CN104535599B - 一种空间主动激发x射线荧光探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间主动激发X射线荧光探测器。本发明探测器包括安装于巡视器+X面板上的探头、月夜生存保障装置，探头与巡视器舱内综合电子学板电连接；所述月夜生存保障装置包块主动辐射热源、外部支架、热控包覆，所述主动辐射热源位于所述热控包覆内，所述热控包覆通过所述外部支架固定在巡视器+X面板上；其中，当处于月夜状态时，所述主动辐射热源与探头后端相对，为探头提供主动温控。具备自主保温能力，大大提高了设备了月球生存能力，同时提高了探测能力。

Description

一种空间主动激发X射线荧光探测器

技术领域

本发明涉及一种应用于空间X荧光探测设备的结构和热设计，属于空间探测技术领域。

背景技术

空间高分辨主动激发X射线谱仪(APXS)是嫦娥三号玉兔号月球车的科学载荷之一，也是机械臂上唯一的载荷。它通过携带的主动激发源激发月岩或月壤中的元素，并探测其产生的特征X射线，从而获得月球元素的种类及含量信息，为月球地质化学过程和形成演化研究提供重要依据。

空间高分辨主动激发X射线谱仪是嫦娥三号巡视器机械臂末端，安装有主动激发放射源、低功耗、高分辨的X射线荧光探测设备。探测器对其自带激发源激发产生的月表元素X射线荧光进行探测，并形成能谱下传，供用户分析反演得到月表的主量元素的含量信息。

它对主要的成岩元素Mg、Al、Si、Ca、Ti和Fe等元素进行激发探测，从而得到月球表面各种主要成岩元素的荧光射线强度，对月球表面的主要元素成分进行定量分析。

空间高分辨主动激发X射线谱仪主要是行星表面的成分探测。由于没有空气或者空气稀薄，月球和火星表面对低能X射线和带电粒子的阻止本领远低于地球表面，因此，适合对低能的Mg、Al和Si的特征线进行激发探测。由于没有大气层保护，因此月球和火星表面昼夜温差变化极大，需要考虑对设备适应极端温度条件的适应能力进行设计。

美国的NASA、俄罗斯和欧洲ESA等都曾经在航天器上携带类似的物质成分分析设备，由于其卫星平台可以对设备进行主动控温，因此，这些设备都没有自带的温控设备。在嫦娥三号任务中，由于APXS为舱外设备，其与平台没有传导散热的通道，在月昼，其工作时自身产生的热量、太阳照射以及月球表面等外热流对仪器都有热量输入，而在月夜条件下，设备周围的环境温度可达到-180℃，设备对外输出热量，如果没有热量输入，设备的温度也将达到-180℃，对于设备内部的电子元器件及设备中的硅漂移室探测器来说，都超过了其额定的耐受温度范围，因此，需要对设备的结构和热进行整体设计，保证设备能够在轨正常工作，安全度过月夜。

目前物质成分分析设备主要包括：

一、NASA的SurveyorsⅤ，Ⅵ，Ⅶ探月任务中，都携带了α散射化学成分分析实验装置，该实验应用²⁴²Cm同位素α粒子放射源产生的α粒子与其他原子核碰撞后在近180°反冲散射的能谱以及核反应产生的质子能谱来分析获得月表元素的含量。

SurveyorsⅤ，Ⅵ，Ⅶ的α探测器选用金硅面垒探测器，质子探测选用锂漂移探测器，探测器由探头、电子学构成，电子学位于飞行器的控温组件内部。无自主保温功能，需要额外15W的加热功耗。²⁴²Cm同位素存在核裂变可能性，每次衰变会有1.6*10^-7个中子发射，需要考虑中子辐照影响。

二、俄罗斯的Mars 96任务，NASA的Mars Pathfinder任务、Mars ExplorationRovers任务，Mars Science Laboratory Rover、MSL任务以及ESA的Rosetta任务都曾使用粒子激发X射线谱仪，这些任务中选用²⁴⁴Cm放射源，通过探测背散射的α粒子和样品中被激发产生的特征X射线进行定量分析。

