CN103698800B - 一种模块化的空间带电粒子探测器 - Google Patents

Abstract

本发明属于空间带电粒子技术领域，具体涉及一种模块化的空间带电粒子探测器。包括挡光片模块、探头上盖板、第一传感器模块、传感器间距调节器、反符合闪烁体、两个以上第二传感器模块、探头外壳、探头外壳底板、光电二极管；将探测器中的挡光片模块和各个传感器设计为一个个独立的模块，根据所探测带电粒子的能量范围，只需要适当增加或者减少传感器模块的数量，即能满足对不同能量范围带电粒子的探测需求。该探测器，满足对不同轨道、不同能量范围空间带电粒子探测的需要，为空间带电粒子探测器的规模化应用提供了可能。

Description

一种模块化的空间带电粒子探测器

技术领域

本发明属于空间带电粒子技术领域，具体涉及一种模块化的空间带电粒子探测器。

背景技术

带电粒子是空间环境的重要组成部分之一，自空间探测活动开始起，空间带电粒子就成为空间探测活动的重要内容之一。50年多来，人们发射了数百个航天器在太空的各个区域对带电粒子进行探测和研究。尽管如此，人类对空间带电粒子环境的认识仍然很有限，很多与空间带电粒子相关的空间环境科学问题尚待解决。因此，需要通过对空间带电粒子的探测，进一步了解空间带电粒子环境的特点及其变化，对了解和掌握空间环境具有重要的科学意义；另一方面，空间带电粒子对在轨运行的航天器带来严重的安全隐患，是影响航天器长寿命和高可靠性的主要因素之一。随着空间应用技术的发展，各种新工艺、新材料、新型器件以及新技术将广泛应用于各种航天器上，这对航天器的寿命和可靠性提出了更高的要求。这需要继续加强对空间带电粒子的探测，进一步了解空间带电粒子环境的特点和作用，评估其对航天器造成的影响，从而为航天器的设计、防护及在轨诊断提供参考和依据。因此，空间带电粒子探测又具有重要的工程意义。

随着国民经济的发展，各种航天器将为社会生活的各个方面提供服务。根据不同的用途，这些航天器将运行在不同的轨道。为了更好地保障这些航天器的在轨安全，需要对不同轨道的带电粒子进行探测，这需要大量的带电粒子探测器才能满足需求。

传统的带电粒子探测器，基本上都是针对某一特定的卫星或任务而研制，具有较长的研制周期和高昂的成本。因此，如果采用传统的模式，显然无法满足当前乃至将来空间带电粒子探测的需求。

近年来，面对日益增长的带电粒子探测器需求，国外开始尝试研制一些可应用于多颗卫星的带电粒子探测器，并得到了一些成功应用。而在国内，尚没有研制出可应用于多种卫星、多种轨道的带电粒子探测器。因此，研制一种模块化的空间带电粒子探测器显得很有必要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，设计一种模块化的空间带电粒子探测器，该探测器将挡光片模块和各个传感器设计为一个个独立的模块，形成模块化探测，根据实际应用的需求，适当增加或者减少传感器模块的数量，即能满足对不同轨道带电粒子探测的需求，从而节约了带电粒子探测器的研制周期和成本，满足了空间带电粒子探测器规模化的需求。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种模块化的空间带电粒子探测器，包括挡光片模块、探头上盖板、第一传感器模块、传感器间距调节器、反符合闪烁体、两个以上第二传感器模块、探头外壳、探头外壳底板、光电二极管；

其中，在所述探头上盖板上开有中心孔；所述探头外壳为圆筒形结构，在所述探头外壳上开有与探头外壳的轴向相垂直的探头电接口；所述反符合闪烁体为圆筒形结构；所述反符合闪烁体的外径小于所述探头外壳的内径；

所述挡光片模块包括挡光片和挡光片安装框架，在所述挡光片安装框架上开有带凸沿的通孔，所述挡光片安装在所述挡光片安装框架的凸沿上；

所述第一传感器模块包括第一传感器、吸收体a、电极a、电路板a和第一传感器安装框架，在所述第一传感器安装框架上开有带凸沿的通孔，在所述第一传感器安装框架的一侧开有凹槽，所述电路板a安装在所述第一传感器安装框架的凸沿上，所述吸收体a粘接在所述第一传感器的背面并与第一传感器一起安装在所述电路板a上，所述电极a安装在所述第一传感器安装框架的凹槽内并与第一传感器相连；

