CN103852780B - 宽视场角高能谱分辨率太阳x射线探测器 - Google Patents

Abstract

本发明是宽视场角高能谱分辨率太阳X射线探测器，包括：太阳敏感器感知到太阳进入探测视场，峰保电路、脉冲高度分析器开启工作时序，太阳X射线通过准直器和光阑形成的探测视场进入硅漂移传感器，高能电子进入准直器在偏转磁铁的作用偏离入射方向；太阳X射线光子在硅漂移传感器内的电荷脉冲经前置放大器、脉冲成形单元和主放大器转换、成形放大为电压脉冲信号，峰保电路、脉冲高度分析器对电压脉冲信号进行幅度分析，并送到FPGA主控电路A机或B机，FPGA主控电路A机或B机同时接收来自高能电子及高能质子重离子接口电路的探测数据，对太阳X射线的能谱数据处理、储存和编码，通过编码遥测接口电路A机或B机、卫星电接口传输到卫星平台。

Description

宽视场角高能谱分辨率太阳X射线探测器

技术领域

本发明属于太阳耀斑监测与空间天文观测技术领域，特别是涉及能在地球静止轨道监测太阳耀斑等灾害性空间天气事件的宽视场角高能谱分辨率太阳X射线探测器。

背景技术

太阳X射线探测器是应用于地球静止轨道卫星监测太阳耀斑等灾害性空间天气活动的重要设备，也可以用于天文X射线天体探测。太阳X射线探测器根据太阳耀斑释放的X射线流量强度划分太阳耀斑活动的等级，对其产生的灾害性影响进行评估和预警；此外，由于地球静止轨道存在非常强的带电粒子辐射环境，因此，太阳X射线探测器需要具有极高的探测灵敏度、能谱分辨率水平和抗带电粒子辐射干扰能力。美国GOES卫星和印度GSAT2卫星均安装了太阳X射线探测器，这些探测器或者应用气体电离室技术，或者应用硅半导体传感器技术，对太阳耀斑X射线进行流量和能谱监测，能谱分辨率水平一般可达到500eV5.9keV。由于黄赤交角的影响，太阳光线的入射角对于卫星具有±23.5°的年变化，国外卫星通常安装了对日定向装置，辅助太阳X射线探测器跟踪太阳入射角变化，使得探测器本身不需要设计太大的视场角，避免过多的高能带电粒子入射造成干扰，比如GOES卫星和GSAT2卫星上的太阳X射线探测器视场角为±2°；国内卫星由于资源限制，目前尚未采用对日定向装置，太阳X射线探测器需要满足±30°探测视场的要求，以覆盖太阳入射角的年变化。

美国GOES卫星的太阳X射线探测器只有宽波段探测能力，不具备高能谱分辨率本领；而我国1997年至2006年发射的风云二号卫星搭载的太阳X射线探测器具有宽视场设计，可实现太阳入射角的自适应，但不具备高能带电粒子的磁偏转屏蔽能力，探测小级别太阳耀斑能力受到限制。

发明内容

为了解决公开技术方案存在不能同时实现太阳入射角变化的自适应、高能谱分辨率的X射线能谱探测、避免大量高能带电粒子辐射干扰影响的技术问题，本发明的目的是提供一种能实现太阳入射角变化的自适应、能实现高能谱分辨率的X射线能谱探测、能避免大量高能带电粒子辐射干扰影响的宽视场角高能谱分辨率太阳X射线探测器。

为实现上述目的，本发明提供一种宽视场角高能谱分辨率太阳X射线探测器，包括：卫星电接口为太阳X射线探测器提供直流工作电源，经内部电路产生偏置高电压形成硅漂移传感器(SiliconDriftDetector，以下简称SDD传感器)的工作电场，并且通过卫星电接口将太阳X射线探测器产生的探测数据传输到卫星平台；卫星每自旋一周，太阳X射线探测器完成一次日面扫描，太阳敏感器感知到太阳进入探测视场后，峰保电路、脉冲高度分析器开启工作时序，太阳耀斑爆发时，太阳X射线通过准直器和光阑形成的探测视场进入硅漂移传感器，而高能电子进入准直器后在偏转磁铁的作用下偏离入射方向，被带电粒子衰减片吸收；太阳X射线光子在硅漂移传感器内与硅半导体相互作用产生电荷脉冲，电荷脉冲经过前置放大器进行初级放大并转换为电压脉冲信号，再经脉冲形成单元进行滤波和成形，主放大器将脉冲信号进一步放大到能分析的幅度，由峰保电路、脉冲高度分析器对脉冲信号进行幅度分析，将分析结果送到FPGA主控电路A机或FPGA主控电路B机，FPGA主控电路A机或FPGA主控电路B机同时接收来自高能电子探测器接口电路、高能质子重离子探测器接口电路的探测数据，高能电子探测数据和高能质子重离子探测数据与太阳X射线的能谱数据一起进行数据处理、储存和编码，通过编码遥测接口电路A机或编码遥测接口电路B机传输到卫星平台。

