CN104280759A - 一种空间高能电子探测器 - Google Patents

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薛玉雄
杨生胜
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本发明公开了一种空间高能电子探测器。使用本发明能够对空间3.0～30.0MeV的高能电子进行探测。本发明的空间高能电子探测器，包括探头外壳、挡光片、半导体探测器I、半导体探测器II和半导体探测器III、一块CsI(Tl)闪烁体和两块光电二极管，将金硅面垒探测器和CsI(Tl)探测器进行组合，并利用光电二极管来耦合CsI(Tl)探测器。一方面，由于CsI(Tl)探测器易加工，可以制作厚度很大的传感器，能满足对高能量电子的探测需求；另一方面，与光电倍增管相比，采用光电二极管耦合CsI(Tl)探测器，可大大减小探测器的体积和重量，这对星用载荷来说具有重要的工程意义。

Description

一种空间高能电子探测器
技术领域
本发明涉及空间带电粒子探测技术领域，具体涉及一种空间高能电子探测器，可探测空间3.0～30MeV电子的通量。
背景技术
高能电子是空间辐射环境的重要组成部分之一，其是造成航天器电子系统及电子元器件辐射损伤的重要因素之一。自空间探测活动开始，空间高能电子就成为空间探测的重要对象之一。50多年来，人们发射了许多个带电粒子探测器对空间中的高能电子进行了探测和研究，获得了一些关于空间高能电子的数据。
然而，由于空间环境的可变性，人们对空间高能电子的认识还比较有限，需要持续不断地对空间高能电子进行探测和研究。通过对空间高能电子的探测，进一步了解和掌握其在空间环境中的能量分布、通量及变化规律，从而为航天器电子系统及电子元器件的设计和防护提供参考。因此，空间高能电子的探测具有重要的工程意义。
国内对空间高能电子也开展了一些探测，但是探测的能量范围及探测的精细程度还比较有限，如实践五号卫星上搭载的高能带电粒子探测器，其所能探测的电子的能量范围为0.15～5.7MeV。嫦娥飞船上搭载的高能带电粒子探测器，其所能探测的电子的能量范围为≥0.1MeV和≥2.0MeV，能道划分比较粗。
此外，以往在空间高能电子探测器的设计中，多选用金硅面垒探测器和硅(锂)漂移探测器组合或金硅面垒探测器和高纯锗探测器的组合。然而，这样的设计存在一些不足。由于工艺的限制，硅(锂)漂移探测器的厚度无法做的很大，只有几个毫米左右，无法满足高能量电子的探测需求。高纯锗探测器的厚度可以做得较大，但是其噪声本底较大，应用时需要用液氮对探测器进行冷却，限制了其应用的范围。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种间高能电子探测器，能够满足对高能量电子的探测需求，对空间3.0～30.0MeV的高能电子进行探测。
本发明的空间高能电子探测器，包括探头外壳、挡光片、半导体探测器I、半导体探测器II和半导体探测器III、一块CsI(Tl)闪烁体和两块光电二极管；
其中，挡光片为圆形镀铝薄膜；半导体探测器II和半导体探测器I为全耗尽型金硅面垒探测器；CsI(Tl)闪烁体为圆柱体，CsI(Tl)闪烁体的外圆周面上加工出两个平行的安装平面分别固定安装光电二极管；半导体探测器III为部分耗尽型金硅面垒探测器；
挡光片、半导体探测器I、半导体探测器II、CsI(Tl)闪烁体和半导体探测器III按照上下次序同轴固定安装在探头壳体内部；
信号线缆一端与半导体探测器III、半导体探测器II、半导体探测器I、2个光电二极管连接，一端与信号输出接口连接。
其中，挡光片厚1.2mm，面积为2.5～3.0cm2；半导体探测器II和半导体探测器I厚500～700μm，面积为2.0～2.5cm2；CsI(Tl)闪烁体高度为6.3cm，上、下表面积为3.0～4.0cm2；半导体探测器III厚300～500μm，面积为4.0～5.0cm2；
