CN102967871B - 一种空间低能电子和质子的探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间低能电子和质子的探测方法，具体涉及能量范围为0.1~1MeV的负电子和质子的探测方法，属于空间带电粒子探测领域。所述方法步骤如下：（1）让空间中的粒子通过同一均匀磁场，负粒子和正粒子向不同的方向偏转，实现负粒子和正粒子的分离；（2）采用两个一维位置灵敏探测器分别收集负电子和正粒子，根据产生的脉冲电荷信号高度分析，鉴别出正粒子是正电子还是质子，根据偏转半径和磁场强度，计算出质子的能量。所述方法能同时对负电子和质子进行探测，测量结果准确，方法切实可行，通过优化设计后可研制相应的探测器，为空间探测活动服务。

Description

一种空间低能电子和质子的探测方法

技术领域

本发明涉及一种空间低能电子和质子的探测方法，具体涉及能量范围为0.1~1MeV的负电子和质子的探测方法，属于空间带电粒子探测领域。

背景技术

空间环境中的低能带电粒子容易沉积在航天器表面而使航天器表面带电。表面带电可引起静电放电，产生电磁脉冲，使航天器上的敏感电子元器件损坏或出现功能性障碍，甚至导致航天器任务的失败。能量稍高的电子则容易穿透航天器外壳而进入航天器内部，并沉积在航天器材料中，使航天器产生内带电效应。内带电效应易造成逻辑电路翻转，导致数据传输出错。另外，内带电效应可在很短的时间内在卫星介质材料局部释放大量能量，造成航天器敏感部件损坏，导致航天器功能异常。因此，空间低能带电粒子探测对于保障航天器的安全运行具有重要意义。

国内外针对高能带电粒子的探测方法和探测器相对较多，而对空间低能电子和质子同时探测的方法和探测器却比较少。因此，本发明提出了一种同时探测空间低能电子和质子的方法，该方法不仅能探测低能电子和质子的能量，而且能对电子和质子进行鉴别。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间低能电子和质子的探测方法，具体涉及能量范围为0.1~1MeV的电子和质子的探测方法，所述方法能同时对负电子和质子进行探测，测量结果准确，方法切实可行，通过优化设计后可研制相应的探测器，为空间探测活动服务。

空间带电粒子包括带负电的负电子和带正电的正粒子，由于负电子和正粒子的电性不同，在同一磁场作用下，负电子和正粒子将分别向不同的方向偏转；

空间中的正粒子有很多种，但对质子探测造成干扰的主要是正电子，所以只要排除正电子的影响即可；由于质子和正电子的质量相差很大，因此入射在同一一维位置灵敏探测器的同一位置上的质子和正电子，其能量必然不同，它们在一维位置灵敏探测器中沉积的能量也不同，表现为在一维位置灵敏探测器D2中产生的电荷脉冲高度不同；

基于以上原理，本发明提供一种空间低能电子和质子的探测方法，所述方法步骤如下：

（1）低能电子和质子的分离

让空间中的粒子通过同一均匀磁场，负粒子和正粒子向不同的方向偏转，实现负粒子和正粒子的分离；其中，所述负粒子为负电子，所述正粒子为质子和正电子，磁场方向与粒子的入射方向垂直；

（2）低能负电子和质子的探测

低能负电子的探测：

负电子和正粒子在均匀磁场中分离后，负电子在磁场中偏转180°后用一维位置灵敏探测器D1收集；负电子与一维位置灵敏探测器D1相互作用，并在一维位置灵敏探测器D1中沉积能量，产生电荷脉冲信号；根据电荷脉冲信号产生的位置，获得负电子在一维位置灵敏探测器D1上的入射位置；根据入射位置，获得负电子在磁场中的偏转半径；根据偏转半径和磁场强度，结合公式（1）计算出负电子的能量，

$R=3.336\frac{E}{B}{(1+\frac{1.002}{E})}^{\frac{1}{2}}---\left(1\right)$

式中，R为负电子在磁场中的偏转半径，单位为cm；E为负电子的能量，单位为MeV，B为磁场强度，单位为kGs；

低能质子的探测：

负电子和正粒子在均匀磁场中分离后，正粒子经磁场偏转后，用一维位置灵敏探测器D2收集；正粒子与一维位置灵敏探测器D2相互作用，并在一维位置灵敏探测器D2中沉积能量，产生电荷脉冲信号；通过脉冲高度分析，鉴别出正粒子是正电子还是质子；根据电荷脉冲信号产生的位置，获得质子在一维位置灵敏探测器D2上的入射位置；根据入射位置，获得质子在磁场中的偏转半径；根据偏转半径和磁场强度，结合公式（2）计算出质子的能量；