每个所述第二传感器模块包括第二传感器、吸收体b、电极b、电路板b和第二传感器安装框架，在所述第二传感器安装框架上开有带凸沿的通孔，在所述第二传感器安装框架的一侧开有凹槽，所述电路板b安装在所述第二传感器安装框架的凸沿上，所述吸收体b粘接在所述第二传感器的背面并与第二传感器一起安装在所述电路板b上，所述电极b安装在所述第二传感器安装框架的凹槽内并与第二传感器相连；

其连接关系在于：所述反符合闪烁体同轴套接在所述探头外壳的内部并通过螺柱固定，所述光电二极管固定安装在所述反符合闪烁体的外壁上，在所述光电二极管与所述探头外壳的内壁之间留有间隙，所述探头外壳底板固定安装在所述探头外壳的底部，所述探头上盖板固定安装在所述探头外壳的顶端，所述挡光片模块、第一传感器模块、传感器间距调节器、第二传感器模块从上向下分别通过其安装框架依次叠放在所述探头上盖板和所述探头外壳底板之间，所述挡光片模块、第一传感器模块、传感器间距调节器、第二传感器模块置于所述反符合闪烁体内并与所述反符合闪烁体内壁之间留有间隙。

还包括紧固垫片，所述紧固垫片安装在底端的所述第二传感器模块与所述探头外壳底板上端面之间。

所述光电二极管为两个，呈对称设置安装在所述反符合闪烁体的外壁上。

所述光电二极管与所述反符合闪烁体通过光耦合剂固定连接的。

所述挡光片为厚50μm的镀铝薄膜，直径为3cm。

所述第一传感器为厚150μm的圆形金硅面垒型探测器，直径为1cm。

所述挡光片模块、第一传感器模块、传感器间距调节器、第二传感器模块通过四根螺杆串接连接并分别由螺母紧固。

本发明的优点和有益效果在于：

一、将探测器中的挡光片和各个传感器设计为一个个独立的模块，根据所探测带电粒子的能量范围，只需要适当增加或者减少传感器模块的数量，即能满足对不同能量范围带电粒子的探测需求。该探测器，满足对不同轨道、不同能量范围空间带电粒子探测的需要，为空间带电粒子探测器的规模化应用提供了可能。与传统带电粒子探测器的设计及研制相比，这种方法可以缩短探测器的研制周期，从而节约了探测器的开发成本和时间，具有重要的实际意义。

二、由于还包括紧固垫片，所述紧固垫片安装在所述第二传感器模块与所述探头外壳底板上端面之间。可以很好的起到使挡光片模块、第一传感器模块、传感器间距调节器、第二传感器模块紧固安装在所述探头上盖板和探头外壳底板之间。

三、由于所述光电二极管为两个，呈对称设置安装在所述反符合闪烁体的外壁上。可以更加便于读取带电粒子产生的信号。

四、由于所述光电二极管与所述反符合闪烁体通过光耦合剂固定连接的。可以便于光电二极管的贴合同时又不会对光电二极管造成损坏。

五、由于所述挡光片为厚50μm的镀铝薄膜，直径为3cm。可以阻挡能量低于0.3MeV的电子，能量低于7.5MeV的质子。

六、由于所述挡光片模块、第一传感器模块、传感器间距调节器、第二传感器模块通过四根螺杆串接连接并分别由螺母紧固。可以便于挡光片模块、第一传感器模块、传感器间距调节器、第二传感器模块的准直安装。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为第二传感器模块的二维结构示意图。

其中，1-挡光片模块；2-探头上盖板；3-螺孔；4-第一传感器模块；5-传感器间距调节器；6-反符合闪烁体；7-第二传感器模块；8-探头外壳；9-螺杆；10-探头外壳底板；11-螺母；12-紧固垫片；13-探头电接口；14-光电二极管。21-通孔；22-第二传感器安装框架；23-凹槽；24-电极b；25-第二传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明具体实施的技术方案是：一种模块化的空间带电粒子探测器，包括挡光片模块1、探头上盖板2、第一传感器模块4、传感器间距调节器5、反符合闪烁体6、两个以上第二传感器模块7、探头外壳8、探头外壳底板10、光电二极管14；

