CN102590638A

CN102590638A - 数字式深空单粒子探测器及探测方法

Info

Publication number: CN102590638A
Application number: CN2012100382420A
Authority: CN
Inventors: 徐国栋; 李鹏飞; 董立珉; 朱文亮; 侯天蕊; 陈健; 潘瑞; 丁玉叶
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2012-07-18

Abstract

数字式深空单粒子探测器及探测方法，涉及一种深空单粒子探测器及探测方法，它是为了解决现有的X射线粒子探测器的体积大、功耗高，以及X射线粒子的探测精度低的问题。其装置：N个基本粒子敏感单元的粒子事件输出端同时与加法器的N个粒子事件输入端连接。其方法：在一个脉冲周期下，在每个基本粒子敏感单元中，采用光电二极管的光敏感面探测单粒子，当探测到单粒子后，光电二极管将电容器充电至高电平，高电平经反相器转换后低电平，并输出至加法器；加法器对N个基本粒子敏感单元的低电平进行求和，计算出一个脉冲周期下发生单粒子事件的次数，将此次数作为一个脉冲周期下的单粒子探测结果。本发明适用于深空单粒子探测。

Description

数字式深空单粒子探测器及探测方法

技术领域

本发明涉及深空单粒子探测器及探测方法。

背景技术

航天器自主导航具有极其重要的工程应用价值和战略研究意义，不仅可以减轻地面测控系统的工作负担，而且可以减少航天器对地面测控系统的依赖，增加系统的抗干扰和自主生存能力。X射线脉冲星能够为各类航天器提供位置，速度，时间和姿态等高精度导航参数信息，因此基于X射线脉冲星导航具有很大的工程应用价值，成为国内外研究的热点领域。X射线脉冲星导航系统是通过单粒子探测器探测脉冲星辐射的X射线光子，测量脉冲到达时间等信息，经过相应的信号与数据处理，航天器可自主确定轨道，获得时间和姿态等导航参数。

从以上分析可知，单粒子探测器是X射线脉冲星导航系统的基础部件，相比于X射线脉冲星导航算法的研究，适合于航天器的体积小、重量轻、功耗低的X射线探测器的研究发展相对缓慢。

从探测原理上，利用X射线粒子与探测物质发生光电效应、康普顿效应和电子对效应可以将探测器分为三类，其中利用电子对生成效应制作的探测器因其体积小、功耗低、工作稳定等优点，具有满足航天器在深空中工作需要的潜力，目前已知的此类X射线探测器有硅微条探测器。

硅微条探测器是在一个n型硅片的上表面通过半导体工艺技术制成多个均匀平行的重掺杂P+微条，对n硅片的整个底面掺入杂质，制成n型重掺杂n+层。当在硅片上下表面加入足够高的电压时，这些条形p-n结之间的耗尽层变的足够厚，基本达到全耗尽，成为该种探测器的敏感区。当有带电粒子穿过探测器，硅片上的微条就可以读出粒子敏感区中激发的电荷信号。其输出为模拟量，需要高精度的AD对输出进行量化。而随着X射线脉冲自主导航的发展，该种探测器已无法适应需求。

发明内容

本发明是为了解决现有的X射线粒子探测器的体积大、功耗高，以及X射线粒子的探测精度低的问题，从而提供数字式深空单粒子探测器及探测方法。

数字式深空单粒子探测器，它包括N个基本粒子敏感单元和加法器，每个基本粒子敏感单元均由光电二极管D1、电容器C1、MOS管Q3和反相器组成，MOS管Q3的栅极是该基本粒子敏感单元的周期脉冲输入端；光电二极管D1的阴极电源VCC连接；所述光电二极管D1的阳极同时与MOS管Q3的源极、电容器C1的一端和反相器的一个输入端连接；电容器C1的另一端同时与MOS管Q3的漏极、反相器的接地端和VCC电源地连接；反相器的输出端是该基本粒子敏感单元的粒子事件输出端，MOS管Q3的栅极为该基本粒子敏感单元的粒子事件输入端；

