CN103713309A - 一种高计数率的空间带电粒子探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明是涉及一种高计数率的空间带电粒子探测器，包括准直仪、探头上盖板、挡光片、第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器、探头外壳、探头外壳底板。将带电粒子在第一传感器中的沉积能量ΔE采用数字化前置放大电路转换为6位二进制代码；将带电粒子在第二传感器、第三传感器和第四传感器中的射程R采用数字化前置放大电路转化为3位二进制代码；查询表的行对应第一传感器中沉积的能量ΔE所对应的6位二进制代码；所述查询表的列对应第二传感器、第三传感器和第四传感器中的射程R所对应的3位二进制代码；送入探测器电子学存贮单元中的查询表进行匹配。通过匹配，即能获得进入所述探测器的空间带电粒子的能量E及该带电粒子的种类。
Description
技术领域
本发明属于空间带电粒子探测技术领域，具体涉及一种高计数率的空间带电粒子探测器。
背景技术
空间带电粒子是空间环境的重要组成部分之一，其对航天器的活动具有重要的影响作用，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。随着国民经济的发展，很多航天器（诸如导航卫星、通信卫星等）将运行在地球中高轨道，为社会生活的各个方面提供服务。
中高轨道空间带电粒子的特点是：带电粒子能量高、通量大，如能量为1.0MeV的电子，其通量可达9.4×105p/cm2·s。由于中高轨道位于地球外辐射带及其外部，因此，地球磁场对中高轨道的天然屏蔽作用比较弱，使得来自太阳和银河的高能粒子可到达中高轨道，导致中高轨道的带电粒子具有很大的通量，如1972年的太阳粒子事件中，10.0MeV质子的通量为6.3×107p/cm2·S,100.0MeV质子的通量为2.1×106p/cm2·s。通过探测中高轨道的带电粒子，一方面可获得带电粒子的能谱及分布，从而获得带电粒子的成分及各种带电粒子的能量和通量，为进一步了解和掌握空间辐射环境提供数据，具有重要的科学意义；另一方面，由于中高轨道空间的带电粒子与运行在该轨道的航天器相互作用而产生各种效应，会对航天器上的材料及器件造成影响，从而导致航天器材料或器件的性能衰退，严重影响了航天器的正常运行。因此，通过对中高轨道带电粒子的探测，可以评估中高轨带电粒子对航天器造成的危害，为航天器材料及器件的辐射防护提供参考和依据，具有重要的工程意义。
传统的采用能损-射程法（ΔE-R法）测量中高轨道带电粒子的方法，采用模拟电路处理带电粒子在探测器中产生的脉冲信号，从而获得带电粒子的射程信息，这制约了探测器电子学的响应速度和反应时间，使得这些探测器所能达到的计数率通常不超过105counts/s，所以，无法满足对中高轨道的带电粒子进行高计数率地探测。因此，如何提高中高轨道空间带电粒子探测器的计数率便是一个重要的研究内容。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，设计一种高计数率的空间带电粒子探测器，将探测器电路的响应速度从几十μs量级提高到几十ns量级，满足对中高轨道高通量带电粒子进行高计数率探测的需求。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种高计数率的空间带电粒子探测器，包括准直仪、探头上盖板、聚四氟乙烯环、挡光片、第一传感器、第二传感器、探头电接口、探头外壳、电缆、第三传感器、第四传感器、探头外壳底板、第一数字前置放大电路、第二数字前置放大电路、第三数字前置放大电路、第四数字前置放大电路、查询表、计数存储单元；
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轴向相垂直的探头电接口；
在所述查询表设置查询表的行和查询表的列；