其中，在所述探头上盖板2上开有中心孔；所述探头外壳8为圆筒形结构，在所述探头外壳8上开有与探头外壳8的轴向相垂直的探头电接口13；所述反符合闪烁体6为圆筒形结构；所述反符合闪烁体6的外径小于所述探头外壳8的内径；

所述挡光片模块1包括挡光片和挡光片安装框架，在所述挡光片安装框架上开有带凸沿的通孔，所述挡光片安装在所述挡光片安装框架的凸沿上；

所述第一传感器模块4包括第一传感器、吸收体a、电极a、电路板a和第一传感器安装框架，在所述第一传感器安装框架上开有带凸沿的通孔，在所述第一传感器安装框架的一侧开有凹槽，所述电路板a安装在所述第一传感器安装框架的凸沿上，所述吸收体a粘接在所述第一传感器的背面并与第一传感器一起安装在所述电路板a上，所述电极a安装在所述第一传感器安装框架的凹槽内并与第一传感器相连；

每个所述第二传感器模块7包括第二传感器25、吸收体b、电极b24、电路板b和第二传感器安装框架22，在所述第二传感器安装框架22上开有带凸沿的通孔，在所述第二传感器安装框架的一侧开有凹槽23，所述电路板b安装在所述第二传感器安装框架22的凸沿上，所述吸收体b粘接在所述第二传感器25的背面并与第二传感器25一起安装在所述电路板b上，所述电极b24安装在所述第二传感器安装框架22的凹槽23内并与第二传感器25相连；

其连接关系在于：所述反符合闪烁体6同轴套接在所述探头外壳8的内部并通过螺柱固定，所述光电二极管14固定安装在所述反符合闪烁体6的外壁上，在所述光电二极管14与所述探头外壳8的内壁之间留有间隙，所述探头外壳底板10固定安装在所述探头外壳8的底部，所述探头上盖板2固定安装在所述探头外壳8的顶端，所述挡光片模块1、第一传感器模块4、传感器间距调节器5、第二传感器模块7从上向下分别通过其安装框架依次叠放在所述探头上盖板2和所述探头外壳底板10之间，所述挡光片模块1、第一传感器模块4、传感器间距调节器5、第二传感器模块7置于所述反符合闪烁体6内并与所述反符合闪烁体6内壁之间留有间隙。

还包括紧固垫片12，所述紧固垫片12安装在底端的所述第二传感器模块7与所述探头外壳底板10上端面之间。

所述光电二极管14为两个，呈对称设置安装在所述反符合闪烁体6的外壁上。

所述光电二极管14与所述反符合闪烁体6通过光耦合剂固定连接的。

所述挡光片为厚50μm的镀铝薄膜，直径为3cm。

所述第一传感器为厚150μm的圆形金硅面垒型探测器，直径为1cm。

所述挡光片模块1、第一传感器模块4、传感器间距调节器5、第二传感器模块(7)通过四根螺杆9串接连接并分别由螺母11紧固。

所述探头上盖板2的内径2.0cm，外径8.0cm，厚1.0cm，材料为铜，其上面开有三组螺孔3，三组螺孔3的中心分别位于三个不同的同心圆上，每组包括四个螺孔，对称分布，相邻两个螺孔的夹角为90°。其中，最里面的一组螺孔，其中心所在圆的半径为3.0cm；中间的一组螺孔为通孔，其中心所在圆的半径为5.0cm；最外边的一组螺孔为通孔，其中心所在圆的半径为7.5cm。

所述挡光片安装框架的截面呈正方形，边长为4.0cm，厚1.0cm，其右侧开有凹槽，用于安装探测器的电接口。所述第一传感器与挡光片1的间距为0.5㎝，带电粒子在其中沉积的能量为ΔE。所述传感器间距调节器5是一块中空的长方体，其横截面尺寸和各个安装框架的尺寸保持一致，其具体高度则根据高能带电粒子望远镜的张角要求而确定。若要求高能带电粒子望远镜具有较大的张角时，则传感器间距调节器5的高度应该小一些；若要求高能带电粒子望远镜具有较小的张角时，则传感器间距调节器15的高度应该大一些；