加法器用于将N个基本粒子敏感单元的粒子事件输出端输出的信号进行累加，该加法器的输出端为数字式深空单粒子探测器的单粒子事件的次数输出端；N个基本粒子敏感单元的N个粒子事件输入端为数字式深空单粒子探测器的控制脉冲信号输入端，N为大于2的正整数。

N个基本粒子敏感单元组成i行j列的矩阵，i和j均为正整数。

加法器是n级加法器，n＝i×j。

MOS管Q3是n沟道的MOS管。

基于上述装置的数字式深空单粒子探测方法，它由以下步骤实现：

步骤一、在一个脉冲周期下，在每个基本粒子敏感单元中，采用光电二极管D1的光敏感面探测单粒子，当探测到单粒子后，光电二极管D1将电容器C1充电至高电平，所述高电平经反相器转换成低电平，并输出至加法器；

步骤二、加法器对N个基本粒子敏感单元输出的信号进行求和，计算出一个脉冲周期下发生单粒子事件的次数，将此次数作为一个脉冲周期下的单粒子探测结果，并返回执行步骤一。

在一个脉冲周期结束后，采用外部脉冲信号对加法器进行复位。

在一个脉冲周期结束后，采用外部脉冲信号对每个基本粒子敏感单元中的电容C1上积累的电荷进行释放。

N个基本粒子敏感单元包括奇数组基本粒子敏感单元和偶数组基本粒子敏感单元，所述奇数组基本粒子敏感单元和偶数组基本粒子敏感单元交替工作。

有益效果：本发明的探测器的体积小、功耗低，可以检测到100keV的单粒子事件；X射线粒子的探测精度高，单粒子到达时刻的测量精度可以到达纳秒级。并且本发明的重量轻，整体重量小于10g。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；图2是基本粒子敏感单元的结构示意图；图3是图2所示的基本粒子敏感单元的一种具体电路结构示意图；图4是考虑CMOS器件分布电容时图3所示的基本粒子敏感单元的等效电路图；图5是现有的CMOS器件栅漏及栅源形成分布电容示意图；图6是Q2截止状态下，电路中电容的分布示意图；图7是Q2导通状态下，电路中电容的分布示意图；图8是具体实施方式五所述的数字式深空单粒子探测器的原理示意图，该结构中，采用反相器实现奇数。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图3说明本具体实施方式，数字式深空单粒子探测器，它包括N个基本粒子敏感单元1和加法器2，每个基本粒子敏感单元1均由光电二极管D1、电容器C1、MOS管Q3和反相器11组成，MOS管Q3的栅极是该基本粒子敏感单元1的周期脉冲输入端；光电二极管D1的阴极电源VCC连接；所述光电二极管D1的阳极同时与MOS管Q3的源极、电容器C1的一端和反相器11的一个输入端连接；电容器C1的另一端同时与MOS管Q3的漏极、反相器11的接地端和VCC电源地连接；反相器11的输出端是该基本粒子敏感单元1的粒子事件输出端，MOS管Q3的栅极为该基本粒子敏感单元1的粒子事件输入端；

加法器2用于将N个基本粒子敏感单元1的粒子事件输出端输出的信号进行累加，该加法器2的输出端为数字式深空单粒子探测器的单粒子事件的次数输出端；N个基本粒子敏感单元1的N个粒子事件输入端为数字式深空单粒子探测器的控制脉冲信号输入端，N为大于2的正整数。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的数字式深空单粒子探测器的区别在于，N个基本粒子敏感单元1组成i行j列的矩阵，i和j均为正整数。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式二所述的数字式深空单粒子探测器的区别在于，加法器2是n级加法器，n＝i×j。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式三所述的数字式深空单粒子探测器的区别在于，MOS管Q3是n沟道的MOS管。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式一所述的数字式深空单粒子探测器的区别在于，N个基本粒子敏感单元1包括奇数组基本粒子敏感单元和偶数组基本粒子敏感单元，所述奇数组基本粒子敏感单元和偶数组基本粒子敏感单元交替工作。

