(5)采用鋁材料加鎢材料實現(xiàn)。
【文檔編號】G01T1/16GK103675883SQ201310656866
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月6日 優(yōu)先權日:2013年12月6日
【發(fā)明者】張珅毅, 張煥新, 朱光武, 余慶龍, 荊濤, 袁斌, 孫越強, 梁金寶, 沈囯紅, 董永進, 張斌全, 楊垂柏 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心