其连接关系在于：所述探头外壳底板固定安装在所述探头外壳的底部；所述准直仪通过螺栓固定在所述探头上盖板上；所述探头上盖板通过螺栓固定安装在所述探头外壳的顶端；所述挡光片、第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器从上向下依次叠放在所述探头上盖板和所述探头外壳底板之间，所述第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器通过电缆连接至探头电接口处；所述第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器分别通过所述探头电接口中的连接点分别与第一数字前置放大电路、第二数字前置放大电路、第三数字前置放大电路、第四数字前置放大电路相连；将所述第一数字前置放大电路输出的信号输入至查询表的行，将所述第二数字前置放大电路、第三数字前置放大电路、第四数字前置放大电路输出的信号输入至查询表的列；通过与查询表的行和查询表的列比较后，将比较后的结果通过线缆送入计数存储单元存储；相邻的两个传感器之间采用环形聚四氟乙烯片固定。
所述挡光片为厚50μm的镀铝薄膜，直径为2cm。
所述第一传感器为厚100μm的圆形金硅面垒型探测器，直径为1cm。
所述第二传感器为厚300μm的圆形金硅面垒型探测器，直径为1cm。
所述第三传感器为厚500μm的圆形金硅面垒型探测器，直径为1cm。
所述第四传感器为厚500μm的圆形金硅面垒型探测器，直径为1cm。
本发明的优点和有益效果在于：
一、将带电粒子在所述的第一传感器中沉积的能量ΔE转换为6位二进制代码，将带电粒子在所述的第二传感器、第三传感器、第四传感器中的射程R转换为3位二进制代码，并将这些二级制代码送入在所述存贮器中存储的查询表进行匹配，从而获得入射带电粒子的能量E和种类。由于直接在前置放大电路中使用了数字化的前置放大技术，将带电粒子在传感器中沉积的能量和射程直接转换为数字信号进行处理，同时舍弃了后端电子学中的主放大电路和模数转换单元，从而简化了探测器的电子学系统，缩短了探测器电子学的响应时间和对信号的处理时间，提高了探测器的计数率，满足了对中高轨道高通量带电粒子进行高计数率探测的目的。
二、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。
三、由于所述第一传感器为厚100μm的圆形金硅面垒探测器，直径为1cm。第一传感器用于获得带电粒子通过第一传感器时在第一传感器中的能量，厚度不能太大时，能量较低的带电粒子将无法到达第二传感器；厚度太小时，带电粒子在其中沉积的能量太小，容易被噪声淹没，因此选择为50微米，其直径则根据目前金硅面垒探测器的制造工艺水平确定。
四、由于所述第二传感器为厚300μm的圆形金硅面垒探测器，直径为1cm。由于所述第三传感器为厚500μm的圆形金硅面垒探测器，直径为1cm。由于所述第四传感器为厚500μm的圆形金硅面垒探测器，直径为1cm。第二传感器，第三传感器和第四传感器均用于获得带电粒子的射程信息，因此需要有较大的厚度。根据金硅面垒探测器的制造工艺，500微米是最大的厚度。因此，第二传感器，第三传感器和第四传感器的最大厚度可达500微米。为了能有效阻止带电粒子，第二传感器，第三传感器和第四传感器的厚度也不能太薄，在300-500微米中选择都是合适的。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的流程图。
其中，1-准直仪；2-螺栓；3-探头上盖板；4-聚四氟乙烯环；5-挡光片；6-第一传感器；7-第二传感器，8-探头电接口，9-探头外壳，10-电缆，11-第三传感器，12-第四传感器，13-探头外壳底板；21-带电粒子的入射径迹；22-第一数字前置放大电路；23-第二数字前置放大电路；24-第三数字前置放大电路；25-第四数字前置放大电路；26-查询表的行；27-查询表的列；28-计数存储单元。