优选实施例：在所述准直器和控制单元之间依次连接带电粒子衰减片、光阑和硅漂移传感器，其中：准直器接收限定入射角度的太阳X射线，用于输出准直太阳X射线；带电粒子衰减片，用于吸收被磁铁偏转的带电粒子；光阑，用于限定准直太阳X射线的光斑大小；硅漂移传感器，在外部工作电场的作用下，用于将衰减的准直太阳X射线光子转换为电荷信号并输出到电荷灵敏放大电路。

优选实施例：在所述前置放大器和脉冲高度分析器之间依次连接脉冲成形单元、主放大器和峰保电路；其中：前置放大器，用于对准直太阳X射线的电信号进行放大，并输出放大的准直太阳X射线的电信号；脉冲成形单元，用于将放大的准直太阳X射线的电信号生成太阳X射线脉冲信号；主放大器，用于输出放大的太阳X射线脉冲信号；峰保电路，用于保留所需脉冲高度的太阳X射线脉冲信号；脉冲高度分析器，将所需脉冲高度的太阳X射线脉冲信号生成太阳X射线能谱探测数据，用于分析太阳X射线脉冲信号的幅度，将脉冲幅度信息转换为能谱计数信息。

优选实施例：所述FPGA主控电路A机、FPGA主控电路B机的输入端分别与脉冲幅度分析器、编码遥测接口电路A机、编码遥测接口电路B机、高能电子探测器接口电路、高能质子重离子探测器接口电路、多路电压输出二次电源A机、多路电压输出二次电源B机和太阳敏感器电气连接；其中：FPGA主控电路A机或FPGA主控电路B机，太阳敏感器感知到太阳后，向脉冲幅度分析器发送启动工作时序，定时120ms后关闭启动工作时序；按照8.2秒的时间间隔定时采集高能电子探测器接口电路高能电子的探测数据；按照16.4秒的时间间隔定时采集高能质子重离子探测器接口电路的高能质子重离子探测数据；按照2.05秒时间间隔对接收到的脉冲幅度分析器产生的太阳X射线能谱探测数据进行数据压缩；对上述两路探测数据和压缩数据，按照固定格式进行编码，通过编码遥测接口电路A机或者FPGA主控电路B机，以及编码遥测接口电路B机或者FPGA主控电路A机，将编码后的数据传输到卫星电接口对应端口。

优选实施例：所述编码遥测接口电路A机是卫星电接口和FPGA主控电路A机之间的缓冲电路，编码遥测接口电路B机是卫星电接口和FPGA主控电路B机之间的缓冲电路，编码遥测接口电路A机或者编码遥测接口电路B机对卫星电接口输入的时序信号进行+10V到+5V电平转换后并输出到FPGA主控电路A机或者FPGA主控电路B机；同时，编码遥测接口电路A机或者编码遥测接口电路B机对FPGA主控电路A机或者FPGA主控电路B机输入的编码数据信号进行+5V到+10V电平转换后输出到卫星电接口。

优选实施例：所述多路电压输出二次电源A机与多路电压输出二次电源B机互为备份，多路电压输出二次电源A机为太阳X射线探测器电源管理模块，接收卫星电接口提供直流电源输入的+28V电压并进行DC/DC变换后变为+12V、-12V和+3.3V输出到二次电源切换单元；多路电压输出二次电源A机输出的+5.0V输送到FPGA主控电路A机，而多路电压输出二次电源B机输出的+5.0V输送到FPGA主控电路B机。

优选实施例：还包括二次电源切换单元的功能是在多路电压输出二次电源A机和多路电压输出二次电源B机产生的两组+12V、-12V和+3.3V直流电压之间实现互相切换。

优选实施例：由卫星电接口为二次电源切换单元提供“A机开遥控”和“B机开遥控”动作遥控指令，当“A机开遥控”信号高电平时，将+12V、-12V和+3.3V输出切换到+12VA、-12VA和+3.3VA；而当“B机开遥控”信号高电平时，将+12V、-12V和+3.3V输出切换到+12VB、-12VB和+3.3VB。

优选实施例：所述“A机开遥控”和“B机开遥控”为编码遥测接口电路A机和编码遥测接口电路B机分别提供来自卫星的编码遥测数据传输时序，同时将来自编码遥测接口电路A机和编码遥测接口电路B机的探测数据信号传送到卫星平台。

优选实施例：高能电子探测器接口电路与高能质子重离子探测器接口电路分别对应外部高能电子探测器和高能质子重离子探测器，高能电子探测器和高能质子重离子探测器和太阳X射线探测器共同组成空间环境监测分系统，太阳X射线探测器通过高能电子探测器接口电路与高能质子重离子探测器接口电路分别为对应高能电子探测器和高能质子重离子探测器提供工作电压和逻辑控制时序，并采集返回的探测数据。