如图2所示，所述第二传感器模块7包括第二传感器25、吸收体b、电极b24、电路板b和第二传感器安装框架22，在所述第二传感器安装框架22上开有带凸沿的通孔，在所述第二传感器安装框架的一侧开有凹槽23，所述电路板b安装在所述第二传感器安装框架22的凸沿上，所述吸收体b粘接在所述第二传感器25的背面并与第二传感器25一起安装在所述电路板b上，所述电极b24安装在所述第二传感器安装框架22的凹槽23内并与第二传感器25相连，用于传输信号；所述电路板上第二传感器周围是前置放大电路；所述吸收体a和吸收体b的材料为聚四氟乙烯，直径为1.0cm，厚度为0.02cm。

工作原理：

带电粒子穿过传感器材料时，与传感器材料相互作用而损失能量，所损失能量的大小与带电粒子的能量成反比，与传感器材料原子的原子序数成正比。如果传感器材料的厚度较大，则带电粒子在与传感器材料相互作用的过程中会损失全部能量而最终停止在传感器材料中。将带电粒子与传感器材料刚开始作用到带电粒子停止在传感器材料中所经过的路程定义为带电粒子在传感器材料中的射程。具有相同能量的不同种带电粒子，通过同一块传感器材料时，在传感器材料中的能损不同；不同能量的同种带电粒子，通过同一块传感器材料时，在传感器材料中的射程不同。因此，根据带电粒子在传感器材料中的能损和射程不同，即可鉴别各种不同的带电粒子，这便是本文中所述探测器的工作原理。

工作过程：挡光片用于阻挡探测能量范围下限外的带电粒子；第一传感器用于获得带电粒子在其中沉积的能量；传感器间距调节器用于调节第一传感器和第二传感器之间的距离，从而使探测器可具有不同的几何因子，以适应不同的探测轨道；第二传感器用于获得带电粒子在第二传感器中的射程信息。这样，根据能损-射程原理即可以探测带电粒子的能量并能对各种不同的带电粒子进行鉴别。

根据以上设计步骤和相关的参数，设计的空间高能带电粒子望远镜探头，在配合相应的信号处理电子学系统后，可探测空间0.7～10.0MeV的电子和15～300MeV的质子。如果需要探测的能量范围较小，则根据带电粒子在传感器材料中的射程，减少第二传感器模块个数；如果需要探测更大能量范围的带电粒子，只需增加第二传感器模块的个数即可。该探测器，满足对不同轨道、不同能量范围空间带电粒子进行探测的需要，为空间带电粒子探测器的规模化应用提供了可能。与传统带电粒子探测器的设计及研制相比，这种方法可以缩短探测器的研制周期，从而节约了探测器的开发成本和时间，具有重要的实际意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种模块化的空间带电粒子探测器，其特征在于：包括挡光片模块(1)、探头上盖板(2)、第一传感器模块(4)、传感器间距调节器(5)、反符合闪烁体(6)、两个以上第二传感器模块(7)、探头外壳(8)、探头外壳底板(10)、光电二极管(14)；

如果需要探测的能量范围较小，则根据带电粒子在传感器材料中的射程，减少第二传感器模块个数；如果需要探测更大能量范围的带电粒子，增加第二传感器模块的个数；

其中，在所述探头上盖板(2)上开有中心孔；所述探头外壳(8)为圆筒形结构，在所述探头外壳(8)上开有与探头外壳(8)的轴向相垂直的探头电接口(13)；所述反符合闪烁体(6)为圆筒形结构；所述反符合闪烁体(6)的外径小于所述探头外壳(8)的内径；