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：一种高计数率的空间带电粒子探测器，包括准直仪1、探头上盖板3、聚四氟乙烯环4、挡光片5、第一传感器6、第二传感器7、探头电接口8、探头外壳9、电缆10、第三传感器11、第四传感器12、探头外壳底板13、第一数字前置放大电路22、第二数字前置放大电路23、第三数字前置放大电路24、第四数字前置放大电路25、查询表、计数存储单元28；
其中，在所述探头上盖板3上开有中心孔；所述探头外壳9为圆筒形结构，在所述探头外壳9上开有与探头外壳轴向相垂直的探头电接口8；
在所述查询表设置查询表的行26和查询表的列27；
其连接关系在于：所述探头外壳底板13固定安装在所述探头外壳9的底部；所述准直仪1通过螺栓固定在所述探头上盖板上3；所述探头上盖板3通过螺栓固定安装在所述探头外壳9的顶端；所述挡光片5、第一传感器6、第二传感器7、第三传感器11、第四传感器12从上向下依次叠放在所述探头上盖板3和所述探头外壳底板13之间，所述第一传感器6、第二传感器7、第三传感器11、第四传感器12通过电缆10连接至探头电接口8处；所述第一传感器6、第二传感器7、第三传感器11、第四传感器12分别通过所述探头电接口8中的连接点分别与第一数字前置放大电路22、第二数字前置放大电路23、第三数字前置放大电路24、第四数字前置放大电路25相连；将所述第一数字前置放大电路22输出的信号输入至查询表的行26，将所述第二数字前置放大电路23、第三数字前置放大电路24、第四数字前置放大电路25输出的信号输入至查询表的列27；通过与查询表的行26和查询表的列27比较后，将比较后的结果通过线缆送入计数存储单元28存储；相邻的两个传感器之间采用环形聚四氟乙烯片4固定。
所述挡光片5为厚50μm的镀铝薄膜，直径为2cm。
所述第一传感器6为厚100μm的圆形金硅面垒型探测器，直径为1cm。
所述第二传感器7为厚300μm的圆形金硅面垒型探测器，直径为1cm。
所述第三传感器11为厚500μm的圆形金硅面垒型探测器，直径为1cm。
所述第四传感器12为厚500μm的圆形金硅面垒型探测器，直径为1cm。
其探测过程为：所述第一传感器6用于获取带电粒子在所述第一传感器6中沉积的能量ΔE，所述第一数字前置放大电路22将能量ΔE信号转化为6位的二进制代码并输出；所述第二传感器7、第三传感器11、第四传感器12用于获得带电粒子的射程R；
当带电粒子穿过或者停留在所述第二传感器7或所述第三传感器11或所述第四传感器12时，所述第二数字前置放大电路23、第三数字前置放大电路24、第四数字前置放大电路25输出数字信号“1”，否则输出数字信号“0”；所述第二数字前置放大电路23、第三数字前置放大电路24、第四数字前置放大电路25输出的数字信号依次排列，获得一个3位的二进制编码；
所述查询表的行26记录了每个带电粒子通过所述第一传感器6时沉积能量ΔE所对应的6位二进制代码；所述查询表的列27记录了每个带电粒子通过所述第二传感器7、第三传感器11和第四传感器12的射程R所对应的3位二进制代码；所述查询表的行26和查询表的列27将所得到的二进制编码通过线缆发送计数存储单元28存储。将实际进入所述探测器的带电粒子所产生的二进制代码与所述计数存储单元28匹配，即可获得所述入射带电粒子的能量E和种类。
所述第一数字前置放大电路22、第二数字前置放大电路23、第三数字前置放大电路24、第四数字前置放大电路25将数字信号放大后输入查询表的行26和查询表的列27。
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)
