CN102183779B - 一种多方向高能粒子探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多方向高能粒子探测器，该探测器包含：方向传感器，其所包含的半导体探测器每片间隔11.25°，分成4排，交错排列在截面为半圆形的柱形基座的侧面柱体上；高能电子能谱传感器，包含三片不同的导体探测器；高能质子能谱传感器，包含三片不同的半导体探测器；主放大器；峰值保持器；ADC采集电路；FPGA处理芯片；其中，所述的前置放大器输出端通过成形电路分别与相应主放大器输入端相连，主放电路输出端分别与相对应峰值保持器输入端相连，各峰值保持器输出端分别与相对应ADC采集电路输入端相连，ADC采集电路经过模数转换后输出端与FPGA处理芯片输入端相连。该结构探测180°的扇形方向的高能粒子的通量，同时测量垂直扇面方向的高能粒子的能谱。

Description

一种多方向高能粒子探测器

技术领域

本发明涉及一种空间高能电子、高能质子测量装置，特别是测量高能电子、高能质子方向通量和能谱的探测装置，具体涉及一种多方向高能粒子探测器。

背景技术

空间带电粒子是空间环境最重要的因素，是空间环境研究的主要对象。空间带电粒子探测已有40余年的历史。人类对空间带电粒子认识已有一定的基础。但是随着科学研究的深入、航天技术的广泛渗透，人类对空间带电粒子及其效应的认识开始上一个新的台阶，更精细的探测需求得以提出。空间粒子探测技术向多功能、精细化方向发展。

空间中高能带电粒子是诱发航天器单粒子效应、辐射剂量效应和深层充放电效应的主要因素，是抗辐射加固的主要防护对象。空间带电粒子的多成分、宽能谱和强烈的各向异性，为防护设计评估增加了难度。国内航天工程普遍将空间粒子简化成各向同性、指数谱，与实际情况差距巨大。本发明详尽的多功能、多方向粒子探测对航天器的抗辐射加固设计、故障分析具有重要的意义。

空间带电粒子的空间分布、相对磁力线的投掷角分布、能谱分布以及它们的时间变化，是空间环境的统计规律研究、机制机理研究和空间建模的基本内容。

我国空间环境探测技术，一直没有得到应有的重视。探测技术能力与国际还有很大的差距。夸父计划的实施使国内有效载荷研制面临巨大的压力。

已有技术存在的问题主要是目前的空间粒子探测器均为单方向测量装置，且功能单一，无法同时实现粒子方向测量及能谱测量的集成化。其原因主要是：目前在国内各卫星上安装的粒子测量装置均为“十一五”期间形成的“三化”产品，基本都使用一组传感器，因此测量方向较单一，无法进行空间粒子多方向测量，且功能单一，难以实现高能电子和质子能谱同时测量。另一方面，由于以往探测装置在系统集成度和功耗要求等方面限制，很难在实现以上多种测量目标的同时，又能达到高集成、低功耗的要求。因此，必须设计一台新型高能粒子测量装置，以同时实现高能电子、质子的方向通量及能谱测量。

目前粒子测量装置基本使用一组传感器，测量方向单一，一般只能测量高能电子能谱或高能质子能谱功能单一。

发明内容

本发明的目的在于，为克服目前粒子测量装置基本使用一组传感器，测量方向单一，且探测功能单一的缺陷，从而提供一种多方向高能粒子探测器。

为达到上述目的，本发明提出了一种多方向高能粒子探测器，该探测器用于同时测量高能电子和高能质子方向通量和能谱，其特征在于，所述的探测器具体包含：

方向传感器，该传感器包含4片到16片半导体探测器及每片半导体探测对应的前置放大器和成形电路，该前置放大器用于将每片半导体探测器输出的反应带电粒子沉积能量的电荷信号分别进行放大转变成电压脉冲信号，成形电路将前置放大器输出的电压脉冲信号成形输出；