以上粒子激发X射线谱仪设计使用²⁴²Cm或者²⁴⁴Cm放射性同位素作为激发源，²⁴²Cm(²⁴⁴Cm)同位素存在核裂变可能性，每次衰变会有1.6*10^-7个中子发射，需要考虑中子辐照影响。同时，该探测器采用一体化设计，整个外壳为一体，前端和后端无热阻，基本是一个等温体。由于采用的同位素原因，无法探测Rb、Sr和Y等微量元素。设备无自主保温功能，需要额外的热控措施。

三、欧空局的Beagle 2任务携带了X射线谱仪，该设备包含两个件，探头组件和数据处理电子学，选用的放射性同位素激发源为两枚⁵⁵Fe源(105.6MBq)和两枚¹⁰⁹Cd源(8.77MBq)。通过探测样品中被激发产生的特征X射线进行定量分析，X射线探测器选用300微米厚，7mm2面积的硅PIN探测器。

该设备注重小型化设计，整体体积较小，虽然前端采用碳纤维材料，因为热容关系，隔热效果并不理想，且由于过于紧凑的设计，放射源的活度及均匀性都收到一定的限制，因此分析精度也受限。该设备无主动热控，无在轨定标设计。

发明内容

针对现有技术中存在的设备无主动热控技术问题，本发明设计了一套月夜生存装置，应用以放射性同位素Pu-238为燃料的RHU为核心，热功率为4W。在月夜低温条件下，月夜生存装置通过散热面辐射方式为SDD探测器提供热量。本发明是一种集成化的高可靠的主动激发X射线荧光探测器，设备具备自主距离感知功能，设备具备在轨定标能力，设备具有自主保温能力。

本发明的技术方案为：

一种空间主动激发X射线荧光探测器，其特征在于，包括安装于巡视器+X面板上的探头、月夜生存保障装置，探头与巡视器舱内综合电子学板电连接；所述月夜生存保障装置包括主动辐射热源、外部支架、热控包覆，所述主动辐射热源位于所述热控包覆内，所述热控包覆通过所述外部支架固定在巡视器+X面板上；其中，当处于月夜状态时，所述主动辐射热源与探头后端相对，为探头提供主动温控。

进一步的，还包括一安装于所述巡视器+X面板上的在轨标定装置，其中，当处于在轨标定状态时，所述探头前端与所述在轨标定装置相对。

进一步的，所述月夜生存保障装置包括一双层套筒，内层套筒与外层套筒通过过渡件连接；所述主动辐射热源位于所述内层套筒内；所述双层套筒通过一顶盖密封；所述在轨定标装置包括标准样品和支架，所述标准样品通过该支架固定在巡视器+X面板上。

进一步的，所述探头特征荧光射线收集功能由硅漂移室探测器完成，所述探头安装在位于巡视器+X面板上的一机械臂上；探头隔热安装在该机械臂末端。

进一步的，所述探头包括一外筒，该外筒前端安装有激发源组件和红外距离感知器，外筒内部设有所述红外距离感知器的前端电子学组件。

进一步的，所述前端电子学组件包括硅漂移X射线探测器、散热帽、印制电路板安装支架、电子学板、散热铜棒和散热片；其中，硅漂移X射线探测器与电子学板电连接，所述电子学板固定安装在所述印刷电路板安装支架上，所述印刷电路板安装支架固定安装在所述外筒内部，所述散热帽位于所述外筒前端环绕所述硅漂移X射线探测器，所述外筒后端采用一散热片密封；所述硅漂移X射线探测器通过一散热铜棒与所述散热片连接。

进一步的，所述散热片与外筒连接的边缘设有凸台；所述散热片外表面涂有导热硅脂；所述外筒后端通过法兰与一散热面连接，所述散热面外表面涂有白漆。

进一步的，所述散热帽采用翻边结构与所述电子学板的前端电路板压紧连接，且通过螺钉与所述印刷电路板支架连接；所述散热帽的中心孔与所述硅漂移X射线探测器之间缝隙填充硅橡胶；所述前端电路板表面敷铜；所述散热帽采用挖槽方式避开接触硅漂移X射线探测器的针脚。

