CN103630133B - 一种基于微通道板的大面阵探测器系统 - Google Patents

一种基于微通道板的大面阵探测器系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微通道板的大面阵探测器，通过对微通道板的设计，实现了探测器面积的增加，从而缩短脉冲星轮廓的恢复时间，同时提高探测器的灵敏度。微通道板组件、闪烁体探测器、采集与控制模块和高压模块设于机壳内部，机壳四个侧壁安装钽片，机壳提供密封门及其开启机构；微通道板组件由自上而下依次设置的输入窗、准直器、第一高压电极、第二高压电极、光电阴极、MCP组、第三高压电极电荷收集阳极和高压地组成；闪烁体探测器设于电荷收集阳极下方；采集与控制模块对所接收的电信号进行反符合判定，对于通过反符合判定的信号，将光子到达时间送给卫星平台处理；高压模块用于为微通道板组件和闪烁体探测器提供高压电源。

Description

一种基于微通道板的大面阵探测器系统
技术领域
本发明属于卫星空间自主导航技术领域，具体涉及一种基于微通道板(MCP)的大面阵探测器系统。
背景技术
X射线脉冲星导航是以脉冲星辐射的X射线信号作为外部信息基准，经过相应的信号和数据处理，进行高精度轨道确定、时间同步和姿态测量，自主生成导航电文和控制指令，维持星座基本构形。该技术能够为近地轨道、深空探测和星际飞行的各类航天器提供位置、速度、时间和姿态等导航信息，具有极其重要的工程应用价值和战略意义，已成为国际研究的热点领域。
X射线脉冲星探测器是脉冲星导航系统的核心设备之一。主要任务是探测脉冲星辐射的X射线光子，提取脉冲轮廓和测量脉冲到达时间TOA，为导航算法提供基本输入。要实现X射线脉冲星导航，首先需要对脉冲星发出的周期性X射线进行探测，并对用于导航的脉冲星建立脉冲星数据库。目前，国际还没有成熟的、可用于导航的脉冲星探测器。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微通道板的脉冲星信号采集的大面阵探测器，能够携带在卫星平台上，对脉冲星发出的周期性X射线进行探测。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于微通道板的大面阵探测器系统，包括：机壳、钽片、微通道板MCP组件、闪烁体探测器、采集与控制模块和高压模块；MCP组件、闪烁体探测器、采集与控制模块和高压模块设于机壳内部，机壳四个侧壁安装钽片，机壳提供密封门及密封门开启机构；
MCP组件由自上而下依次放置的输入窗、准直器、第一高压电极、第二高压电极、光电阴极、MCP组、第三高压电极、电荷收集阳极和高压地组成；输入窗、准直器和第一高压电极叠放在一起，第二高压电极、光电阴极、MCP组和第三高压电极叠放在一起，电荷收集阳极和高压地叠放在一起；第一高压电极与第二高压电极之间具有间距，第三高压电极与电荷收集阳极之间具有间距；输入窗由500～1000纳米的聚酰亚胺薄膜在正反面镀30～100纳米的铝膜形成，准直器采用微孔光学器件，光电阴极采用CsI，MCP组由2片MCP叠放构成；电荷收集阳极采用微带线结构实现，与高压地之间使用电介质隔离；闪烁体探测器设于电荷收集阳极下方；
MCP组件和闪烁体探测器分别将采集的光子信号转换成电信号送入采集及控制模块；
采集与控制模块，用于综合控制，包括：①根据接收自MCP组件的MCP探测信号和接收自闪烁体探测器的反符合信号进行反符合判定，当反符合信号与MCP探测信号为同一时刻的信号，则认为该时刻的MCP探测信号为高能信号，丢弃；对于通过反符合判定的信号，获取其光子到达时间并存储；②将卫星平台提供的母线电压进行二次变换，变换出探测器系统内部所需的二次电源，同时将母线电压提供给高压模块；③完成高压模块的高压输出设置及遥测采集；④完成密封门开启供电及开启状态遥测；⑤接收卫星平台的指令，并将探测器系统内部的遥测信息传输给卫星平台；
高压模块，用于为MCP组件和闪烁体探测器提供高压电源；其中，向MCP组件中的第一高压电极、第二高压电极和第三高压电极提供的高压分别为VO1、7/8VO1、1/8VO1，VO1＝-2400V；向闪烁体探测器提供的高压VO2为1000V。