一高能电子能谱传感器，该传感器包含：第一片半导体探测器(D1)，第二片半导体探测器(D2)、第三片半导体探测器(D3)及各片半导体探测器分别对应的前置放大器和成形电路，该前置放大用于将每片半导体探测器输出的反应带电粒子沉积能量的电荷信号分别进行放大转变成电压脉冲信号，成形电路将前置放大器输出的电压脉冲信号成形输出；

一高能质子能谱传感器，该传感器包含：第一片半导体探测器(D4)，第二片半导体探测器(D5)、第三片半导体探测器(D6)及各片半导体探测器分别对应的前置放大器和成形电路，该前置放大器用于将每片半导体探测器输出的反应带电粒子沉积能量的电荷信号分别进行放大转变成电压脉冲信号，成形电路将前置放大器输出的电压脉冲信号成形输出；

相加电路，用于将高能电子能谱传感器的第二片半导体探测器(D2)和第三片半导体探测器(D3)的成形信号相加输出；并将高能质子能谱传感器的第一片半导体探测器(D4)和第二片半导体探测器(D5)的成形信号相加输出；

主放大器，用于将一路成形电路输出的信号或两路经过相加电路后输出的信号进行放大；

峰值保持器，用于对每个主放大器放大后的信号分别进行脉冲峰值保持；

ADC采集电路，用于对峰值保持的信号进行模数转换；

FPGA处理芯片，用于将所有的ADC采集电路得到数字信号进行幅度分析和数据处理，其中不同的幅度代表着不同能量的电子或质子；

其中，

所述的前置放大器输出端通过成形电路分别与相应主放大器输入端相连，所述的主放电路输出端分别与相对应峰值保持器输入端相连，所述的各峰值保持器输出端分别与相对应ADC采集电路输入端相连，所述的ADC采集电路经过模数转换后输出端与FPGA处理芯片输入端相连；

所述的方向传感器包含的半导体探测器每片间隔11.25°，分成4排，交错排列在截面为半圆形的柱形基座的侧面柱体上；所述的高能电子能谱传感器和所述的高能质子能谱传感器均位于该柱形基座的半圆扇面上；该结构用于探测180°的扇形方向的高能电子和质子通量，同时测量垂直扇面方向的高能电子能谱及高能质子能谱。

上述技术方案中，所述的探测器还包含输出接口电路，用于与卫星总线进行数据通信。

上述技术方案中，所述的方向传感器的半导体探测器采用厚度为1mm、灵敏面积6mm*6mm的离子注入型探测器；所述的方向传感器对应的前置放大器采用集成运放电容反馈方式；所述的半导体探测器和对应前置放大器均采用一体结构安装在截面为半圆形的柱形基座上，并用对应的铝罩屏蔽，用于降低噪声干扰。

上述技术方案中，所述的半导体探测器均与一准直器对应，其中，所述的准直器内部均安装6片开孔的薄铝片，用于保证探测视场的同时防止斜入射粒子在准直器中反射进入传感器造成计数干扰。所述的每个准直器前方均设15um厚的铝质挡光层，用于防止可见光射入。

上述技术方案中，所述的高能电子能谱的3片半导体探测器分别为厚度450um、2mm、2mm，灵敏面积为直径8mm的离子注入探测器；所述的高能电子能谱的前置放大器采用集成运放电容反馈方式；所述的半导体探测器和前置放大器采用一体结构安装在屏蔽结构内，以降低噪声干扰；所述的高能电子能谱的传感器前方设15um厚的铝质挡光层以防止可见光射入。

上述技术方案中，所述的高能质子能谱传感器的3片半导体探测器均采用三元结构，厚度均为1mm且灵敏面积直径12mm的离子注入探测器；所述的高能质子能谱的前置放大器采用集成运放电容反馈方式；所述的高能质子能谱的半导体探测器和前置放大器采用一体结构安装在屏蔽结构内，以降低噪声干扰；所述的高能质子能谱的准直器采用偏转磁铁以降低低能电子的干扰；所述的高能质子能谱的传感器前方设15um厚的铝质挡光层以防止可见光射入。