进一步的，所述散热片一端面中心设有一用于固定所述散热铜棒的凹陷，另一端面开沉孔，凹陷螺钉通过该沉孔将所述散热片与所述散热铜棒固定；所述印刷电路板支架为铝制半环形结构，两端分别与所述散热帽、散热片连接，底面固定所述电子学板的母线电路板，内部顶面开槽固定所述电子学板的前级放大电路板和成型电路板，顶面设有电源线和信号线的线孔，侧面固定到所述外筒内壁。

进一步的，所述激发源组件包括多个激发源和激发源支撑结构，所述激发源圆形均匀分布于所述外筒前端中心区域，每一激发源分别与一准直器连接；所述激发源支撑结构的材料为聚酰亚胺，且聚酰亚胺表面镀铝；多个所述红外距离感知器圆形均匀分布于所述外筒前端边缘区域。

APXS为巡视器有效载荷系统的单机设备，探头隔热安装在机械臂末端，通过电缆与巡视器舱内综合电子学板进行电连接；机械臂通过机械臂控制系统控制探头进入不同状态(在轨标定状态、探测月表元素状态、渡过月夜状态)。探头由机械臂投放到月面进行探测，投放时机械臂控制系统接收到就位信号时，即发指令使臂停止运动。APXS系统需自行确定就位点，并将就位状态提供给综合电子学，由其转发给机械臂控制系统。

探测器对其自带激发源激发月表元素X射线荧光并进行探测，并形成能谱下传，供用户分析反演得到月表的主量元素的含量信息。

根据设计要求，APXS探头为舱外舱外设备，其温度要求如下：

工作温度：-35℃～35℃；

存储温度：-100℃～105℃。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明的光谱仪设备具备自主保温能力，大大提高了设备了月球生存能力，同时提高了探测能力。

为了保证合适的工作温度和存储温度，本发明针对探头的结构和热传输及热辐射进行了详细的设计。同时本发明使用相对安全的X射线源作为激发源，减小了中子辐射风险，针对应用环境完成了内部导热及外部隔热设计，最大限度地保证了设备在月表极端环境下的生存和工作能力。

附图说明

图1为本发明APXS探测器系统结构设计图；

图2为APXS工作模式图；

(a)探头在轨标定状态图，(b)探头探测月表元素状态图，(c)探头渡过月夜状态图；

图3为APXS激发月表元素的特征X射线，收集特征X射线示意图；

图4为月夜生存保障装置结构图；

(a)月夜装置正视图，(b)沿(a)中A-A面的剖视图；

图5为APXS探头外形图；

图6为激发源组件图；

图7为前端电子学组件结构图；

(a)前端电子学组件侧视图，(b)沿(a)中A-A面的剖视图；

图8为前端电子学组件图；

图9为探头热实施措施结构设计图；

图10为散热帽结构图；

(a)正面视图，(b)立体图；

图11为散热铜棒结构图；

图12为散热片结构图；

(a)正面视图，(b)沿A-A的截面图；

图13为散热片结构图；

图14为散热面结构图；

(a)正面视图，(b)沿A-A的截面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述。

APXS由探头、在轨标定装置、月夜生存装置(RHU)、电子学及软件、电缆组成，系统结构如图1。

探头安装在巡视器机械臂末端，主要实现科学探测和距离感知的功能。它主要由激发源、红外距离感知器、硅漂移X射线探测器(SDD)和前置放大电路组成，如图3所示。

月夜生存保障装置安装在巡视器+X面板上，由主动辐射热源(RHU)、外部支架、热控包覆构成，如图4所示。在低温环境下(如月夜)辐射热源为探头提供主动温控，保障前端探头的存储温度在设计要求范围内。