其中，挡光片距探头外壳上端面0.5cm；半导体探测器I与挡光片的距离为0.5～1.0cm；半导体探测器I和半导体探测器II的间距为8.0～9.5cm；半导体探测器II与CsI(Tl)闪烁体上表面间距1.0～1.5cm；CsI(Tl)闪烁体下表面与半导体探测器III上表面间距1.0～1.5cm；半导体探测器III与探头外壳底部间距为0.5～1.0cm。
其中，2个光电二极管长为1.5～2.0cm，宽1.0～1.5cm；CsI(Tl)闪烁体外圆周面上的安装平面的长度为1.5～2.0cm，宽度为1.0～1.5cm，距CsI(Tl)闪烁体上表面0cm，距CsI(Tl)闪烁体下表面4.3～4.8cm；2个光电二极管通过环氧树脂分别牢固粘结在CsI(Tl)闪烁体的安装平面上。
半导体探测器III和其上方的两块L型支架通过螺钉固定安装在探头外壳的底板上；CsI(Tl)闪烁体固定安装在半导体探测器III上方的两块L型支架上，CsI(Tl)闪烁体的上方安装两块L型支架，4个L型支架通过螺钉与探头外壳固定连接；半导体探测器II通过2个螺钉固定在CsI(Tl)闪烁体上方的2块L型支架上，半导体探测器I通过螺钉固定在圆环形支架的上端面，然后整体安装在半导体探测器II的上方；挡光片通过螺钉固定在探头外壳的上端面，然后整体安装在半导体探测器I的上方。
L型支架水平方向的长度为1.5～2.0cm，高为1.5～2.0cm，厚度0.5～0.8cm，材料为铝。
进一步地，在圆环形支架和探头外壳之间安装两块环形的紧固弹片。
有益效果：
本发明将金硅面垒探测器和CsI(Tl)探测器进行组合，并利用光电二极管来耦合CsI(Tl)探测器。一方面，由于CsI(Tl)探测器易加工，可以制作厚度很大的传感器，能满足对高能量电子的探测需求；另一方面，与光电倍增管相比，采用光电二极管耦合CsI(Tl)探测器，可大大减小探测器的体积和重量，这对星用载荷来说具有重要的工程意义。
附图说明
图1为空间高能电子探测器结构示意图。
图2为空间高能电子探测器电子学系统示意图。
其中，1-螺孔，2-探头外壳，3-挡光片，4-半导体探测器I，5-紧固弹片，6-圆环形支架，7-半导体探测器II，8-L型支架，9-CsI(Tl)闪烁体，10-光电二极管，11-半导体探测器III，12-探测器的信号输出接口，13-线缆走线孔，14-探头输出信号接口，15-信号线缆；16-电荷灵敏前置放大器I，17-成形放大器I，18-阈值鉴别器I，19-计数器I，20-存贮器，21-电荷灵敏前置放大器II，22-成形放大器II，23-阈值鉴别器II，24-计数器II，25-电荷灵敏前置放大器III，26-求和放大器，27-成形放大器III，28-阈值鉴别器III，29-计数器III，30-电荷灵敏前置放大器IV，21-成形放大器IV，32-阈值鉴别器IV，33-计数器IV。
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。
本发明提供了一种空间高能电子探测器，如图1所示，包括探头外壳2、挡光片3、三块半导体探测器(从上到下依次为半导体探测器I 4、半导体探测器II 7和半导体探测器III 11)、一块CsI(Tl)闪烁体9和两块光电二极管10，其中，探头外壳2为中空的柱体，挡光片3、半导体探测器I 4、半导体探测器II 7、CsI(Tl)闪烁体9和半导体探测器III 11从上到下依次同轴安装在探头外壳2的内部。
其中，档光片3为厚1.2mm的圆形镀铝薄膜，面积为2.5～3.0cm2，其能阻挡能量低于3.0MeV的电子。
半导体探测器II 7和半导体探测器I 4为全耗尽型金硅面垒探测器，厚500～700μm，面积为2.0～2.5cm2。半导体探测器I 4与挡光片3的距离可选择为0.5～1.0cm。半导体探测器I 4和半导体探测器II 7的间距可选择为8.0～9.5cm，这样可使探测器的几何因子维持在0.044cm2·sr左右，有效防止了大量粒子同时进入探测器而导致的探测器饱和。