较佳地，所述密封门开启机构具有记忆合金驱动组件和电机驱动组件，实现记忆合金和电机两种开启方式，互为备份，机壳上设有泄压阀；探测器系统在地面存储时，密封门关闭，机壳内部充满氮气，压力在1.2个大气压；探测器系统在轨工作时，采用记忆合金驱动组件或电机驱动组件将密封门打开，之后进行信号探测。
较佳地，所述采集与控制模块包括SRAM型的XilinxFPGA、反熔丝型的ActelFPGA、模拟量采集电路、高压输出设置电路、MCP探测信号调理采集电路、反符合探测信号调理采集电路、LVDS接口、电源变换模块和指令驱动切换电路；其中，
MCP探测信号调理采集电路，与MCP组件的电荷收集阳极相连，对MCP组件输出的MCP探测信号进行采集和调理后发送给XilinxFPGA；
反符合探测信号调理采集电路，与闪烁体探测器相连，对闪烁体探测器输出的反符合信号进行采集和调理后发送给XilinxFPGA；
模拟量采集电路，与高压模块连接，采集高压模块的输出电压，发送给XilinxFPGA；
高压输出设置电路，与高压模块连接，根据XilinxFPGA对高压模块的设定指令，对高压模块进行输出控制；
LVDS接口作为XilinxFPGA与外界的接口，XilinxFPGA通过LVDS接口向外部输出遥测数据，通过LVDS接口接收来自外部的遥控指令；
电源变换模块，用于将卫星平台提供的+28V母线电压进行二次变换，转换出采集与控制模块内部所需的二次电源；
指令驱动切换电路，将卫星平台提供的+28V母线电压转换为密封门的开启电源，在来自XilinxFPGA的密封门供电指令的指导下，向密封门供电，且根据XilinxFPGA的高压模块供电指令，利用+28V母线电压向高压模块供电；
XilinxFPGA实现MCP探测信号处理、探测信号反符合判定、高压模块高压输出设置和遥测采集、密封门开启控制和遥测采集、以及与卫星平台的数据交互；
ActelFPGA实现对XilinxFPGA中寄存器的动态刷新，该寄存器中存储了XilinxFPGA的配置信息。
较佳地，所述指令驱动切换电路包括指令驱动电路和指令切换电路；指令驱动电路与XilinxFPGA相连，根据来自XilinxFPGA的密封门供电指令和高压模块供电指令控制指令切换电路中的继电器；
指令切换电路中包含五个继电器，第一DC/DC和第二DC/DC；卫星平台的母线电压通过第一继电器连接第一DC/DC，第一DC/DC通过第二继电器连接记忆合金驱动组件；+28V母线电压进一步通过第三继电器连接第二DC/DC，第二DC/DC通过第四继电器连接电机驱动组件；母线电压还通过第五继电器连接高压模块。
较佳地，所述高压模块包括第一高压模块和第二高压模块；
第一高压模块将母线电压转换成MCP组件中电子加速需要的高压，其高压输出有三个可调电压，三个可调电压的初始状态均为-100V，单步调节电压步进为-100V，最终状态分别为VO1、7/8VO1、1/8VO1，VO1＝-2400V；
第二高压模块将母线电压转换成闪烁体探测器所需要的高压，其高压输出为可调电压，初始状态为100V，单步调节电压步进为100V，最终状态VO2为1000V；
所述采集与控制模块给第一高压模块和第二高压模块时，均从各自的初始状态开始，依据单步调节电压步进进行逐级加电，直到到达各自的最终状态。
有益效果：
1、首先，本发明采用微通道板作为探测主要器件，微通道板具有时间分辨率高、光子响应速度快、易于大面积集成等优点，因此可实现探测器的大面积集成。且采用两个微通道板叠加以提高电子增益。而且，通过输入窗材料、尺寸选取，准直器器件选取，光电阴极材料选取微通道板尺寸参数选取，使得本发明设计的微通道板组件能够在尽可能提高大探测面积的情况下，有效地实现软X射线探测。通过对微通道板的有效利用及集成，实现了探测面积为400cm2的模块化、大面积探测器。通过面积的增加，可以缩短脉冲星轮廓的恢复时间，同时提高探测器精度。
第二、设计了MCP组件中的三个高压电极的压差，其中，高压电极3和地平面间的压差控制电子的渡越时间，降低渡越时间弥散，提高探测器的时间分辨率；高压电极2和高压电极3之间的压差可以控制探测器的增益，能够高信噪比的提高探测器输出信号的幅度；高压电极1和高压电极2间的压差，可使击中MCP端面的X射线产生的电子进行MCP通道内进行倍增放大，提高探测器的探测效率。
第三、采用准直器及反符合的方式，有效的降低了空间背景噪声对探测器探测效率的影响，从而提高探测器精度。
第四、通过在侧壁增加钽片的方式，提高探测器内部电子器件的抗辐照能