在轨定标装置由标准样品和其支架构成，在轨定标标样作为APXS的在轨测量校正的基准，确保探测数据结果的准确性。

电子学系统由二次电源转换电路，数据采集电路和通讯接口电路等部分构成。除探头前端电子学外，其余部分集成在综合电子学机箱的电子学板内。

软件部分实现的主要功能为：距离感知、数据采集、数据管理、数据通讯、指令处理和模式控制。

探头与后端电子学板通过电缆组件进行电连接。

为了保证合适的工作温度和存储温度，针对探头的结构和热传输及辐射进行了详细的设计。探头安装在巡视器机械臂末端，如图2(b)，它主要由探头前端激发源组件、红外距离感知器、外筒、前端电子学组件(含SDD探测器，安装在外套内部)组成，如图5。

其中，探头前端激发源组件提供隔离月面热辐射、准直激发、准直探测、辐射屏蔽的作用，如图6所示，其内部安装有八枚激发源，激发源组件的支撑结构材料选用隔热效果比较好的聚酰亚胺，为了减小月表红外反照引起的热输入，聚酰亚胺表面镀铝。

前端电子学组件由SDD探测器、散热帽、印制电路板安装支架、电子学板及散热铜棒和散热片等几部分组成，如图7所示。其中SDD探测器为X射线探测的关键性元件，电子学板(前端电路板板、母线电路板、前级放大电路板和成型电路板)给硅漂移室X射线探测器(SDD)供电并将SDD的探测信号放大、成型，安装支架主要是采用半封闭结构，除了固定结构外，还与外筒、散热片和散热帽形成封闭的电磁屏蔽体，为内部电子学板提供电磁屏蔽，散热帽、散热铜棒和散热片三个散热元件将前端的热量传导到后面的散热面上。

X射线进入SDD探测器，通过沉积能量形成电子空穴对，电子空穴对通过SDD上的电场收集，形成电信号，其电荷量与X射线能量成正比，前端放大电路采用低噪声电荷灵敏放大器，对SDD产生的弱信号进行放大，经成型电路滤波成型后，通过电缆传导到电控箱中的APXS电子学板，并被其收集，形成APXS的科学数据，其原理图如图8所示。

APXS探头为舱外设备，由于APXS探头和机械臂安装面之间将采取隔热安装，此时APXS探头失去了传导散热的通道，其自身功耗产生的热量和月球环境外热流对仪器的输入热量就只能通过仪器自身的端面和壳体散热。由上述对月球热环境的分析可知，月昼时月表温度随太阳高度角的增大而迅速增高，月球复杂外热流对APXS探头会产生较大的输入热量，尤其是太阳直接照射和月球红外辐射会对APXS探头产生较大影响；月夜，月表温度为-180℃，此低温将使APXS的生存面临考验。因此，鉴于对月球热环境的分析和对APXS探头散热能力的估算结果，APXS的热控设计思路为：

1、根据APXS结构特点，选择为APXS探头末端为散热面，如图9所示。螺钉从“外筒”法兰处穿过固定到散热面(自左向右；法兰为安装隔热垫上部的圆形翻边部分，法兰用于连接外筒和散热面)，这与螺钉穿过散热面固定到“外筒”方式相比，减少螺孔，增加了散热面涂覆白漆的面积。

2、通过外加热控材料和热控涂层等方法尽量减小月球外热流对APXS探头的影响；如上图，在散热面外表面涂覆白漆，增强散热能力；在散热片与散热面之间涂覆导热硅脂，增强导热能力；在聚酰亚胺结构表面镀铝，减少红外线影响；除探头两端外，其余部分包裹热控多层材料，减少热量流入、散出。

3、与巡视器和机械臂进行协调，通过三方协调配合实现APXS探头月昼工作和月夜存储的最佳状态。

在热设计上，主要有以下几个手段：

1.通过散热帽、散热铜棒、散热片和电路板支架建立硅漂移X射线探测器与散热面间的低热阻散热通道，这5个散热元件分别为热阻比较低的铝和铜材料制成，热传导效果好，连接关系见图7和图9。由于硅漂移室探测器为主要发热原件，上述的几件零件，在硅漂移X射线探测器和散热面间，形成了两条散热通道：一条是硅漂移X射线探测器——散热帽——电路板支架——散热片——散热面，另一条是硅漂移X射线探测器——散热铜棒——散热片——散热面。