CsI(Tl)闪烁体9是圆柱体，高度为6.3cm，上、下表面积为3.0～4.0cm2，用于高能电子沉积。在CsI(Tl)闪烁体9的外圆周面上加工出两个平行的安装平面，该安装平面的长度可选为1.5～2.0cm，宽度为1.0～1.5cm，用于安装光电二极管10。2个光电二极管完全一致，其长度为1.5～2.0cm，宽度为1.0～1.5cm。通过环氧树脂分别将两个光电二极管紧密粘结在CsI(Tl)闪烁体9的两个安装平面上。
半导体探测器III 11为部分耗尽型金硅面垒探测器，厚300～500μm，面积为4.0～5.0cm2，用于探测能量大于30.0MeV的高能电子。30.0MeV以上的高能电子会穿透CsI(Tl)闪烁体9到达半导体探测器III 11。
其中，探头外壳2材料为铜，壁厚0.5～0.6cm，底面直径6.0～7.0cm，高12.0～14.0cm。
挡光片3、半导体探测器I 4、半导体探测器II 7、CsI(Tl)闪烁体9、半导体探测器III 11按照上下次序同轴安装，并通过螺钉、紧固弹片、L型紧固件之间的相互连接，最终紧固在探测器外壳上。具体安装过程如下：
半导体探测器III 11和其上方的两块L型支架8通过螺钉1固定安装在探头外壳2的底板上，半导体探测器III 11与探头外壳2底部间距为0.5～1.0cm。L型支架8水平方向的长度为1.5～2.0cm，高为1.5～2.0cm，厚度0.5～0.8cm，材料为铝。
CsI(Tl)闪烁体9固定安装在半导体探测器III 11上方的两块L型支架8上，CsI(Tl)闪烁体9下表面与半导体探测器III 11上表面间距1.0～1.5cm；同时，CsI(Tl)闪烁体9的上方安装两块L型支架8，用于固定CsI(Tl)闪烁体9，4个L型支架8通过螺钉1与探头外壳2固定连接。在CsI(Tl)闪烁体9的外圆周面上，加工出两个平行的安装平面，每个安装平面的长度可选为1.5～2.0cm，宽度为1.0～1.5cm，距CsI(Tl)闪烁体9上表面0cm，距CsI(Tl)闪烁体9下表面4.3～4.8cm，2个光电二极管10通过环氧树脂分别牢固粘结在CsI(Tl)闪烁体9的两块安装平面上，光电二极管10长为1.5～2.0cm，宽1.0～1.5cm。
半导体探测器II 7通过2个螺钉固定在CsI(Tl)闪烁体9上方的2块L型支架8上，与CsI(Tl)闪烁体9上表面间距1.0～1.5cm。半导体探测器I 4通过螺钉固定在圆环形支架6的上端面，然后整体安装在半导体探测器II 7的上方，圆环形支架6高7.5～9.0cm，壁厚0.5cm，材料为铝合金。半导体探测器I 4与半导体探测器II 7间距8.0～9.5cm。为保证圆环形支架6的稳固性，在圆环形支架6的侧面和探头外壳2的侧壁间安装两块环形的紧固弹片5，环形固定弹片5与圆环形支架6和探头外壳2的侧壁紧密接触。
挡光片3通过螺钉固定在探头外壳2的上端面，然后整体安装在半导体探测器I 4的上方。挡光片3距探头外壳2上端面0.5cm，距半导体探测器I 40.5～1.0cm。
带电粒子在半导体探测器III 11、半导体探测器II 7、半导体探测器I 5中产生的信号分别通过信号线缆15传输到探头的信号输出接口14中；CsI(Tl)闪烁体9中产生的光信号通过光电二极管10耦合转换为电荷信号后，通过信号线缆15传输到探头的信号输出接口14中。半导体探测器I 4中产生的信号依次通过电荷灵敏前置放大器I 16、成形放大器I 17、阈值鉴别器I 18和计数器I 19，最后传输到存贮器20；半导体探测器II 7中产生的信号依次通过电荷灵敏前置放大器II 21，成形放大器II 22，阈值鉴别器II 23和计数器II 24，最后传输到存贮器20；CsI(Tl)闪烁体9中产生的光信号通过光电二极管10耦合转换为电荷信号后，依次通过电荷灵敏前置放大器III 25，求和放大器26，成形放大器III 27，阈值鉴别器III 28和计数器III 29，最后传输到存贮器20；半导体探测器III 11中产生的信号依次传输到电荷灵敏前置放大器IV 30，成形放大器IV 31，阈值鉴别器IV 32和计数器IV 33，最后传输到存贮器20，如图2所示。