本实施方式中，基本粒子敏感单元1由非门(Q1、Q2)、电容C1、敏感二极管D1及开关控制Q3组成。工作原理如下：当单粒子入射到光电敏感区D1时产生电子-空穴对，在反向电压作用下敏感二极管D1中形成电流，该电流使电容C1充电到高电平，导致非门输出低电平。进过t时间后，下一脉冲周期高电平到达，使Q3导通，将C1中积累电荷释放，Q1的栅极为低电平，Q端重新变为稳态输出高电平。

由于电容C1比较小，因此CMOS管的分布电容影响不能忽略。采用平板电容器模型可以对CMOS管的分布电容进行估算，设电容的极板面积为A，极板之间的距离为H，则电容量为：

C＝εA/H

其中ε为介电常数，ε＝εrε0，ε0＝10-9/36π，εr为相对介电常数。根据目前的工艺(如图5所示)，一个CMOS管子占用的面积大约在10μm2，极板间距为1μm，其分布式电容应不超过0.5fF，因此假设在Q1的栅漏及栅源之间的分布电容均为0.5fF，而Q2管的栅源之间的电容设计为3fF。图4是考虑分布电容情况下的单粒子信号检测电路形式。

单粒子电离的电荷通过电容C1(含Q2的栅源极间分布电容)收集，由于分布电容的影响，在电容C1上转换的电压信号将由全部电容确定，因此实际检测的电压信号比仅有C1时略小一些。实际转换的电压为：

UC1＝E(c1+c2+c3)/(C1+c1+c2+c3)

根据设计的电容值，UC1＝0.33E，在此条件下，Q1管处于导通状态，Q2管处于截止状态。

当单粒子出现时，电离的电荷可以达到3×10⁴(设单粒子能量为100keV，在硅中单位尺寸产生的电子-空穴对大约为110e-h/μm，探测器尺寸设计为300μm，电离能为3.6eV)，则电容C1上的电压为：

UC1＝Q/(C1+c1+c2+c3)＝3×10⁴×1.6×10^-19/(4.5×10^-15)＝1.06V

如果电源电压E采用1.5V，则UC1＝0.7E。如果设计的非门翻转门限为0.45E，则电离的电荷已经可以使非门状态发生翻转，由原来的高电平翻转为低电平。非门状态翻转后，Q1管截止，Q2管导通，分布电容c2、c3将由接电源改变为接地状态。在此过程中，电容C1将向电容c2、c3放电，同时电源也通过c1向c2、c3充电，达到新的电压平衡。

在电容C1上的电压为高电平后，c2、c3由接电源变为接地。根据前面分析，C1上的电压达到0.7E，则c2、c3上的电压为(E-0.7E＝0.3E)，之后Q1截止Q2导通，电容等效图如图6和图7。

以上分析表明，分布电容c1、c2及c3的影响会使探测灵敏度降低，特别是c2、c3，如果该分布电容较大，还可能对非门的状态翻转造成影响，因此，电容C1一般要比c2及c3之和大3倍左右，以保证检测逻辑的正确性。同时，在可能的情况下，总电容(c1、c2、c3、C1)之和应尽可能小，以便可以实现对更低能量的粒子进行探测，提高探测灵敏度。

在没有单粒子时，光电二极管D1的暗电流将向电容C1及c1、c2、c3充电。设D1的反向漏电流为1000pA，经过1μs的检测周期：

Ud＝IT/C＝1000pA×1μs/4.5fF＝0.22V＝0.15E

可见，反向漏电流对探测器的影响比较大。根据在半导体中的电子迁移率，低压情况下电子的迁移率为μe＝1450cm2/(V.s)。电源E(1.5V)在尺寸为d(300μm)的敏感区上形成的电场为E/d，其电荷迁移速度为：

v＝μeE/d

而迁移时间为：

τ＝d/v＝d2/(μeE)＝413.8ns

该迁移时间也是电容C1收集电荷的充电时间。如果1μs进行一次复位，则用于检测的时间大约占50％左右。如果能够减小D1的反向漏电流，例如减小到100pA(可实现的)，则可以使用10μs的检测周期，用于检测的时间可提高到95％。

为了改进可能的单粒子信号漏检问题，本发明还可以采用两组敏感单元轮流检测的方案，如图8所示。在图8中，奇数检测单元与偶数检测单元轮流工作，当一组检测单元检测信号时，另一组检测单元处于复位状态，其合成输出可以实现连续的信号检测。但其代价是损失一半的检测单元利用效率。