$R^{\′}=3.336\frac{E^{\′}}{B}{(1+\frac{1839.67}{E^{\′}})}^{\frac{1}{2}}---\left(2\right)$

式中，R′为质子在磁场中的偏转半径，单位为cm；E′为质子的能量，单位为MeV，B为磁场强度，单位为kGs。

有益效果

本发明中提供的基于磁偏转和一维位置灵敏探测器对空间负电子和质子进行探测的方法，能同时对负电子和质子进行探测，并得到负电子和质子的能量，且能在两个方向上分别获得比较干净的电子和质子信号，测量结果准确，方法切实可行，通过优化设计后可研制相应的探测器，为空间探测活动服务。

附图说明

图1为本发明所述的空间低能电子和质子的探测方法原理示意图；

其中，1-1：一维位置灵敏探测器D2，1-2：正粒子在磁场中的偏转径迹，1-3：负电子在磁场中的偏转径迹，1-4：磁场，1-5：一维位置灵敏探测器D1，1-6：入射狭缝。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不限于此。

空间带电粒子包括带负电的负电子和带正电的正粒子，由于负电子和正粒子的电性不同，在同一磁场作用下，负电子和正粒子将分别向不同的方向偏转；

空间中的正粒子有很多种，但对质子探测造成干扰的主要是正电子，所以只要排除正电子的影响即可；由于质子和正电子的质量相差很大，因此入射在同一一维位置灵敏探测器的同一位置上的质子和正电子，其能量必然不同，它们在一维位置灵敏探测器中沉积的能量也不同，表现为在一维位置灵敏探测器中产生的电荷脉冲高度不同；

基于以上原理，本发明提供一种空间低能电子和质子的探测方法，所述方法可采用如下装置实现：

磁场强度为1000高斯的均匀磁场1-4，如图1所示，设磁场1-4方向为Y轴方向，一维位置灵敏探测器D11-5的长度方向沿X轴正方向布置，一维位置灵敏探测器D21-1位于一维位置灵敏探测器D11-5的左侧，其长度方向沿Z轴正方向布置，一维位置灵敏探测器D11-5和一维位置灵敏探测器D21-1之间设有入射狭缝1-6，入射狭缝1-6沿X方向的长度为4mm，沿Y方向的长度为2mm。一维位置灵敏探测器D11-5底部与入射狭缝1-6在X方向的同一水平线上，其灵敏区左端距入射狭缝1-6右端20mm。一维位置灵敏探测器D21-1灵敏区底端与入射狭缝1-6X方向的垂直距离为67mm，一维位置灵敏探测器D21-1右侧所在平面与入射狭缝1-6左端的水平距离为5mm。

所述一维位置灵敏探测器D11-5是硅微条型一维位置灵敏探测器，每根硅条的宽度为0.5mm，相邻两根硅条的间距为1.5mm。每一根硅条连接一个唯一的电子学通道。每根硅微条和电子学通道都进行编号，二者一一对应。

通过计算和仿真模拟分析，确定一维位置灵敏探测器D11-5的灵敏区厚度选择为500μm，这样可保证0.1MeV的电子在一维位置灵敏探测器D11-5中产生很明显的电荷脉冲信号；一维位置灵敏探测器D11-5的灵敏区长度选择为55mm，硅微条数量为28，对应的电子学通道也为28个。

同样，通过计算和仿真模拟分析，确定一维位置灵敏探测器D21-1灵敏区长度为75mm，厚度为500μm。一维位置灵敏探测器D21-1也是硅微条型一维位置灵敏探测器，硅条宽度为0.5mm，硅条间距为5mm，硅条数量为15，对应的电子学通道数量为15个，每一根硅条连接一个唯一的电子学通道。每根硅微条和电子学通道都进行编号，二者一一对应。所述方法步骤如下：

（1）低能电子和质子的分离

让空间中的粒子从入射狭缝1-6进入上述均匀磁场1-4，负粒子和正粒子向不同的方向偏转，实现负粒子和正粒子的分离；其中，所述负粒子为负电子，所述正粒子为质子和正电子，磁场1-4方向与粒子的入射方向垂直；

（2）低能负电子和质子的探测

低能负电子的探测：

负电子和正粒子在均匀磁场1-4中分离后，负电子在磁场1-4中偏转180°后入射到一维位置灵敏探测器D11-5上，负电子在磁场中的偏转径迹1-3如图1所示；负电子与一维位置灵敏探测器D11-5相互作用，并在一维位置灵敏探测器D11-5中沉积能量，产生电荷脉冲信号。