第五、一个探测器以8组微通道板模块为基本组成，完成了探测器模块化的设计。
第六、将电子学及高压部分集成到探测器内部，可以大大减少设备之间的穿舱电缆，从而减少探测器系统的重量。高压部分可以通过高压导线直接连接，不需要高压连接器，从而提高了高压的可靠性。
2、本发明采用记忆合金和电机两种开启方式，互为备份，能够在一种开启方式失效的情况下，采用另一种开启方式失效密封门开启，从而保证探测器系统的正常工作。
3、本发明设计的采集与控制模块采用两个FPGA，XilinxFPGA用于完成各种探测器动作，ActelFPGA实现对XilinxFPGA中寄存器的动态刷新，从而能够有效应对空间粒子翻转，而且，指令驱动切换电路中继电器组合设计可以保证密封门的有效开启。
4、本发明设计高压模块为输出可调，从而在控制高压加电时，采用逐级加电方式，能够保证高压模块安全、正常工作，防止高压冲击。
附图说明
图1探测器系统组成示意图。
图2探测器系统原理图。
图3微通道板组件组成示意图。
图4为采集与控制模块的组成示意图。
图5为指令驱动切换电路的组成示意图。
图6为高压模块的组成示意图。
图7(a)和图7(b)为机壳正反两个方向的立体视图。
图8为门舌的结构图。
图9为压紧机构的结构图。
图10为记忆合金驱动组件的结构图。
图11(a)和图11(b)为电机驱动组件的结构图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
参见图1和图2，该探测器包括机壳、钽片、微通道板组件、闪烁体探测器、采集与控制模块和高压模块。微通道板(MCP)组件、闪烁体探测器、采集与控制模块和高压模块设于机壳内部，机壳四个侧壁安装钽片，机壳提供密封门及密封门开启机构。
下面对每一部分进行详细描述。
1、MCP组件
如图3所示，MCP组件由自上而下依次设置的输入窗、准直器、高压电极1、高压电极2、光电阴极、微通道板组、高压电极3、电荷收集阳极和高压地组成。输入窗、准直器和高压电极1叠放在一起，高压电极2、光电阴极、微通道板组和高压电极3叠放在一起，电荷收集阳极和高压地叠放在一起；高压电极1与高压电极2之间具有间距，高压电极3与电荷收集阳极之间具有间距。
一个探测器可以配备多路MCP组件，本实施例中假设一个探测器具有8路MCP组件，8组MCP组件阵列排布，从而实现了模块化设计，多个探测器可以同时使用，从而实现更大面积的探测。
输入窗。500～1000纳米的聚酰亚胺薄膜在正反面镀30～100纳米的铝膜形成微通道板组件的输入窗。其功能是屏蔽紫外、可见光以及空间带电粒子，同时使1～10keV软X射线能有效透过。金属铝(Al)膜可以有效的阻挡可见光及空间带电粒子，但是为确保软X射线波段的透过率，Al膜的厚度只有几十纳米，需要为其提供结构支撑。聚酰亚胺薄膜材料具有抗腐蚀、抗疲劳、耐高温、耐冲击、密度小、噪音低、使用寿命长等特点，适合作为金属滤光膜的结构支撑，同时聚酰亚胺薄膜材料还可以有效屏蔽紫外线。
准直器(MPO)。为减少空间X射线背景辐射的影响，需要在MCP组件中加装X射线准直器进行空间滤波，使MCP组件的探测视场角为2°×2°，使MCP组件只接收来自特定方向的X射线光子。传统的X射线准直器采用铅、钽、钨等材料制成，体积大、重量沉，不适合于小型化探测器设计要求。而微孔光学器件(MPO，Microporeoptics)，在实现对软X射线的聚焦和准直的同时，重量和体积会大幅度削减，可以替代传统的X射线准直器。本发明采用的MPO尺寸100mm×50mm×1.2mm，每个微孔的孔径比为60：1，该孔径比的选择可以确保探测器的视场角为2°×2°，同时可屏蔽脉冲星视线方向以外的空间X射线背景光子，提高探测信噪比及探测器的探测灵敏度。
光电阴极。X射线脉冲星的辐射能流强度非常低，为保证X射线探测器具有足够高的灵敏度，光电阴极必须具有非常高的量子效率。高量子效率的光电阴极可以提高探测效率，缩短探测积分时间。在1～10keV的软X射线波段，CsI是最合适的光电阴极材料，一是量子效率高；二是稳定性好，短时间暴露空气对量子效率的影响小。本发明镀的CsI厚度为2000～3000nm，使探测器对脉冲星辐射的1～10keV软X射线光子的计数探测效率最优。