上述技术方案中，所述的探测器FPGA芯片工作流程如下：

(1)任何时候有复位信号到来则重新初始化程序流程；

(2)格式化内存RAM；控制ADC芯片进行数据采集和ADC通道的切换，读出采集后的数据，发送给数据处理单元；对数据进行处理并打包；打包完成后写入工程参数，包括时间码和包计数；

(3)有校时命令时，进行时间码校对；

(4)判断是否有过数据请求命令，有则发送已经完成的数据包；当没有数据包完成时，等待完成当前数据包后发送，发送完成后格式化内存RAM并开始新的打包过程。

作为本发明的一个改进，所述的探测器还包含仪器特性检测单元；

其中，所述的检测单元电路为：各主放电路输出端经过若干个多路开关连接，所述的多路开关输出端分别连接一传感器检测电路，所述的传感器检测电路的输出端连接A/D采集电路输入端，所述的A/D采集电路输出端与FPGA输入端相连，用于及时了解到各探测支路的工作状况。

本发明的优点在于，同时实现粒子方向测量及能谱测量的集成化；实现了高能电子、质子的方向通量及能谱测量；实现以上多种测量目标的同时，又能达到高集成、低功耗的要求。

附图说明

图1为本发明的多向高能粒子探测器工作原理框图；

图2为16个方向传感器结构示意图；

图3为方向传感器准直器结构示意图；

图4为本发明的电子、质子能谱传感器及准直器结构示意图；

图5为本发明的多向高能粒子探测器FPGA程序的工作流程。

附图标志：

1、方向传感器的半导体探测器  2、方向传感器的前置放大器

3、方向传感器的屏蔽罩        4、方向传感器的准直器铝片

5、方向传感器的挡光层        6、电子能谱传感器的准直器

7、质子能谱传感器的准直器    8、电子能谱传感器的挡光层

9、质子能谱传感器的挡光层    10、方向传感器的基座

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

本发明涉及一种空间高能电子、高能质子测量装置，特别是测量高能电子、高能质子方向通量和能谱的探测装置。

多方向高能粒子探测器主要由16个方向传感器的半导体探测器1、1个高能电子能谱传感器和1个高能质子能谱传感器、电荷灵敏前置放大器、脉冲成形和主放大电路、ADC采集电路、FPGA处理芯片、外部接口、传感器检测等电路组成。本发明的目的在于提供一种测量高能电子、高能质子方向通量和能谱的探测装置。

针对已有技术中存在的问题，本发明采用的结构为：

1.方向传感器：分别由16组单片半导体探测器1和对应电荷灵敏前置放大器组成，并屏蔽于半柱形基座的柱体侧面内，通过传感器-前放一体化结构提高抗干扰能力；每个方向传感器均设有对应的准直器。

2.电子能谱传感器：由三元半导体探测器D1、D2和D3及对应准直器6组成；半导体传感器和和对应电荷灵敏前置放大器采取一体屏蔽结构，以降低噪声干扰。

3.质子能谱传感器：由三元半导体探测器D4、D5和D6及对应准直器组成；半导体传感器和和对应电荷灵敏前置放大器采取一体屏蔽结构，以降低噪声干扰。

4.以上三种传感器及相应准直器、前放电路和探测器其他电子学电路，均安装在同一机箱内，即同一个半柱形基座上。

每个传感器前置放大器输出端分别与相应主放大器输入端相连，各主放电路输出端分别与相对应峰值保持器输入端相连，各峰值保持器输出端分别与相对应ADC采集电路输入端相连，ADC采集电路经过模数转换后输出端与FPGA处理芯片输入端相连，同时各主放电路输出端经过多路开关连接了用于检测各探测支路工作状况的仪器特性检测电路。仪器特性检测电路包括两个用于放大噪声信号的放大器，放大器的输出端连接了ADC采集电路输入端，ADC采集电路输出端与FPGA输入端相连。