所述挡光片模块(1)包括挡光片和挡光片安装框架，在所述挡光片安装框架上开有带凸沿的通孔，所述挡光片安装在所述挡光片安装框架的凸沿上；所述挡光片安装框架的截面呈正方形，边长为4.0cm，厚为1.0cm，其右侧开有凹槽，用于安装探测器的电接口；所述第一传感器模块(4)与挡光片模块(1)的间距为0.5㎝，带电粒子在其中沉积的能量为ΔE；所述传感器间距调节器(5)是一块中空的长方体，其横截面尺寸和各个安装框架的尺寸保持一致，其具体高度则根据高能带电粒子望远镜的张角要求而确定；若要求高能带电粒子望远镜具有较大的张角时，则传感器间距调节器(5)的高度应该小一些；若要求高能带电粒子望远镜具有较小的张角时，则传感器间距调节器(5)的高度应该大一些；

所述第一传感器模块(4)包括第一传感器、吸收体a、电极a、电路板a和第一传感器安装框架，在所述第一传感器安装框架上开有带凸沿的通孔，在所述第一传感器安装框架的一侧开有凹槽，所述电路板a安装在所述第一传感器安装框架的凸沿上，所述吸收体a粘接在所述第一传感器的背面并与第一传感器一起安装在所述电路板a上，所述电极a安装在所述第一传感器安装框架的凹槽内并与第一传感器相连；

每个所述第二传感器模块(7)包括第二传感器、吸收体b、电极b、电路板b和第二传感器安装框架，在所述第二传感器安装框架上开有带凸沿的通孔，在所述第二传感器安装框架的一侧开有凹槽，所述电路板b安装在所述第二传感器安装框架的凸沿上，所述吸收体b粘接在所述第二传感器的背面并与第二传感器一起安装在所述电路板b上，所述电极b安装在所述第二传感器安装框架的凹槽内并与第二传感器相连；

其连接关系在于：所述反符合闪烁体(6)同轴套接在所述探头外壳(8)的内部并通过螺柱固定，所述光电二极管(14)固定安装在所述反符合闪烁体(6)的外壁上，在所述光电二极管(14)与所述探头外壳(8)的内壁之间留有间隙，所述探头外壳底板(10)固定安装在所述探头外壳(8)的底部，所述探头上盖板(2)固定安装在所述探头外壳(8)的顶端，所述挡光片模块(1)、第一传感器模块(4)、传感器间距调节器(5)、第二传感器模块(7)从上向下分别通过其安装框架依次叠放在所述探头上盖板(2)和所述探头外壳底板(10)之间，所述挡光片模块(1)、第一传感器模块(4)、传感器间距调节器(5)、第二传感器模块(7)置于所述反符合闪烁体(6)内并与所述反符合闪烁体(6)内壁之间留有间隙；

所述挡光片模块(1)用于阻挡探测能量范围下限外的带电粒子；第一传感器模块(4)用于获得带电粒子在其中沉积的能量；传感器间距调节器用于调节第一传感器模块(4)和第二传感器模块(7)之间的距离，从而使探测器具有不同的几何因子，以适应不同的探测轨道；第二传感器模块(7)用于获得带电粒子在第二传感器模块(7)中的射程信息，然后根据能损-射程原理以探测带电粒子的能量对各种不同的带电粒子进行鉴别。

2.根据权利要求1所述的一种模块化的空间带电粒子探测器，其特征在于：还包括紧固垫片(12)，所述紧固垫片(12)安装在底端的所述第二传感器模块(7)与所述探头外壳底板(10)上端面之间。

3.根据权利要求1所述的一种模块化的空间带电粒子探测器，其特征在于：所述光电二极管(14)为两个，呈对称设置安装在所述反符合闪烁体(6)的外壁上。

4.根据权利要求1所述的一种模块化的空间带电粒子探测器，其特征在于：所述光电二极管(14)与所述反符合闪烁体(6)通过光耦合剂固定连接。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种模块化的空间带电粒子探测器，其特征在于：所述挡光片为厚50μm的镀铝薄膜，直径为3cm。

6.根据权利要求1至4任意一项所述的一种模块化的空间带电粒子探测器，其特征在于：所述第一传感器为厚150μm的圆形金硅面垒型探测器，直径为1cm。

7.根据权利要求1至4任意一项所述的一种模块化的空间带电粒子探测器，其特征在于：所述挡光片模块(1)、第一传感器模块(4)、传感器间距调节器(5)、第二传感器模块(7)通过四根螺杆(9)串接连接并分别由螺母(11)紧固。