微通道板组由2片微通道板(MCP)叠加组成，光电阴极贴于微通道板组的一侧，另一边接触空气。MCP是一种大面阵的微通道电子倍增器，具有很高的时间、空间分辨率。当带电粒子或高能光子撞击MCP的输入端通道内壁时就会产生次级电子；次级电子在高压电场的作用下沿着微通道加速前进，通过与通道内壁的多次反复碰撞实现电子雪崩，最后在MCP的输出端输出大量的电子。一块MCP的电子增益为104左右，而两块MCP的电子增益约为106～107。本发明采用的MCP尺寸为100mm×50mm×1.2mm，孔径为21微米，斜切角为6°。
电荷收集阳极。采用微带线结构实现电荷收集阳极。微带线是一种带状导线，与高压地之间使用电介质隔离，其另一面直接接触空气，高压地作为参考面。微带线的导线厚度、宽度和导线与地之间的距离以及电介质的介电常数决定了微带线的特性阻抗。本发明的电荷收集阳极板尺寸为100mm×50mm×1mm，电介质采用聚四氟乙烯，厚度为1mm，导带材料为铜，厚度为35um，宽度为100mil，导带间距为1.4mm，阻抗为50欧姆。
高压电极。如图3所示，MCP组件中共设计有3个高压电极，为电子的运动提供高压电场，3个高压电极均连接高压模块。其中：
高压电极1～3的所需高压值的绝对值逐级降低，设高压电极1所需高压值VO1＝-2400V，则高压电极2、3所需高压分别为7/8VO1＝-2100V、1/8VO1＝-300V。那么：
高压电极1与高压电极2之间的压差为300V，将输入至MCP端面，但未进入MCP通道的X射线光子产生的光电子重新压入MCP通道内，可使MCP的探测效率提高10～20％；
高压电极2与高压电极3之间的电压为1800V，提供两片级联MCP的工作电压，控制MCP对电子的增益大小、渡越时间及渡越时间弥散；
高压电极3与高压地的之间的电压为300V，提供MCP输出电子云团向收集阳极渡越的加速电压，此电压控制电子在该空间的渡越时间及渡越时间弥散；
4、闪烁体探测器
闪烁体探测器用于高能粒子探测，其置于MCP组件下方，或者如图1所示，从下方和四周包围MCP组件。本发明结合MCP探测信号和高能粒子探测结果实现反符合判定。闪烁体探测器主要由闪烁体、光导和光电倍增管组成。高能粒子进入闪烁体时由于光电效应、康普顿效应和电子对生效应产生次级电子使闪烁体原子或分子激发，发射出光子。利用光导将闪烁体发射的大部分光子收集到光电倍增管的光阴极上，光子被阴极吸收后由于光电效应发生出光电子，电子在光电倍增管中倍增，最后电子束在阳极负载上产生电压脉冲。
本发明使用塑料闪烁体，它是在基质中加入发光物质高温聚合而成的一种闪烁体，在照射条件下能发出荧光，可用于α、β、γ、快中子、质子、宇宙射线及裂变碎片等的强度探测。塑料闪烁体具有制作简单、价格低廉、易于加工成形；性能稳定，机械强度高，耐振动、耐冲击等优势。但需要避光保存以保持发光率稳定，不能在高温条件下使用，性能稳定工作温度范围为-25℃～50℃。光导将闪烁体发出的光有效的传递给光电倍增管的光电阴极，聚苯乙烯光导透明度好，且它的折射率与塑料闪烁体一致，可以使光在传输过程中损失最小。
5、采集与控制模块
采集与控制模块完成如下主要功能：
①对MCP组件的探测信号和闪烁体探测器的反符合探测信号进行采集和调理，调理包括比较、放大等；当反符合信号与MCP探测信号为同一时刻的信号，则认为该时刻的MCP探测信号为高能信号，并不是所需要的软X射线信号，将此信号丢掉不存储下传，从而实现抑制空间高能粒子噪声的目的；对于通过反符合判定的信号，获取其光子到达时间并存储；
②将卫星平台提供的一次+28V母线电压进行二次变换，转换出探测器内部所需的二次电源，包括+5V和+3.3V，同时将一次+28V母线电压经过继电器开关的控制后作为二次+28V母线电压提供给高压模块。
③完成高压模块的高压输出设置及遥测采集。其中，对高压输出设置包括高压模块输出最终电压值的设置，从初始值到达最终值的步进控制，还有高压模块主备份的切换。
④完成密封门开启供电及开启状态遥测；
⑤接收卫星平台的指令，并将探测器内部的遥测信息通过LVDS接口传输给卫星平台。
实际中，采集与控制模块使用2片FPGA配合周边电路实现，如图4所示，该采集与控制模块包括SRAM型的XilinxFPGA、反熔丝型的ActelFPGA、模拟量采集电路、高压输出设置电路、MCP探测信号调理采集电路、反符合探测信号调理采集电路、LVDS接口、电源变换模块和指令驱动切换电路；其中，