本发明有益效果：本发明的宽视场角高能谱分辨率太阳X射线探测器可实现对太阳耀斑的高精度高能谱分辨率水平的监测，同时满足国内卫星安装条件的应用需求。本发明产品的发明点有三个方面：1)采用宽视场设计方案，实现太阳入射角变化的自适应；2)基于硅漂移传感器技术，实现高能谱分辨率的X射线能谱探测；3)采用带电粒子偏转装置，避免大量高能带电粒子辐射干扰的影响。该装置区别国际上其它装置的不同点在于宽视场角设计和高能谱分辨率的实现上，对于太阳耀斑监测而言，此发明点能够极大降低探测设备对卫星系统的资源和安装条件要求，实现太阳耀斑X射线暴的精确流量监测和能谱探测。

新型的具有宽视场适应性、能谱分辨能力高、抗带电粒子强辐射干扰能力强的太阳X射线探测器，主要应用在太阳耀斑监测和空间天文观测领域，具有高能谱分辨率、长寿命、高可靠性、高稳定性、抗辐照能力强等特点。可探测1.0keV～50keV的X射线，实现能谱分辨率优于185eV5.9keV，抗高能电子干扰能力可达2MeV。太阳X射线探测器包括准直器、带电粒子偏转装置、硅漂移传感器(SiliconDriftDetector，SDD)、信号放大电路、FPGA逻辑控制单元等几个部分。硅漂移传感器及其信号放大电路用于探测太阳X射线光子，是探测器的核心部分；准直器和带电粒子偏转装置用于屏蔽杂散光和空间环境高能带电粒子对传感器的干扰；FPGA逻辑控制单元用于探测数据采集和处理、传输。具有宽视场适应能力、基于硅漂移传感器实现高能谱分辨率的X射线探测以及对极大通量的高能带电粒子屏蔽技术是该发明的重点。

本发明通过技术创新可同时具备高能谱分辨率、宽探测视场和带电粒子磁偏转屏蔽能力，实现了在不需要对日定向辅助装置的条件下，获得良好的太阳耀斑监测能力。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，文中结合了以下附图详细说明：

图1为本发明宽视场角高能谱分辨率太阳X射线探测器原理设计图；

图2a为本发明分立子视场和准直器内部结构示意图；

图2b是图2a的剖视图；

图2c为本发明准直器形成的分立子视场中轴线在东西方向的偏置角度；

图2d为本发明准直器形成的分立子视场中轴线在南北方向的偏置角度；

图3a为本发明宽视场角高能谱分辨率太阳X射线探测器的准直器安装主视图；

图3b是图3a的左视图；

图4a为本发明环形偏转磁铁在准直器内嵌的位置关系；

图4b为图4a中单个磁铁的磁场强度及方向；

图5为本发明主工作流程图；

图6为图5中的太阳X射线探测电路工作流程图；

图7为图5中的数据传输电路工作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1示出本发明宽视场角高能谱分辨率太阳X射线探测器22的原理设计，图中包括准直器1、带电粒子衰减片2、光阑3、硅漂移传感器4、控制单元5、前置放大器6、脉冲形成单元7、主放大器8、峰保电路9、脉冲幅度分析电路10、FPGA主控电路A机11、编码遥测接口电路A机12、高能电子探测器接口电路13、高能质子重离子探测器接口电路14、FPGA主控电路B机15、编码遥测接口电路B机16、多路电压输出二次电源A机17、多路电压输出二次电源B机18、二次电源切换单元19、卫星电接口20和太阳敏感器21；下面介绍具体实施方案如下：

(1)宽视场设计。

卫星自旋稳定方式，如图2a和图2b示出本发明分立子视场和准直器内部结构包括准直器1、带电粒子衰减片2、光阑3，太阳X射线探测器的准直器1中设置了3个通光孔，形成3个分立的子视场组成一个20°×60°的大视场，沿卫星旋转方向(定义为东西向)覆盖20°对日扫描视场，沿卫星自旋轴方向(定义为南北方向)覆盖60°视场，以适应太阳入射角每年±23.5°的方位变化。每个子视场为圆形，视场角在东西向±10°，南北向为±11.5°。准直器1通光孔内嵌偏转磁铁，磁铁为环形结构，如图4a所示。并列排放的环形磁铁外边沿相互接触，因此准直器1的3个通光孔除了在南北方向维持-20°、0°、+20°的偏置角以保证适应太阳入射角的年变化之外，在东西方向设置两组偏置角，南、中、北3孔形成错落结构，避免太阳入射角相邻两个通光孔之间过渡时，两个相邻的环形磁铁之间的结构部分造成遮挡，如图2c本发明准直器形成的分立子视场中轴线在东西方向的偏置角度，其中，南、北孔西向偏置12.6°，中孔向东偏置24.1°。