设负电子入射在编号为n的硅微条上，则与第n号硅微条相连的第n号电子学通道中就能捕获到负电子在一维位置灵敏探测器D11-5中产生的电荷脉冲信号。因此，根据电荷脉冲信号产生的通道编号，即可确定负电子在一维位置灵敏探测器D11-5上的入射位置，而这个位置对应的即是电子在1000高斯磁场1-4中的偏转直径，由偏转直径可获得偏转半径，根据偏转半径和磁场强度，结合公式（1）计算出负电子的能量，

$R=3.336\frac{E}{B}{(1+\frac{1.002}{E})}^{\frac{1}{2}}---\left(1\right)$

式中，R为负电子在磁场1-4中的偏转半径，单位为cm；E为负电子的能量，单位为MeV，B为磁场强度，单位为kGs；

低能质子的探测：

负电子和正粒子在均匀磁场1-4中分离后，正粒子在1000高斯磁场1-4中的偏转7°后入射在一维位置灵敏探测器D21-1上，正粒子在磁场中的偏转径迹1-2如图1所示，正粒子与一维位置灵敏探测器D21-1相互作用，并在一维位置灵敏探测器D21-1中沉积能量，产生电荷脉冲信号；电荷脉冲信号被电子学通道采集。

所述正粒子为质子和正电子，正电子产生的电荷脉冲高度要远低于质子产生的电荷脉冲高度。电子学通道采集电荷脉冲信号后，对其进行前置放大、成形和二次放大后，送入脉冲高度分析器，脉冲高度分析器通过分析电荷脉冲的幅值，即能分辨出该电荷脉冲信号是正电子产生的还是质子产生的，从而实现了对正电子和质子的鉴别，达到对质子进行精确测量的目的。

根据电荷脉冲信号所在的通道编号，即可确定质子在一维位置灵敏探测器D21-1上的入射位置，根据入射位置，可知质子在磁场中的偏转直径，由偏转直径获得其偏转半径，根据偏转半径和磁场强度，结合公式（2）计算出质子的能量，

$R^{\′}=3.336\frac{E^{\′}}{B}{(1+\frac{1839.67}{E^{\′}})}^{\frac{1}{2}}---\left(2\right)$

式中，R′为质子在磁场1-4中的偏转半径，单位为cm；E′为质子的能量，单位为MeV，B为磁场强度，单位为kGs。

本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种空间低能电子和质子的探测方法，电子在均匀磁场中弯曲了180度，然后被聚焦在一维位置灵敏探测器，在一维位置灵敏探测器中的能量沉淀，根据偏转半径，确定电子的能量，其特征在于：所述方法步骤如下：

(1)低能电子和质子的分离

让空间中的粒子通过同一均匀磁场(1-4)，负粒子和正粒子向不同的方向偏转，实现负粒子和正粒子的分离；其中，所述负粒子为负电子，所述正粒子为质子和正电子，磁场(1-4)方向与粒子的入射方向垂直；

(2)低能负电子和质子的探测

低能负电子的探测：

负电子和正粒子在均匀磁场(1-4)中分离后，负电子在磁场(1-4)中偏转180°后用一维位置灵敏探测器D1(1-5)收集；负电子与一维位置灵敏探测器D1(1-5)相互作用，并在一维位置灵敏探测器D1(1-5)中沉积能量，产生电荷脉冲信号；根据电荷脉冲信号产生的位置，获得负电子在一维位置灵敏探测器D1(1-5)上的入射位置；根据入射位置，获得负电子在磁场(1-4)中的偏转半径；根据偏转半径和磁场强度，结合公式(1)计算出负电子的能量，

$R=3.336\frac{E}{B}{(1+\frac{1.002}{E})}^{\frac{1}{2}}---\left(1\right)$

式中，R为负电子在磁场(1-4)中的偏转半径，单位为cm；E为负电子的能量，单位为MeV，B为磁场强度，单位为kGs；

低能质子的探测：

负电子和正粒子在均匀磁场(1-4)中分离后，正粒子经磁场(1-4)偏转后，用一维位置灵敏探测器D2(1-1)收集；正粒子与一维位置灵敏探测器D2(1-1)相互作用，并在一维位置灵敏探测器D2(1-1)中沉积能量，产生电荷脉冲信号；通过脉冲高度分析，鉴别出正粒子是正电子还是质子；根据电荷脉冲信号产生的位置，获得质子在一维位置灵敏探测器D2(1-1)上的入射位置；根据入射位置，获得质子在磁场(1-4)中的偏转半径；根据偏转半径和磁场强度，结合公式(2)计算出质子的能量；

$R^{\′}=3.336\frac{E^{\′}}{B}{(1+\frac{1839.67}{E^{\′}})}^{\frac{1}{2}}---\left(2\right)$

式中，R′为质子在磁场(1-4)中的偏转半径，单位为cm；E′为质子的能量，单位为MeV，B为磁场强度，单位为kGs。