具体实施方式六、基于具体实施方式一的数字式深空单粒子探测方法，它由以下步骤实现：

步骤一、在一脉冲周期下，在每个基本粒子敏感单元1中，采用光电二极管D1的光敏感面探测单粒子，当探测到单粒子后，光电二极管D1将电容器C1充电至高电平，所述高电平经反相器11转换成低电平，并输出至加法器2；

步骤二、加法器2对N个基本粒子敏感单元1输出的信号进行求和，计算出一个脉冲周期下发生单粒子事件的次数，将此次数作为一个脉冲周期下的单粒子探测结果，并返回执行步骤一。

在一个脉冲周期结束后，采用外部脉冲信号对加法器2进行复位。

在一个脉冲周期结束后，采用外部脉冲信号对每个基本粒子敏感单元1中的电容C1上积累的电荷进行释放。

N个基本粒子敏感单元1包括奇数组基本粒子敏感单元和偶数组基本粒子敏感单元，所述奇数组基本粒子敏感单元和偶数组基本粒子敏感单元交替工作。

Claims

1.数字式深空单粒子探测器，其特征是：它包括N个基本粒子敏感单元(1)和加法器(2)，每个基本粒子敏感单元(1)均由光电二极管(D1)、电容器(C1)、MOS管(Q3)和反相器(11)组成，MOS管(Q3)的栅极是该基本粒子敏感单元(1)的周期脉冲输入端；光电二极管(D1)的阴极电源(VCC)连接；所述光电二极管(D1)的阳极同时与MOS管(Q3)的源极、电容器(C1)的一端和反相器(11)的一个输入端连接；电容器(C1)的另一端同时与MOS管(Q3)的漏极、反相器(11)的接地端和VCC电源地连接；反相器(11)的输出端是该基本粒子敏感单元(1)的粒子事件输出端，MOS管(Q3)的栅极为该基本粒子敏感单元(1)的粒子事件输入端；

加法器(2)用于将N个基本粒子敏感单元(1)的粒子事件输出端输出的信号进行累加，该加法器(2)的输出端为数字式深空单粒子探测器的单粒子事件的次数输出端；N个基本粒子敏感单元(1)的N个粒子事件输入端为数字式深空单粒子探测器的控制脉冲信号输入端，N为大于2的正整数。

2.根据权利要求1所述的数字式深空单粒子探测器，其特征在于N个基本粒子敏感单元(1)组成i行j列的矩阵，i和j均为正整数。

3.根据权利要求2所述的数字式深空单粒子探测器，其特征在于加法器(2)是n级加法器，n＝i×j。

4.根据权利要求3所述的数字式深空单粒子探测器，其特征在于MOS管(Q3)是n沟道的MOS管。

5.基于权利要求1的数字式深空单粒子探测方法，其特征是：它由以下步骤实现：

步骤一、在一个脉冲周期下，在每个基本粒子敏感单元(1)中，采用光电二极管(D1)的光敏感面探测单粒子，当探测到单粒子后，光电二极管(D1)将电容器(C1)充电至高电平，所述高电平经反相器(11)转换成低电平，并输出至加法器(2)；

步骤二、加法器(2)对N个基本粒子敏感单元(1)输出的信号进行求和，计算出一个脉冲周期下发生单粒子事件的次数，将此次数作为一个脉冲周期下的单粒子探测结果，并返回执行步骤一。

6.基于权利要求5的数字式深空单粒子探测方法，其特征在于在一个脉冲周期结束后，采用外部脉冲信号对加法器(2)进行复位。

7.基于权利要求5的数字式深空单粒子探测方法，其特征在于在一个脉冲周期结束后，采用外部脉冲信号对每个基本粒子敏感单元(1)中的电容(C1)上积累的电荷进行释放。

8.根据权利要求5所述的数字式深空单粒子探测方法，其特征在于N个基本粒子敏感单元(1)包括奇数组基本粒子敏感单元和偶数组基本粒子敏感单元，所述奇数组基本粒子敏感单元和偶数组基本粒子敏感单元交替工作。