(2)高能谱分辨率的实现。

X射线的高能谱分辨率探测通过硅漂移传感器4实现，可探测的X射线能量范围为1keV～50keV，能谱分辨率本领优于200eV5.9keV。硅漂移传感器4是在硅半导体上形成PN结结构，然后在探测灵敏区域形成稳定的梯度电场，X射线光子入射硅漂移传感器4产生数量上与光子能量相应的电荷脉冲，电荷信号沿着梯度电场运动到硅漂移传感器4的收集电极，收集的电荷脉冲信号通过前置放大器5进行探测信号收集和放大，在后续脉冲幅度分析器10中进行能谱分析。通过稳定的梯度电场收集电荷脉冲信号是实现高能谱分辨率的X射线探测的关键技术，与普通的均匀单一电场收集电荷的硅半导体传感器存在显著区别。

(3)带电粒子偏转屏蔽的实现。通过嵌套于准直器1通光孔内部的环形磁铁进行带电粒子偏转，磁铁内部场强为2000～3000高斯，磁铁与硅漂移传感器4距离为45mm，单个磁铁的磁场强度及方向如附图4b所示，保证带电粒子往准直器1的探测视场外围方向的偏转运动。

如图1示出本发明宽视场角高能谱分辨率太阳X射线探测器原理设计，图1中卫星电接口20为太阳X射线探测器提供+28V直流工作电源，经内部电路产生偏置高电压形成硅漂移传感器4的工作电场，并且通过该卫星电接口20将太阳X射线探测器22产生的探测数据传输到卫星平台；卫星每自旋一周，太阳X射线探测器22完成一次日面扫描，太阳敏感器21感知到太阳进入探测视场后，峰保电路9、脉冲高度分析器10开启工作时序，太阳耀斑爆发时，太阳X射线通过准直器1和光阑3形成的探测视场进入硅漂移传感器4，而高能电子进入准直器1后在偏转磁铁的作用下偏离入射方向，被带电粒子衰减片2吸收；太阳X射线光子在硅漂移传感器4内与硅半导体相互作用产生电荷脉冲，电荷脉冲经过前置放大器6进行初级放大并转换为电压脉冲信号，再经脉冲形成单元7进行滤波和成形，主放大器8将脉冲信号进一步放大到可分析幅度，由峰保电路9、脉冲高度分析器10对脉冲信号进行幅度分析，将分析结果送到FPGA主控电路A机11或FPGA主控电路B机15，FPGA主控电路A机11或FPGA主控电路B机15同时接收来自高能电子探测器接口电路13、高能质子重离子探测器接口电路14的探测数据，与太阳X射线的能谱数据一起进行数据处理、储存和编码，通过编码遥测接口电路A机12或编码遥测接口电路B机16传输到卫星平台。

在准直器1和控制单元5之间依次连接带电粒子衰减片2、光阑3和硅漂移传感器4，准直器1接收太阳X射线，用于输出准直太阳X射线；带电粒子衰减片2接收准直太阳X射线，用于输出衰减的准直太阳X射线；光阑3，用于输出衰减的准直太阳X射线，硅漂移传感器4，在控制单元5的控制下，用于将衰减的准直太阳X射线转换并输出准直太阳X射线的电信号；

在前置放大器6和脉冲高度分析器10之间依次连接脉冲形成单元7、主放大器8、峰保电路9；前置放大器6，用于对准直太阳X射线的电信号进行放大，并输出放大的准直太阳X射线的电信号；脉冲形成单元7，用于将放大的准直太阳X射线的电信号生成太阳X射线脉冲信号；主放大器8，用于输出放大的太阳X射线脉冲信号；峰保电路9，用于保留所需脉冲高度的太阳X射线脉冲信号；脉冲高度分析器10，用于分析太阳X射线脉冲信号的幅度，将脉冲幅度信息转换为能谱计数信息。

FPGA主控电路A机11为太阳X射线探测器的主要逻辑控制部件，FPGA主控电路A机11与FPGA主控电路B机15互为备份，有6个信号输入端和2个信号输出端，信号输入端的内容为脉冲幅度分析器10产生的太阳X射线能谱探测数据输入、太阳敏感器21信号输入、高能电子探测器接口电路13的探测数据输入、高能质子重离子探测器接口电路14的探测数据输入、编码遥测接口电路A机12的时序输入或FPGA主控电路B机15对应为编码遥测接口电路B机16的时序输入、多路电压输出二次电源A机17的+5.0V工作电压输入或FPGA主控电路B机15对应为多路电压输出二次电源B机18的+5.0V工作电压输入；信号输出端的内容为对脉冲幅度分析器10的控制逻辑时序输出、对编码遥测接口电路A机12的编码数据输出或FPGA主控电路B机15对应为对编码遥测接口电路B机16的编码数据输出，FPGA主控电路A机11或FPGA主控电路B机15的信号处理流程为：多路电压输出二次电源A机17提供+5.0V工作电压输入或FPGA主控电路B机15对应为多路电压输出二次电源B机18提供+5.0V工作电压输入，获得太阳敏感器21的信号输入后，对脉冲幅度分析器10发送启动工作时序，定时120ms后该时序关闭，按照8.2秒的时间间隔定时采集高能电子探测器接口电路13的探测数据，按照16.4秒的时间间隔定时采集高能质子重离子探测器接口电路14的探测数据，脉冲幅度分析器10产生的太阳X射线能谱探测数据输入后按照2.05秒时间间隔进行数据压缩，3路探测数据按照固定格式进行编码，通过编码遥测接口电路A机12(或者FPGA主控电路B机15)将编码后的数据传输到卫星电接口20对应端口。