散热帽，连接位置见图7，为铝材料，采用“翻边”结构压紧“前端电路板”，既能严丝合缝的固定“前端电路板”，又增加了与“外筒”接触面积；通过螺钉固定到“电路板支架”上；中心孔比SDD直径稍大，设计在“散热帽”中心孔与“SDD”之间缝隙填充硅橡胶，形成热传导通路，“前端电路板”表面大面积敷铜，增加与“散热帽”面积，以减小SDD和散热面间接触热阻；“散热帽”采用“挖槽”方式(如图10所示，带圆角长方形)避开接触SDD探测器针脚，既防止短路，又保证内部电子学系统与外界间有良好的电磁屏蔽效果。

散热铜棒结构如图11，选择铜作为加工材料，整体设计成实心结构，以增大热容量；左端在不影响其它零件的前提下，尽量增大接触面积，减小热阻；开六方孔，方便使用力矩扳手控制SDD松紧程度，避免过松脱落或过紧损坏SDD；通过螺钉固定到“散热片”；右端设计有螺纹结构，直接以螺纹方式固定到SDD。

散热片与散热铜棒螺接，接收来自前端SDD的热量，结构如图12。为减轻重量，并要求有良好的导热性能，因而选择导热性能良好的铝材料加工，散热片一端面中心凹陷，镶嵌“散热铜棒”，可以起到定位作用；另一端面开沉孔，凹陷螺钉，保障接触面积。散热片端面凹陷处与另一端面(含沉头螺钉端面)均涂覆导热硅脂，保障两端面分别于“散热铜棒”和“散热面”紧密接触，提高热传导性能。

电路板支架结构如图13，类似于“骨骼”，采用铝加工；两端分别固定散热帽(含前端电路板)、散热片；底面固定母线电路板，内部顶面开槽，辅助固定前级放大电路板和成型电路板，顶面开孔，便于引入/引出电源线和信号线。电路板支架通过两侧螺孔固定到外筒内壁。

由于铝具有良好的导热性能，因而除具有固定印制电路板作用外，还可以辅助散热铜棒传递散热帽的热量到散热片、外筒。

散热面结构如图14所示，为减轻重量，并要求具有良好的导热性能，选择铝为加工材料。散热面设计成圆形内凹结构，可以同时包裹散热片以及外筒末端凸起的台阶，保障接触良好；安装孔位置设置到环面，并且不通透，这样，有效散热面积最大，从而保证能够将SDD产生的热量最大限度的辐射到冷黑空间。

2.增加旁路导热能力

为了增强印制电路板的导热，采取了如下措施：

1)增加印制板的覆铜厚度和面积；

2)为印制板设计专门的安装支架，印制板与安装支架间填充硅橡胶。

3.选用涂层和包覆材料，减小热输入，增加热输出

1)在APXS末端散热片外表面喷涂高半球发射率和低太阳吸收率的白漆增强散热能力和减小太阳照射输入的热量；

2)探头除前端和末端外，其余外表面均包覆多层隔热材料，减小外热流的输入并减小月夜低温环境下，设备对外漏热；

3)将探头外壳为分体结构，设计成激发源组件与外筒两个部件，探头前端激发源组件采用非金属材料(聚酰亚胺)加工，既方便安装、拆卸，又能减小前端部分的热量输入；

4)在激发源盒外表面镀铝，增大对红外线的反射，减小月表红外热流输入热量；

5)在内部连接部分涂覆导热脂，减小电路和壳体以及壳体各部分间的接触热阻；

6)与机械臂连接部分采用小面积隔热垫设计，减小机械臂高温工况下的热量输入及低温工况下设备对外输出热量。

在结构设计上，主要采用了以下主要的设计手段：

1.整体结构设计成圆柱形，增加设备内部容积率，最大限度的应用内部空间

2.对内部电路系统，设计成一个封闭结构，使设备具有良好的电磁屏蔽效果

3.将激发源组件和主体设计成分体结构，平常试验时，不安装放射源，减小对周围环境及人体的辐射。

该发明使用相对安全的X射线源作为激发源，减小了中子辐射风险，针对应用环境完成了内部导热及外部隔热设计，最大限度地保证了设备在月表极端环境下的生存和工作能力。

Claims (7)