MCP探测信号调理采集电路，与MCP组件的电荷收集阳极相连，对MCP组件输出的MCP探测信号进行采集和调理后发送给XilinxFPGA。
反符合探测信号调理采集电路，与闪烁体探测器中的光电倍增管相连，对闪烁体探测器输出的反符合信号进行采集和调理后发送给XilinxFPGA。
模拟量采集电路，与高压模块连接，采集高压模块的输出状态，发送给XilinxFPGA。XilinxFPGA可以根据该输出状态判定高压模块是否输出正常、稳定。
高压输出设置电路，与高压模块连接，根据XilinxFPGA对高压模块的设定指令，对高压模块进行输出控制。
LVDS接口作为XilinxFPGA与外界的接口，XilinxFPGA通过LVDS接口向外部输出遥测数据，通过LVDS接口接收来自外部的遥控指令。
电源变换模块，用于将卫星平台提供的一次+28V母线电压进行二次变换，转换出采集与控制模块内部所需的二次电源，例如5V，3.3V提供给采集与控制模块的内部电路使用。
指令驱动切换电路，将卫星平台提供的一次+28V母线电压转换为密封门的开启电源，在来自XilinxFPGA的密封门供电指令的指导下，向密封门供电，且根据XilinxFPGA的高压模块供电指令，将一次+28V母线电压转为二次+28V母线电压向高压模块供电。其中，对高压模块和密封门的控制均是通过继电器实现的。
图5为指令驱动切换电路的电路图。如图所示，其包括指令驱动电路和指令切换电路。指令驱动电路与XilinxFPGA相连，根据来自XilinxFPGA的密封门供电指令和高压模块供电指令控制指令切换电路中的继电器。
指令切换电路中包含继电器1～5、两个DC/DC1、DC/DC2。卫星平台的一次+28V母线电压通过继电器1连接DC/DC1，DC/DC1通过继电器2连接记忆合金驱动组件。一次+28V母线电压进一步通过继电器3连接DC/DC2，DC/DC2通过继电器4连接电机驱动组件。一次+28V母线电压还通过继电器5转换为二次+28V母线电压继而连接高压模块。
采集与控制模块开启密封门的流程如下：
步骤1、首先采用记忆合金开启方式，采集与控制模块通过向指令驱动电路发送密封门供电指令，从而将继电器1闭合，通过遥测判断母线电压是否正常，为记忆合金驱动机构提供电源的DC/DC1是否输出+3.3V；遥测正常，进入步骤2；如果遥测异常，进入步骤3，采用电机开启方式，并将继电器1断开。
步骤2、将继电器2闭合，从而给记忆合金驱动组件供电，通过遥测判断密封门是否开启；如果遥测正常，判定密封门开启成功；如果遥测异常，进入步骤3，并将继电器2断开；其中，对密封门的状态遥测是通过与密封门中的传感器相连实现的。
步骤3、将继电器3闭合，通过遥测判断母线电压是否正常，为电机驱动组件提供电源的DC/DC2是否输出+3.3V；如果遥测正常，进入步骤4；如果遥测异常，判定密封门开启失败，探测器将无法工作。
步骤4、将继电器4闭合，给电机驱动组件供电，通过遥测判断密封门是否开启；如果遥测正常，判定密封门开启成功；如果遥测异常，判定密封门开启失败，探测器将无法工作。
采集与控制模块控制高压模块时：采集与控制模块通过向指令驱动电路发送高压模块供电指令从而将继电器5闭合，以实现高压模块的加电；通过高压输出设置电路设定高压模块的输出电压VO1和VO2，通过模拟量采集电路获得高压模块的输出状态。
XilinxFPGA实现MCP探测信号处理、探测信号反符合判定、高压模块高压输出设置和遥测采集、密封门开启控制和遥测采集、以及与卫星平台的数据交互。
反熔丝型的ActelFPGA实现对XilinxFPGA中寄存器的动态刷新，该寄存器中存储了XilinxFPGA的配置信息，从而应对空间粒子翻转。
6、高压模块
高压模块分为2种，即“高压模块1”和“高压模块2”，“高压模块1”将二次+28V母线电压转换成MCP组件中电子加速需要的高压；“高压模块2”将二次+28V母线电压转换成闪烁体探测器所需要的高压。
“高压模块1”的高压输出有VO1、7/8VO1、1/8VO1三个输出高压，分别施加给MCP组件中的三个高压电极。这个三个输出高压均为可调电压，其初始状态均为-100V,单步调节电压步进为-100V，最终状态VO1为-2400V，这样可以实现逐步启动。
“高压模块2”的高压输出Vo为可调电压，初始状态为100V,单步调节电压步进为100V，最终状态VO2为1000V。