编码遥测接口电路A机12或者编码遥测接口电路B机16是卫星电接口20和FPGA主控电路A机11或者FPGA主控电路B机15之间的缓冲电路，从卫星电接口20输入的时序信号经编码遥测接口电路A机12或者编码遥测接口电路B机16进行+10V到+5V电平转换后，输出到FPGA主控电路A机11或者FPGA主控电路B机15；同时，从FPGA主控电路A机11或者FPGA主控电路B机15输入的编码数据信号经过编码遥测接口电路A机12或者编码遥测接口电路B机16进行+5V到+10V电平转换后输出到卫星电接口20。

多路电压输出二次电源A机17为太阳X射线探测器电源管理模块，与多路电压输出二次电源B机18互为备份，由卫星电接口20提供+28V直流电源输入，进行DC/DC变换后变为+12V、-12V和+3.3V输出到二次电源切换单元19；多路电压输出二次电源A机17输出的+5.0V输送到FPGA主控电路A机11，而多路电压输出二次电源B机18输出的+5.0V输送到FPGA主控电路B机15。

二次电源切换单元19的功能是在多路电压输出二次电源A机17和多路电压输出二次电源B机18产生的两组+12V、-12V和+3.3V直流电压之间实现互相切换。由卫星电接口20输入的“A机开遥控”信号高电平时，+12V、-12V和+3.3V输出切换到+12VA、-12VA和+3.3VA；而“B机开遥控”信号高电平时，+12V、-12V和+3.3V输出切换到+12VB、-12VB和+3.3VB。

卫星电接口20提供太阳X射线探测器和卫星平台的全部电连接关系，包括对多路电压输出二次电源A机17和多路电压输出二次电源B机18分别提供+28V直流电压，为二次电源切换单元19提供动作遥控指令“A机开遥控”和“B机开遥控”，为编码遥测接口电路A机12和编码遥测接口电路B机16分别提供来自卫星的编码遥测数据传输时序，同时将来自编码遥测接口电路A机12和编码遥测接口电路B机16的探测数据信号传送到卫星平台。

高能电子探测器接口电路13与高能质子重离子探测器接口电路14分别对应外部的两台单机：高能电子探测器和高能质子重离子探测器，它们和太阳X射线探测器共同组成空间环境监测分系统，太阳X射线探测器通过该接口电路分别为对应单机提供工作电压和逻辑控制时序，并采集返回的探测数据。

准直器1中含有磁铁，磁铁位于准直器1的通光孔内侧，在带电粒子衰减片2之前，空间环境中的电子、质子成分进入准直器1的通光孔后，在磁铁形成的磁场内发生偏转，偏离对硅漂移传感器4的入射方向。

如图2a为本发明分立子视场和准直器的结构示意图，图2b是图2a的剖视图，3个通光孔相对于准直器的整体几何中心对称分布，各通光孔的中心线与光阑3的中心相交。

图2c为本发明分立子视场和准直器1的3个通光孔中心线在东西方向平行平面的投影，中孔中心线与南北平面的夹角为24.1°，南孔、北孔中心线与南北平面的夹角为12.6°。图2d为本发明分立子视场和准直器的3个通光孔中心线在南北方向平行平面的投影，中孔中心线与东西平面的夹角为0°，南孔中心线与东西平面的夹角为-20°，北孔中心线与东西平面的夹角为+20°。

如图3a示出本发明宽视场角高能谱分辨率太阳X射线探测器的结构主视图；图3b是图3a的左视图，其中示出了准直器1，太阳敏感器21，太阳X射线探测器的前面板22。准直器1的整体几何中心、北孔端面中心、南孔端面中心、中孔端面中心在太阳X射线探测器的前面板22的投影分别为o、a、b、c，准直器1在太阳X射线探测器的前面板22的安装有严格的方向要求，准直器1整体几何中心与硅漂移传感器4中心连线垂直前面板，oc连线指向东西方向，ab连线指向南北方向。太阳敏感器21垂直安装于太阳X射线探测器的前面板22上。图3a和图3b中的太阳X射线探测器底面安装板及安装凸耳25的横向最大宽度尺寸为200mm，底面安装板25到高能电子探测器接口电路13、高能质子重离子探测器接口电路14和卫星电接口20的最高尺寸为177mm，底面安装板25到上盖板23的尺寸为167mm，底面安装板25到前凸部上盖板24的尺寸为107mm；准直器1的中心距离底面安装板25的垂直距离为55mm，距离左面板26的距离为52mm；太阳敏感器21的中心距离底面安装板25的垂直距离为55mm，距离左面板26的距离为142mm；左面板26和右面板27的水平距离为181mm。