采用本发明后，在将多方向高能粒子探测器用于空间高能电子、质子方向通量和能谱测量时，能及时了解到各探测支路的工作状况，且提高了信噪比，

图1是本发明的多向高能粒子探测器实施例的原理方框图，是由不同半导体探测器及对应准直器系统构成的传感器、相对应支路的电荷灵敏前置放大器、主放大器、峰值保持器、ADC采集电路、FPGA处理芯片、输出接口电路和噪声特性检测等电路构成。其中方向传感器部分是由图2所示的16片半导体探测器(但是可以根据具体的需要拆卸几片半导体探测器，最少应保留4片即可以满足测量的基本要求)、前置放大器及屏蔽结构构成；高能电子和质子能谱传感器部分是由图4所示半导体传感器D1、D2、D3、D4、D5和D6及前置放大器构成。当高能电子或质子通过准直器6或7入射传感器时，在半导体探测器中产生不同的能量损失，其输出反映入射粒子能量关系的电荷信号；电荷前置放大器将半导体探测器输出的反应电荷能量的电荷信号进行放大转变成电压脉冲信号，该信号输至主放大器进行放大，放大后的信号通过峰值保持器后进行脉冲峰值保持，该信号输出至ADC采集电路进行模数转换，转换后的数字信号由FPGA处理器进行幅度分析和数据处理，不同的幅度代表着不同能量的电子或质子。

由于本发明主要用于空间探测器，因此如果在空间本发明的探测装置出现故障时将无法判断，直接影响到探测结果的可靠性，因此在放大部分的输出端增加了仪器特性检测部分，用于判断各探测支路的工作状态。

方向传感器部分结构示意图，如图2所示，是由4到16个半导体探测器1、前置放大器和铝质屏蔽结构组成，所有的半导体传感器采用厚度为1mm、灵敏面积6mm*6mm的离子注入型探测器。方向传感器共探测180°的扇形方向，每片间隔11.25°，为减小体积，16个传感器分成4排，交错排列在半圆形的柱形基座上。前置放大器采用集成运放电容反馈方式。半导体探测器和对应前置放大器均采用一体结构安装在屏蔽结构内，以降低噪声干扰。16个方向准直器与相应方向传感器一一对应，内部结构见示意图3，每个准直器内部均安装6片开孔的薄铝片4，在保证探测视场的同时，能防止斜入射粒子在准直器中反射进入传感器造成计数干扰。同时，在每个准直器前方均设15um厚的铝质挡光层以防止可见光射入。

电子能谱传感器部分结构示意图如图4所示，分别由3片半导体探测器、前置放大器和铝质屏蔽结构组成。3片半导体探测器D1、D2、D3采用三元结构，分别为厚度450um、2mm、2mm，灵敏面积为直径8mm的离子注入探测器。前置放大器采用集成运放电容反馈方式。半导体探测器和前置放大器采用一体结构安装在屏蔽结构内，以降低噪声干扰。电子传感器准直器采用类似方向传感器准直器的粒子防反射装置，以消除粒子干扰影响。同时，在质子能谱传感器前方设15um后的铝质挡光层以防止可见光射入。

质子能谱传感器部分结构示意图如图4所示，分别由3片半导体探测器、前置放大器和铝质屏蔽结构组成。3片半导体探测器D4、D5、D6采用三元结构，均为厚度1mm、灵敏面积直径12mm的离子注入探测器。前置放大器采用集成运放电容反馈方式。半导体探测器和前置放大器采用一体结构安装在屏蔽结构内，以降低噪声干扰。质子传感器准直器采用偏转磁铁以降低低能电子的干扰。同时，在电子能谱传感器前方设15um后的铝质挡光层以防止可见光射入。