给高压模块加电时，高压模块1和高压模块2均从初始状态开始，依据单步调节电压步进进行逐级加电，直到到达最终状态。
“高压模块1”和“高压模块2”的结构形式相同，如图6所示，“高压模块1”和“高压模块2”均包括主份和备份，形成双机冷备份，每路高压模块前均一对一设有熔断器，二次+28V母线电压分别通过一个熔断器接入高压模块1的主份和备份以及高压模块2的主份和备份，从而实现对高压模块的限流保护，当发生过流或短路故障时熔断器熔断，保证任何一路高压输出模块的故障都不会危及+28V母线。本实施例中，一个探测器具有8路MCP组件和1路闪烁体探测器，一个“高压模块1”的输出可以同时为4路MCP组件供电，每路高压输出均为双机冷备份，因此单个探测器需要4个“高压模块1”，最多有2个同时工作。“高压模块2”高压输出为1路闪烁体探测器供电，每路高压输出均为双机冷备份，因此需要2个高压“高压模块2”，最多有1个同时工作。
7、机壳
机壳是探测器的主体支撑部分，机壳内部的四个侧壁均安装有钽片，用来减少空间辐照对设备内部各器件的影响。机壳上设有密封门及其密封门开启机构。密封门开启机构具有记忆合金和电机两种开启方式，互为备份。探测器在地面存储时，密封门关闭，内部充氮气，压力在1.2个大气压左右，确保内部MCP组件不接触空气。探测器在轨工作时，采用记忆合金驱动组件或电机驱动组件将密封门打开，之后进行信号探测。探测器在完成密封门开启后，开启机构将不再使用。
图7(a)和图7(b)分别为机壳及其密封门开启机构前后两个方向的立体视图。如图所示，包括主体1、密封门2、压紧机构3、记忆合金驱动组件4、电机驱动组件5、充气阀6、泄压阀7。
其中，主体1为一面开口的立方盒体，MCP组件和闪烁体探测器上下叠放置于主体1中空腔体的上层，采集与控制模块和高压模块置于主体1中空腔体的下层。
密封门2置于MCP组件上方，密封门2的一侧通过门轴与主体1连接，门轴上设有扭簧，密封门2通过扭簧扭转开启。密封门2在主体1门轴对侧螺钉安装有门舌19，所述门舌19为带有凸起的立方体，像突出的舌头一样，如图8所示。密封门2与主体1的相对面上镶有密封圈，密封门2通过门舌19被压紧机构3紧压在主体1上，实现对主体1中空腔的密封。
压紧机构3包括压紧机构主体支撑18、压杆21和滑块22，如图9所示，其中，压紧机构主体支撑18固定在主体1上，压紧机构主体支撑18上设有转轴，压杆21一端固定于压紧机构主体支撑18的转轴上，另一端嵌入滑块22下部，压杆21以转轴为支点作为杠杆压紧门舌19，当滑块滑动时释放压杆，实现解锁。在转轴上设有扭簧20，压杆通过扭簧弹起并限制在一定的角度，不被弹出。
压紧机构3的一侧安装记忆合金驱动组件4，如图10所示，记忆合金驱动组件4包括记忆合金驱动组件外壳23、记忆合金簧25、拉杆24和电极26，其中，记忆合金驱动组件外壳23固定在主体1上，且内部具有导向槽26，拉杆24置于导向槽26中，拉杆24与压紧机构3的滑块22相连，记忆合金簧25为并紧的拉簧形式，记忆合金簧25通过连接件连接拉杆24，连接件用于将记忆合金簧25的表形转化为拉杆24的移动，记忆合金簧25的两端连接电极26，电极26连接采集与控制模块中的指令切换电路的继电器2。记忆合金簧25的变形带动拉杆24在导向槽26中滑动。基本原理为：通过电加热使得记忆合金簧形状恢复产生向后拉的拉力，进而通过拉杆24带动压紧机构3的滑块22滑动，对压紧机构进行解锁。
在压紧机构3的另一侧安放电机驱动组件5，如图11所示，电机驱动组件5包括电机27、电机驱动组件支撑主体28、传动连接29、驱动弹簧31、推杆30和挡块32。其中，电机驱动组件支撑主体28安装在主体1上，电机27和传动连接29安装在主体1中，电机27通过传动连接29控制挡块32动作，挡块32为一面开口的圆筒，推杆30一端穿过挡块32的开口与压紧机构3的滑块22相连，另一端将驱动弹簧31压在电机驱动组件支撑主体28内部，推杆30与驱动弹簧31和压紧机构3的滑块22相连。基本原理为：传动连接29在电机27转动带动下转动挡块32，进而释放驱动弹簧31，驱动弹簧31带动推杆30向前推，进而带动压紧机构3的滑块22活动，从而对压紧机构3进行解锁。
记忆合金驱动组件4采用“拉”的方式，而电机驱动组件5采用“推”的方式，两者可独立工作，互不影响，一种驱动方式失效时，可以启动另一种驱动方式；两种驱动方式也可同时启动，提供的驱动力为两者之和，用以应对机构解锁受阻的故障模式，提高机构解锁的可靠性。