图4a为本发明环形偏转磁铁的3个内嵌磁铁位置关系示意图，3个磁铁相对于准直器的几何中心对称分布，各自独立地完全嵌套于准直器3个通光孔内侧。磁铁内B标识的箭头指向即为各磁铁的磁场安装方向。

图4b为图4a中单个磁铁的磁场强度及方向示意图，3个磁铁的结构和磁场强度、磁场方向均一致，磁场强度为2000高斯～3000高斯，磁场方向为图中线段的指向。

本发明宽视场角高能谱分辨率太阳X射线探测器的工作过程由两个部分功能配合执行完成：第一部分是探测工作电路，包括：准直器1、带电粒子衰减片2、光阑3、硅漂移传感器4、控制单元5、前置放大器6、脉冲形成单元7、主放大器8、峰保电路9、脉冲幅度分析电路10、FPGA主控电路A机11、FPGA主控电路B机15、多路电压输出二次电源A机17、多路电压输出二次电源B机18、二次电源切换单元19和太阳敏感器21。由硅漂移传感器4完成光子能量到电荷信号转换，经前置放大器6、脉冲形成单元7、主放大器8、峰保电路9处理后送到脉冲幅度分析电路10和FPGA主控电路A机11或FPGA主控电路B机15进行分析处理；太阳敏感器21以及FPGA主控电路A机11或FPGA主控电路B机15组成探测功能控制信号，由于卫星为自旋稳定工作模式，卫星每旋转一周，太阳敏感器21和准直器1对日面扫描一次，扫描时间的开启由太阳敏感器21的感应信号控制，相对硅漂移传感器4的主光轴方向为±36°，太阳光从硅漂移传感器4主光轴36°边沿进入探测视场后，太阳X射线探测器22的脉冲幅度分析电路10开始工作，维持120毫秒后关闭，直到下一次卫星自旋进入日面扫描位置。第二部分是数据传输工作电路，包括：编码遥测接口电路A机12、编码遥测接口电路B机16、高能电子探测器接口电路13、高能质子重离子探测器接口电路14和卫星电接口20、FPGA主控电路A机11、FPGA主控电路B机15，负责前述探测工作电路的数据采集和处理，并且将数据通过卫星电接口20向卫星平台进行传输。

所述太阳X射线光子信号探测电路是该设备的核心电路，可完成太阳X射线光子计数和能谱分析。太阳X射线探测器22随卫星发射升空后，在轨上电启动即可自主工作，其工作步骤如下：

如图5示出本发明如图1所示全部组件构成的太阳X射线探测器整机的主工作流程图，图1中的准直器1、带电粒子衰减片2、光阑3、硅漂移传感器4、控制单元5、前置放大器6、脉冲形成单元7、主放大器8、峰保电路9、脉冲幅度分析电路10、FPGA主控电路A机11、FPGA主控电路B机15、多路电压输出二次电源A机17、多路电压输出二次电源B机18、二次电源切换单元19和太阳敏感器21组成探测电路；编码遥测接口电路A机12、编码遥测接口电路B机16、高能电子探测器接口电路13、高能质子重离子探测器接口电路14和卫星电接口20、FPGA主控电路A机11、FPGA主控电路B机15组成数据传输工作电路，上电启动后FPGA主控电路A机11或FPGA主控电路B机15复位，对FPGA主控电路A机11或FPGA主控电路B机15中的探测通道数据储存器和控制寄存器初始化，硅漂移传感器4高压电路工作，硅漂移传感器4内置固体制冷器开始工作，硅漂移传感器4进入工作状态。

如图6是图5所示的“探测电路”功能步骤为：

步骤S21：太阳X射线探测器22启动正常后，根据来自卫星电接口20的卫星编码遥测时序和FPGA主控电路A机11或FPGA主控电路B机15中的内部晶振产生的时钟信号共同组成控制时序，产生2.05秒的固定探测通道计数和数据传输周期；

步骤S22：检测每个2.05秒探测子周期的新周期起始时刻，如果是新周期起始时刻，则执行步骤步骤S23；如果不是新周期起始时刻，则执行步骤步骤S28；

步骤S23：每个探测子周期起始时刻到达时，FPGA主控电路A机11或FPGA主控电路B机15的逻辑处理电路将256子能道的数据合并到两个探测主能道，即为256子能道合并到能道一、能道二和6个精细能道；

步骤S24：然后对探测主能道即为能道一、能道二和精细能道数据进行计数压缩；

步骤S25：压缩后的探测主能道和精细能道数据转移到FPGA主控电路A机11或FPGA主控电路B机15中的数据传输寄存器，然后将FPGA主控电路A机11或FPGA主控电路B机15中的全部探测能道计数寄存器清零。