1.一种空间主动激发X射线荧光探测器，其特征在于，包括安装于巡视器+X面板上的探头、安装于所述巡视器+X面板上的在轨标定装置、月夜生存保障装置，探头与巡视器舱内综合电子学板电连接；所述月夜生存保障装置包括主动辐射热源、外部支架、热控包覆，所述主动辐射热源位于所述热控包覆内，所述热控包覆通过所述外部支架固定在巡视器+X面板上；其中，当处于月夜状态时，所述主动辐射热源与探头后端相对，为探头提供主动温控；所述月夜生存保障装置包括一双层套筒，内层套筒与外层套筒通过过渡件连接；所述主动辐射热源位于所述内层套筒内；所述双层套筒通过一顶盖密封；所述在轨定标装置包括标准样品和支架，所述标准样品通过该支架固定在巡视器+X面板上；所述探头包括一外筒，该外筒前端安装有激发源组件和红外距离感知器，外筒内部设有所述红外距离感知器的前端电子学组件，所述前端电子学组件包括硅漂移X射线探测器、散热帽、印制电路板安装支架、电子学板、散热铜棒和散热片；其中，硅漂移X射线探测器与电子学板电连接，所述电子学板固定安装在所述印制电路板安装支架上，所述印制电路板安装支架固定安装在所述外筒内部，所述散热帽位于所述外筒前端环绕所述硅漂移X射线探测器，所述外筒后端采用一散热片密封；所述硅漂移X射线探测器通过一散热铜棒与所述散热片连接。

2.如权利要求1所述的空间主动激发X射线荧光探测器，其特征在于，当处于在轨标定状态时，所述探头前端与所述在轨标定装置相对。

3.如权利要求1或2所述的空间主动激发X射线荧光探测器，其特征在于，所述探头安装在位于巡视器+X面板上的一机械臂上；探头隔热安装在该机械臂末端。

4.如权利要求1所述的空间主动激发X射线荧光探测器，其特征在于，所述散热片与外筒连接的边缘设有凸台；所述散热片外表面涂有导热硅脂；所述外筒后端通过法兰与一散热面连接，所述散热面外表面涂有白漆。

5.如权利要求1所述的空间主动激发X射线荧光探测器，其特征在于，所述散热帽采用翻边结构与所述电子学板的前端电路板压紧连接，且通过螺钉与所述印制电路板支架连接；所述散热帽的中心孔与所述硅漂移X射线探测器之间缝隙填充硅橡胶；所述前端电路板表面敷铜；所述散热帽采用挖槽方式避开接触硅漂移X射线探测器的针脚。

6.如权利要求1所述的空间主动激发X射线荧光探测器，其特征在于，所述散热片一端面中心设有一用于固定所述散热铜棒的凹陷，另一端面开沉孔，凹陷螺钉通过该沉孔将所述散热片与所述散热铜棒固定；所述印制电路板支架为铝制半环形结构，两端分别与所述散热帽、散热片连接，底面固定所述电子学板的母线电路板，内部顶面开槽固定所述电子学板的前级放大电路板和成型电路板，顶面设有电源线和信号线的线孔，侧面固定到所述外筒内壁。

7.如权利要求1所述的空间主动激发X射线荧光探测器，其特征在于，所述激发源组件包括多个激发源和激发源支撑结构，所述激发源圆形均匀分布于所述外筒前端中心区域，每一激发源分别与一准直器连接；所述激发源支撑结构的材料为聚酰亚胺，且聚酰亚胺表面镀铝；多个所述红外距离感知器圆形均匀分布于所述外筒前端边缘区域。