主体1上设有充气阀6和泄压阀7，充气阀6和泄压阀7与主体1空腔连通。泄压阀7主要是在卫星发射阶段及在轨期间，通过外部大气压的降低，将探测器内部的氮气排除，保证在轨时，探测器内部的气压与外部的气压平衡。充气阀6用于氮气的充入。
本发明的探测器系统开始采集后，其工作模式有三种，分别是：正常采集模式、进入SAA区模式和休眠模式。
在正常采集模式下，高压模块按照VO1＝-2400V、VO2＝1000V输出高压，采集与控制模块采集探测信号并进行反符合判定和信号存储。
当卫星进入南大西洋辐射异常(SAA)区后，切换到进入SAA区模式，在此模式下，采集与控制模块暂停采集，并控制高压模块1输出的VO1幅值下降到-1000V。卫星离开SAA区后，采集与控制模块控制高压模块1输出的VO1幅值恢复到-2400V，并恢复到正常采集模式。
在正常采集模式下，采集与控制模块每完成一个周期的数据采集后，进入休眠模式；在该休眠模式下，采集与控制模块控制高压模块断电，卫星平台母线仅为探测器采集与控制模块供电，此时，只下传遥测数据和科学数据。其中，科学数据是指X射线光子信号，遥测数据是指反映探测器内部各功能是否正常的健康数据。在休眠模式下，不再响应进入SAA区模式。
本发明设计了进入SAA区模式，原因是：SAA区是南大西洋辐射较大的区域，在该区域内干扰较大，因此在通过该区域的时间内，探测器切换到进入SAA区模式，从而将高压模块输出电压降下来，但并不降到休眠电压，因为高压的升高和降低时逐级变化的，通过SAA区域的时间很短，如果直接降到休眠电压将会加长高压恢复时间，从而导致盲区的出现。而在SAA区将高压降低，但不切断，这样可以在脱离SAA区后以最快的速度恢复高压。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于微通道板的大面阵探测器系统，其特征在于，包括：机壳、钽片、微通道板MCP组件、闪烁体探测器、采集与控制模块和高压模块；MCP组件、闪烁体探测器、采集与控制模块和高压模块设于机壳内部，机壳四个侧壁安装钽片，机壳提供密封门及密封门开启机构；
MCP组件由自上而下依次放置的输入窗、准直器、第一高压电极、第二高压电极、光电阴极、MCP组、第三高压电极、电荷收集阳极和高压地组成；输入窗、准直器和第一高压电极叠放在一起，第二高压电极、光电阴极、MCP组和第三高压电极叠放在一起，电荷收集阳极和高压地叠放在一起；第一高压电极与第二高压电极之间具有间距，第三高压电极与电荷收集阳极之间具有间距；输入窗由500～1000纳米的聚酰亚胺薄膜在正反面镀30～100纳米的铝膜形成，准直器采用微孔光学器件，光电阴极采用CsI，MCP组由2片MCP叠放构成；电荷收集阳极采用微带线结构实现，与高压地之间使用电介质隔离；闪烁体探测器设于电荷收集阳极下方；
MCP组件和闪烁体探测器分别将采集的光子信号转换成电信号送入采集及控制模块；
采集与控制模块，用于综合控制，包括：①根据接收自MCP组件的MCP探测信号和接收自闪烁体探测器的反符合信号进行反符合判定，当反符合信号与MCP探测信号为同一时刻的信号，则认为该时刻的MCP探测信号为高能信号，丢弃；对于通过反符合判定的信号，获取其光子到达时间并存储；②将卫星平台提供的母线电压进行二次变换，变换出探测器系统内部所需的二次电源，同时将母线电压提供给高压模块；③完成高压模块的高压输出设置及遥测采集；④完成密封门开启供电及开启状态遥测；⑤接收卫星平台的指令，并将探测器系统内部的遥测信息传输给卫星平台；
高压模块，用于为MCP组件和闪烁体探测器提供高压电源；其中，向MCP组件中的第一高压电极、第二高压电极和第三高压电极提供的高压分别为VO1、7/8VO1、1/8VO1，VO1＝-2400V；向闪烁体探测器提供的高压VO2为1000V。
2.如权利要求1所述的探测器系统，其特征在于，所述密封门开启机构具有记忆合金驱动组件和电机驱动组件，实现记忆合金和电机两种开启方式，互为备份，机壳上设有泄压阀；探测器系统在地面存储时，密封门关闭，机壳内部充满氮气，压力在1.2个大气压；探测器系统在轨工作时，采用记忆合金驱动组件或电机驱动组件将密封门打开，之后进行信号探测。