多向高能粒子探测器FPGA芯片内部包含一套数据处理程序，该系统工作流程如下：参见图5。

步骤S5-1，任何时候有复位信号到来则重新初始化程序流程；

步骤S5-2，格式化内存RAM；控制ADC芯片进行数据采集和ADC通道的切换，读出采集后的数据，发送给数据处理单元；对数据进行处理并打包；打包完成后写入工程参数，包括时间码和包计数；

步骤S5-3，有校时命令时，进行时间码校对；

步骤S5-4，判断是否有过数据请求命令，有则发送已经完成的数据包；当没有数据包完成时，等待完成当前数据包后发送。发送完成后格式化内存RAM并开始新的打包过程.

本发明的探测器装置的尺寸重量与目前粒子测量装置相当，功耗约4W(目前粒子测量装置约2.5W)。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (18)

1.一种多方向高能粒子探测器，该探测器用于同时测量高能电子和高能质子方向通量和能谱，其特征在于，所述的探测器具体包含：

方向传感器，该传感器包含4片到16片半导体探测器及每片半导体探测器对应的前置放大器和成形电路，该前置放大器用于将每片半导体探测器输出的反应带电粒子沉积能量的电荷信号分别进行放大转变成电压脉冲信号，成形电路将前置放大器输出的电压脉冲信号成形输出；

一高能电子能谱传感器，该传感器包含:第一片半导体探测器（D1），第二片半导体探测器（D2）、第三片半导体探测器（D3）及各片半导体探测器分别对应的前置放大器和成形电路，该前置放大器用于将每片半导体探测器输出的反应带电粒子沉积能量的电荷信号分别进行放大转变成电压脉冲信号，成形电路将前置放大器输出的电压脉冲信号成形输出；

一高能质子能谱传感器，该传感器包含：第四片半导体探测器（D4），第五片半导体探测器（D5）、第六片半导体探测器（D6）及各片半导体探测器分别对应的前置放大器和成形电路，该前置放大器用于将每片半导体探测器输出的反应带电粒子沉积能量的电荷信号分别进行放大转变成电压脉冲信号，成形电路将前置放大器输出的电压脉冲信号成形输出；

相加电路，用于将高能电子能谱传感器的第二片半导体探测器（D2）和第三片半导体探测器（D3）的成形信号相加输出；并将高能质子能谱传感器的第四片半导体探测器（D4）和第五片半导体探测器（D5）的成形信号相加输出；

主放大器，用于将一路成形电路输出的信号或两路经过相加电路后输出的信号进行放大；

峰值保持器，用于对每个主放大器放大后的信号分别进行脉冲峰值保持；

ADC采集电路，用于对峰值保持的信号进行模数转换；

FPGA处理芯片，用于将所有的ADC采集电路得到数字信号进行幅度分析和数据处理，其中不同的幅度代表着不同能量的电子或质子；

其中，

所述的前置放大器输出端通过成形电路分别与相应主放大器输入端相连，所述的主放大器的输出端分别与相对应峰值保持器输入端相连，所述的各峰值保持器输出端分别与相对应ADC采集电路输入端相连，所述的ADC采集电路经过模数转换后输出端与FPGA处理芯片输入端相连；

所述的方向传感器包含的半导体探测器每片间隔11.25°，分成4排，交错排列在截面为半圆形的柱形基座的侧面柱体上；所述的高能电子能谱传感器和所述的高能质子能谱传感器均位于该柱形基座的底部的半圆扇面上；该半圆扇面结构用于探测180°的扇形方向的高能电子和质子通量，同时测量垂直扇面方向的高能电子能谱及高能质子能谱。