步骤S26：启动太阳视场，输入启动信号；

步骤S27：对日扫描与背景扣除视场范围，发出视场控制信号；

步骤S28：按照视场控制信号进入太阳X射线探测和能谱分析模式，卫星自旋一周，完成一次日面扫描，太阳敏感器21感知太阳进入探测视场后开启太阳X射线脉冲幅度分析电路10，进行能谱分析并形成探测通道计数，计数结果在FPGA主控电路A机11或FPGA主控电路B机15中的探测通道储存器累加，维持120ms后脉冲幅度分析电路10停止工作，累计日面扫描时间储存于FPGA主控电路A机11或FPGA主控电路B机15中的特定寄存器；太阳X射线探测器背对太阳时，脉冲幅度分析电路再次开启并维持90毫秒，探测能道对此期间出现的计数值进行背景干扰扣减。

步骤S29：利用主放大器8脉冲信号对脉冲信号上升沿检测；

步骤S30：起动脉冲幅度分析；

步骤S31：利用根据太阳敏感器20信号判断是否为视场工作模式，如果是，太阳进入探测视场，启动累加算法，则执行步骤S32；如果否，太阳移出探测视场，启动减算法，则执行步骤S33；

步骤S32：对日扫描能道进行计数；

步骤S33：对背景计数；

步骤S34：更新FPGA主控电路A机11或FPGA主控电路B机15中的能道计数寄存器，峰保电路9清零。

上电初始化完成后，数据传输与太阳X射线探测功能并行工作，如图7示出本发明如图5所示的“数据传输工作电路”流程图。

步骤S1-步骤S3：根据卫星编码遥测接口时序，在清零信号RFT上升沿到来时，完成内部电路初始化，32路副交换子数据指针复位；

步骤S4：卫星编码遥测数据准备好，等待门控信号GT高电平到来；

步骤S40：判断GT信号高电平是否成立，如是，执行步骤S41，如否，执行步骤S5。

步骤S41：在码同步MTT上升沿发送串码数据到ST端口；

步骤S42：判断16比特数据是否完成发送，如果完成发送，执行步骤S5；如果没有完成发送，执行步骤S43；

步骤S43：串码比特指针加1后返回步骤S40；

步骤S5：等待GT信号下降沿到来；

步骤S6：GT低电平时串码比特数据指针复位，等待下一次数据传输；

步骤S60：判断32路副交换子指针是否计满，如果32路副交换子指针计满，执行S61；如果没有32路副交换子指针计满，执行步骤S62，返回步骤S4；

步骤S61：对32路副交换子指针COUNT清零；

步骤S62：对32路副交换子指针加1，并返回步骤S4。

宽视场角高能谱分辨率太阳X射线探测器的发明点在于：

(1)宽视场设计可适应太阳入射角每年±23.5°的方位变化。每个子视场为圆形或方形，视场角在东西向±10°，南北向±11.5°。

(2)X射线的高能谱分辨率探测通过硅漂移传感器实现，可探测的X射线能量范围为1keV～50keV，能谱分辨率本领优于200eV5.9keV。

(3)通过嵌套于准直器子视场结构内部的环形磁铁进行带电粒子偏转，可使能量不大于2MeV的电子偏离传感器入射方向，探测器在GEO轨道背景干扰计数小于20。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (9)

1.一种宽视场角高能谱分辨率太阳X射线探测器，其特征在于包括：卫星电接口为太阳X射线探测器提供直流工作电源，经内部电路产生偏置高电压形成硅漂移传感器的工作电场，并且通过卫星电接口将太阳X射线探测器产生的探测数据传输到卫星平台；卫星每自旋一周，太阳X射线探测器完成一次日面扫描，太阳敏感器感知到太阳进入探测视场后，峰保电路、脉冲高度分析器开启工作时序，太阳耀斑爆发时，太阳X射线通过准直器和光阑形成的探测视场进入硅漂移传感器，而高能电子进入准直器后在偏转磁铁的作用下偏离入射方向，被带电粒子衰减片吸收；太阳X射线光子在硅漂移传感器内与硅半导体相互作用产生电荷脉冲，电荷脉冲经过前置放大器进行初级放大并转换为电压脉冲信号，再经脉冲形成单元进行滤波和成形，主放大器将脉冲信号进一步放大到能分析的幅度，由峰保电路、脉冲高度分析器对脉冲信号进行幅度分析，将分析结果送到FPGA主控电路A机或FPGA主控电路B机，FPGA主控电路A机或FPGA主控电路B机同时接收来自高能电子探测器接口电路、高能质子重离子探测器接口电路的探测数据，高能电子探测数据和高能质子重离子探测数据与太阳X射线的能谱数据一起进行数据处理、储存和编码，通过编码遥测接口电路A机或编码遥测接口电路B机传输到卫星平台；

所述FPGA主控电路A机、FPGA主控电路B机的输入端分别与脉冲幅度分析器、编码遥测接口电路A机、编码遥测接口电路B机、高能电子探测器接口电路、高能质子重离子探测器接口电路、多路电压输出二次电源A机、多路电压输出二次电源B机和太阳敏感器电气连接；其中：