1.一种高计数率的空间带电粒子探测器，其特征在于：包括准直仪（1）、探头上盖板（3）、聚四氟乙烯环（4）、挡光片（5）、第一传感器（6）、第二传感器（7）、探头电接口（8）、探头外壳（9）、电缆（10）、第三传感器（11）、第四传感器（12）、探头外壳底板（13）、第一数字前置放大电路（22）、第二数字前置放大电路（23）、第三数字前置放大电路（24）、第四数字前置放大电路（25）、查询表、计数存储单元（28）；
其中，在所述探头上盖板（3）上开有中心孔；所述探头外壳（9）为圆筒形结构，在所述探头外壳（9）上开有与探头外壳轴向相垂直的探头电接口（8）；
在所述查询表设置查询表的行（26）和查询表的列（27）；
其连接关系在于：所述探头外壳底板（13）固定安装在所述探头外壳（9）的底部；所述准直仪（1）通过螺栓固定在所述探头上盖板上（3）；所述探头上盖板（3）通过螺栓固定安装在所述探头外壳（9）的顶端；所述挡光片（5）、第一传感器（6）、第二传感器（7）、第三传感器（11）、第四传感器（12）从上向下依次叠放在所述探头上盖板（3）和所述探头外壳底板（13）之间，所述第一传感器（6）、第二传感器（7）、第三传感器（11）、第四传感器（12）通过电缆（10）连接至探头电接口（8）处；所述第一传感器（6）、第二传感器（7）、第三传感器（11）、第四传感器（12）分别通过所述探头电接口（8）中的连接点分别与第一数字前置放大电路（22）、第二数字前置放大电路（23）、第三数字前置放大电路（24）、第四数字前置放大电路（25）相连；将所述第一数字前置放大电路（22）输出的信号输入至查询表的行（26），将所述第二数字前置放大电路（23）、第三数字前置放大电路（24）、第四数字前置放大电路（25）输出的信号输入至查询表的列（27）；通过与查询表的行（26）和查询表的列（27）比较后，将比较后的结果通过线缆送入计数存储单元（28）存储；相邻的两个传感器之间采用环形聚四氟乙烯片（4）固定。
2.根据权利要求1所述的一种高计数率的空间带电粒子探测器，其特征在于：所述挡光片（5）为厚50μm的镀铝薄膜，直径为2cm。
3.根据权利要求1或2所述的一种高计数率的空间带电粒子探测器，其特征在于：所述第一传感器（6）为厚100μm的圆形金硅面垒型探测器，直径为1cm。
4.根据权利要求1或2所述的一种高计数率的空间带电粒子探测器，其特征在于：所述第二传感器（7）为厚300μm的圆形金硅面垒型探测器，直径为1cm。
5.根据权利要求1或2所述的一种高计数率的空间带电粒子探测器，其特征在于：所述第三传感器（11）为厚500μm的圆形金硅面垒型探测器，直径为1cm。
6.根据权利要求1或2所述的一种高计数率的空间带电粒子探测器，其特征在于：所述第四传感器（12）为厚500μm的圆形金硅面垒型探测器，直径为1cm。
7.根据权利要求1或2所述的一种高计数率的空间带电粒子探测器，其特征在于：其探测过程为：所述第一传感器（6）用于获取带电粒子在所述第一传感器（6）中沉积的能量ΔE，所述第一数字前置放大电路（22）将能量ΔE信号转化为6位的二进制代码并输出；所述第二传感器（7）、第三传感器（11）、第四传感器（12）用于获得带电粒子的射程R；
当带电粒子穿过或者停留在所述第二传感器（7）或所述第三传感器（11）或所述第四传感器（12）时，所述第二数字前置放大电路（23）、第三数字前置放大电路（24）、第四数字前置放大电路（25）输出数字信号“1”，否则输出数字信号“0”；所述第二数字前置放大电路（23）、第三数字前置放大电路（24）、第四数字前置放大电路（25）输出的数字信号依次排列，获得一个3位的二进制编码；
所述查询表的行（26）记录了每个带电粒子通过所述第一传感器（6）时沉积能量ΔE所对应的6位二进制代码；所述查询表的列（27）记录了每个带电粒子通过所述第二传感器（7）、第三传感器（11）和第四传感器（12）的射程R所对应的3位二进制代码；所述查询表的行（26）和查询表的列（27）将所得到的二进制编码通过线缆发送计数存储单元（28）存储。
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