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 (6)

1.一种空间高能电子探测器，其特征在于，包括探头外壳(2)、挡光片(3)、半导体探测器I(4)、半导体探测器II(7)和半导体探测器III(11)、一块CsI(Tl)闪烁体(9)和两块光电二极管(10)；
其中，挡光片(3)为圆形镀铝薄膜；半导体探测器II(7)和半导体探测器I(4)为全耗尽型金硅面垒探测器；CsI(Tl)闪烁体(9)为圆柱体，CsI(Tl)闪烁体(9)的外圆周面上加工出两个平行的安装平面分别固定安装光电二极管(10)；半导体探测器III(11)为部分耗尽型金硅面垒探测器；
挡光片(3)、半导体探测器I(4)、半导体探测器II(7)、CsI(Tl)闪烁体(9)和半导体探测器III(11)按照上下次序同轴固定安装在探头壳体(2)内部；
信号线缆(15)一端与半导体探测器III(11)、半导体探测器II(7)、半导体探测器I(5)、2个光电二极管(10)连接，一端与信号输出接口(14)连接。
2.如权利要求1所述的空间高能电子探测器，其特征在于，挡光片(3)厚1.2mm，面积为2.5～3.0cm2；半导体探测器II(7)和半导体探测器I(4)厚500～700μm，面积为2.0～2.5cm2；CsI(Tl)闪烁体(9)高度为6.3cm，上、下表面积为3.0～4.0cm2；半导体探测器III(11)厚300～500μm，面积为4.0～5.0cm2；
其中，挡光片(3)距探头外壳(2)上端面0.5cm；半导体探测器I(4)与挡光片(3)的距离为0.5～1.0cm；半导体探测器I(4)和半导体探测器II(7)的间距为8.0～9.5cm；半导体探测器II(7)与CsI(Tl)闪烁体(9)上表面间距1.0～1.5cm；CsI(Tl)闪烁体(9)下表面与半导体探测器III(11)上表面间距1.0～1.5cm；半导体探测器III(11)与探头外壳(2)底部间距为0.5～1.0cm。
3.如权利要求2所述的空间高能电子探测器，其特征在于，2个光电二极管(10)长为1.5～2.0cm，宽1.0～1.5cm；CsI(Tl)闪烁体(9)外圆周面上的安装平面的长度为1.5～2.0cm，宽度为1.0～1.5cm，距CsI(Tl)闪烁体(9)上表面0cm，距CsI(Tl)闪烁体(9)下表面4.3～4.8cm；2个光电二极管(10)通过环氧树脂分别牢固粘结在CsI(Tl)闪烁体(9)的安装平面上。
4.如权利要求2所述的空间高能电子探测器，其特征在于，半导体探测器III(11)和其上方的两块L型支架(8)通过螺钉(1)固定安装在探头外壳(2)的底板上；CsI(Tl)闪烁体(9)固定安装在半导体探测器III(11)上方的两块L型支架(8)上，CsI(Tl)闪烁体(9)的上方安装两块L型支架(8)，4个L型支架(8)通过螺钉(1)与探头外壳(2)固定连接；半导体探测器II(7)通过2个螺钉固定在CsI(Tl)闪烁体(9)上方的2块L型支架(8)上，半导体探测器I(4)通过螺钉固定在圆环形支架(6)的上端面，然后整体安装在半导体探测器II(7)的上方；挡光片(3)通过螺钉固定在探头外壳(2)的上端面，然后整体安装在半导体探测器I(4)的上方。
5.如权利要求4所述的空间高能电子探测器，其特征在于，L型支架(8)水平方向的长度为1.5～2.0cm，高为1.5～2.0cm，厚度0.5～0.8cm，材料为铝。
6.如权利要求4所述的空间高能电子探测器，其特征在于，在圆环形支架(6)和探头外壳(2)之间安装两块环形的紧固弹片(5)。
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