3.如权利要求1所述的探测器系统，其特征在于，所述采集与控制模块包括SRAM型的XilinxFPGA、反熔丝型的ActelFPGA、模拟量采集电路、高压输出设置电路、MCP探测信号调理采集电路、反符合探测信号调理采集电路、LVDS接口、电源变换模块和指令驱动切换电路；其中，
MCP探测信号调理采集电路，与MCP组件的电荷收集阳极相连，对MCP组件输出的MCP探测信号进行采集和调理后发送给XilinxFPGA；
反符合探测信号调理采集电路，与闪烁体探测器相连，对闪烁体探测器输出的反符合信号进行采集和调理后发送给XilinxFPGA；
模拟量采集电路，与高压模块连接，采集高压模块的输出电压，发送给XilinxFPGA；
高压输出设置电路，与高压模块连接，根据XilinxFPGA对高压模块的设定指令，对高压模块进行输出控制；
LVDS接口作为XilinxFPGA与外界的接口，XilinxFPGA通过LVDS接口向外部输出遥测数据，通过LVDS接口接收来自外部的遥控指令；
电源变换模块，用于将卫星平台提供的+28V母线电压进行二次变换，转换出采集与控制模块内部所需的二次电源；
指令驱动切换电路，将卫星平台提供的+28V母线电压转换为密封门的开启电源，在来自XilinxFPGA的密封门供电指令的指导下，向密封门供电，且根据XilinxFPGA的高压模块供电指令，利用+28V母线电压向高压模块供电；
XilinxFPGA实现MCP探测信号处理、探测信号反符合判定、高压模块高压输出设置和遥测采集、密封门开启控制和遥测采集、以及与卫星平台的数据交互；
ActelFPGA实现对XilinxFPGA中寄存器的动态刷新，该寄存器中存储了XilinxFPGA的配置信息。
4.如权利要求3所述的探测器系统，其特征在于，所述指令驱动切换电路包括指令驱动电路和指令切换电路；指令驱动电路与XilinxFPGA相连，根据来自XilinxFPGA的密封门供电指令和高压模块供电指令控制指令切换电路中的继电器；
指令切换电路中包含五个继电器，第一DC/DC和第二DC/DC；卫星平台的母线电压通过第一继电器连接第一DC/DC，第一DC/DC通过第二继电器连接记忆合金驱动组件；+28V母线电压进一步通过第三继电器连接第二DC/DC，第二DC/DC通过第四继电器连接电机驱动组件；母线电压还通过第五继电器连接高压模块。
5.如权利要求1所述的探测器系统，其特征在于，所述高压模块包括第一高压模块和第二高压模块；
第一高压模块将母线电压转换成MCP组件中电子加速需要的高压，其高压输出有三个可调电压，三个可调电压的初始状态均为-100V，单步调节电压步进为-100V，最终状态分别为VO1、7/8VO1、1/8VO1，VO1＝-2400V；
第二高压模块将母线电压转换成闪烁体探测器所需要的高压，其高压输出为可调电压，初始状态为100V，单步调节电压步进为100V，最终状态VO2为1000V；
所述采集与控制模块给第一高压模块和第二高压模块时，均从各自的初始状态开始，依据单步调节电压步进进行逐级加电，直到到达各自的最终状态。
6.如权利要求5所述的探测器系统，其特征在于，第一高压模块和第二高压模块均包括主份和备份，形成双机冷备份，每路高压模块前均一对一设有熔断器，母线电压通过熔断器接入高压模块。
7.如权利要求1至6任意一项所述的探测器系统，其特征在于，当卫星平台进入南大西洋辐射异常区时，采集与控制模块控制所述VO1下降到-1000V；当卫星平台脱离南大西洋辐射异常区时，采集与控制模块控制所述VO1回复到-2400V。
8.如权利要求1所述的探测器系统，其特征在于，所述微孔光学器件的尺寸为100mm×50mm×1.2mm，每个微孔的孔径比为60：1；一块MCP尺寸为100mm×50mm×1.2mm，孔径为21微米，斜切角为6°；
电荷收集阳极板尺寸为100mm×50mm×1mm，电介质采用聚四氟乙烯，厚度为1mm，微带线材料为铜，厚度为35μm，宽度为100mil，带间距为1.4mm，阻抗为50欧姆；
CsI厚度为2000～3000纳米。
9.如权利要求1所述的探测器系统，其特征在于，闪烁体探测器由塑料闪烁体、聚苯乙烯光导和光电倍增管组成。
10.如权利要求1所述的探测器系统，其特征在于，一个探测器系统集成8组MCP组件，8组MCP组件按阵列排布。
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