2.根据权利要求1所述的多方向高能粒子探测器，其特征在于，所述的探测器还包含输出接口电路，用于与卫星总线进行数据通信。

3.根据权利要求1所述的多方向高能粒子探测器，其特征在于，所述的探测器还包含仪器特性检测单元；

其中，所述的检测单元电路为：各主放大器的输出端经过若干个多路开关连接，所述的多路开关输出端分别连接一传感器检测电路，所述的传感器检测电路的输出端连接ADC采集电路输入端，所述的ADC采集电路输出端与FPGA处理芯片输入端相连，用于及时了解到各探测支路的工作状况。

4.根据权利要求1所述的多方向高能粒子探测器，其特征在于，所述的方向传感器的半导体探测器采用厚度为1mm、灵敏面积6mm*6mm的离子注入型探测器。

5.根据权利要求1所述的多方向高能粒子探测器，其特征在于，所述的方向传感器对应的前置放大器采用集成运放电容反馈方式。

6.根据权利要求4或5所述的多方向高能粒子探测器，其特征在于，所述方向传感器的半导体探测器和对应前置放大器均采用一体结构安装在截面为半圆形的柱形基座的侧面柱体上，并用对应的铝罩屏蔽，用于降低噪声干扰。

7.根据权利要求1所述的多方向高能粒子探测器，其特征在于，所述的半导体探测器均与一准直器对应，其中，所述的准直器内部均安装6片开孔的薄铝片，用于保证探测视场的同时防止斜入射粒子在准直器中反射进入传感器造成计数干扰。

8.根据权利要求7所述的多方向高能粒子探测器，其特征在于，所述的每个准直器前方均设15um厚的铝质挡光层，用于防止可见光射入。

9.根据权利要求1所述的多方向高能粒子探测器，其特征在于，所述的高能电子能谱传感器的3片半导体探测器分别为厚度450um、2mm、2mm，灵敏面积为直径8mm的离子注入探测器。

10.根据权利要求1所述的多方向高能粒子探测器，其特征在于，所述的高能电子能谱传感器的前置放大器采用集成运放电容反馈方式。

11.根据权利要求9或10所述的多方向高能粒子探测器，其特征在于，所述高能电子能谱传感器的半导体探测器和前置放大器采用一体结构安装在屏蔽结构内，以降低噪声干扰。

12.根据权利要求1所述的多方向高能粒子探测器，其特征在于，所述的高能电子能谱传感器前方设15um厚的铝质挡光层以防止可见光射入。

13.根据权利要求1所述的多方向高能粒子探测器，其特征在于，所述的高能质子能谱传感器的3片半导体探测器均采用三元结构，厚度均为1mm且灵敏面积直径12mm的离子注入探测器。

14.根据权利要求1所述的多方向高能粒子探测器，其特征在于，所述的高能质子能谱传感器的前置放大器采用集成运放电容反馈方式。

15.根据权利要求1所述的多方向高能粒子探测器，其特征在于，所述的高能质子能谱传感器的半导体探测器和前置放大器采用一体结构安装在屏蔽结构内，以降低噪声干扰。

16.根据权利要求1所述的多方向高能粒子探测器，其特征在于，所述的高能质子能谱传感器的准直器采用偏转磁铁以降低低能电子的干扰。

17.根据权利要求1所述的多方向高能粒子探测器，其特征在于，所述的高能质子能谱传感器前方设15um厚的铝质挡光层以防止可见光射入。

18.根据权利要求1所述的多方向高能粒子探测器，其特征在于，所述的探测器FPGA处理芯片工作流程如下：

(1)任何时候有复位信号到来则重新初始化程序流程；

(2)格式化内存RAM；控制ADC采集电路进行数据采集和ADC通道的切换,读出采集后的数据，发送给数据处理单元；对数据进行处理并打包；打包完成后写入工程参数，包括时间码和包计数；

(3)有校时命令时，进行时间码校对;

(4)判断是否有过数据请求命令，有则发送已经完成的数据包；当没有数据包完成时，等待完成当前数据包后发送，发送完成后格式化内存RAM并开始新的打包过程。

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