太阳敏感器感知到太阳后，向脉冲幅度分析器发送启动工作时序，定时120ms后关闭启动工作时序；

FPGA主控电路A机或FPGA主控电路B机，按照8.2秒的时间间隔定时采集高能电子探测器接口电路高能电子的探测数据；按照16.4秒的时间间隔定时采集高能质子重离子探测器接口电路的高能质子重离子探测数据；按照2.05秒时间间隔对接收到的脉冲幅度分析器产生的太阳X射线能谱探测数据进行数据压缩；

对上述探测数据和压缩数据，按照固定格式进行编码，通过编码遥测接口电路A机或者FPGA主控电路B机，以及编码遥测接口电路B机或者FPGA主控电路A机，将编码后的数据传输到卫星电接口对应端口。

2.如权利要求1所述的宽视场角高能谱分辨率太阳X射线探测器，其特征在于：在所述准直器和控制单元之间依次连接带电粒子衰减片、光阑和硅漂移传感器，其中：

准直器接收限定入射角度的太阳X射线，用于输出准直太阳X射线；

带电粒子衰减片，用于吸收被磁铁偏转的带电粒子；

光阑，用于限定准直太阳X射线的光斑大小；

硅漂移传感器，在外部工作电场的作用下，用于将衰减的准直太阳X射线光子转换为电荷信号并输出到电荷灵敏放大电路。

3.如权利要求1所述的宽视场角高能谱分辨率太阳X射线探测器，其特征在于：在所述前置放大器和脉冲高度分析器之间依次连接脉冲成形单元、主放大器和峰保电路；其中：

前置放大器，用于对准直太阳X射线的电信号进行放大，并输出放大的准直太阳X射线的电信号；

脉冲成形单元，用于将放大的准直太阳X射线的电信号生成太阳X射线脉冲信号；

主放大器，用于输出放大的太阳X射线脉冲信号；

峰保电路，用于保留所需脉冲高度的太阳X射线脉冲信号；

脉冲高度分析器，将所需脉冲高度的太阳X射线脉冲信号生成太阳X射线能谱探测数据，用于分析太阳X射线脉冲信号的幅度，将脉冲幅度信息转换为能谱计数信息。

4.如权利要求1所述的宽视场角高能谱分辨率太阳X射线探测器，其特征在于：所述编码遥测接口电路A机是卫星电接口和FPGA主控电路A机之间的缓冲电路，编码遥测接口电路B机是卫星电接口和FPGA主控电路B机之间的缓冲电路，编码遥测接口电路A机或者编码遥测接口电路B机对卫星电接口输入的时序信号进行+10V到+5V电平转换后并输出到FPGA主控电路A机或者FPGA主控电路B机；同时，编码遥测接口电路A机或者编码遥测接口电路B机对FPGA主控电路A机或者FPGA主控电路B机输入的编码数据信号进行+5V到+10V电平转换后输出到卫星电接口。

5.如权利要求1所述的宽视场角高能谱分辨率太阳X射线探测器，其特征在于：所述多路电压输出二次电源A机与多路电压输出二次电源B机互为备份，多路电压输出二次电源A机为太阳X射线探测器电源管理模块，接收卫星电接口提供直流电源输入的+28V电压并进行DC/DC变换后变为+12V、-12V和+3.3V输出到二次电源切换单元；多路电压输出二次电源A机输出的+5.0V输送到FPGA主控电路A机，而多路电压输出二次电源B机输出的+5.0V输送到FPGA主控电路B机。

6.如权利要求5所述的宽视场角高能谱分辨率太阳X射线探测器，其特征在于：还包括二次电源切换单元的功能是在多路电压输出二次电源A机和多路电压输出二次电源B机产生的两组+12V、-12V和+3.3V直流电压之间实现互相切换。

7.如权利要求5所述的宽视场角高能谱分辨率太阳X射线探测器，其特征在于：由卫星电接口为二次电源切换单元提供“A机开遥控”和“B机开遥控”动作遥控指令，当“A机开遥控”信号高电平时，将+12V、-12V和+3.3V的直流电压输出切换到+12VA、-12VA和+3.3VA；而当“B机开遥控”信号高电平时，将+12V、-12V和+3.3V的直流电压输出切换到+12VB、-12VB和+3.3VB。

8.如权利要求7所述的宽视场角高能谱分辨率太阳X射线探测器，其特征在于：所述“A机开遥控”和“B机开遥控”为编码遥测接口电路A机和编码遥测接口电路B机分别提供来自卫星的编码遥测数据传输时序，同时将来自编码遥测接口电路A机和编码遥测接口电路B机的探测数据信号传送到卫星平台。

9.如权利要求1所述的宽视场角高能谱分辨率太阳X射线探测器，其特征在于：高能电子探测器接口电路与高能质子重离子探测器接口电路分别对应外部高能电子探测器和高能质子重离子探测器，高能电子探测器和高能质子重离子探测器和太阳X射线探测器共同组成空间环境监测分系统，太阳X射线探测器通过高能电子探测器接口电路与高能质子重离子探测器接口电路分别为对应高能电子探测器和高能质子重离子探测器提供工作电压和逻辑控制时序，并采集返回的探测数据。