CN105277996B - 一种空间中性原子成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种空间中性原子成像装置，包括若干个沿圆周向分布的成像单元，相邻的成像单元之间的夹角相同；该成像单元包括：准直器、偏转电极板、半导体传感器和编码调制板，所述的准直器、编码调制板、偏转电极板及半导体传感器由上至下依次连接，所述的半导体传感器和编码调制板平行设置，所述的偏转电极板成对平行排列于半导体传感器和编码调制板之间，且该偏转电极板与编码调制板垂直。利用该装置在提高成像空间分辨率和时间分辨率的需求下采用栅网对空间各个方向的粒子流强度进行调制，而后在明确调制栅网、偏转电极及传感器组合结构的参数下，与基于机械分隔测量法的中性原子成像仪相同重量和体积下，获得更好的空间分辨率和时间分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及空间探测技术领域，尤其涉及一种空间中性原子成像装置。
背景技术
空间环境科学研究进展表明空间天气变化，尤其是磁层亚暴和磁暴，呈全球演化特征。卫星局地空间的等离子体探测只反映了卫星所经过区域的物理特性，且同时具有空间变化和时间变化因素，因此，卫星局地空间的等离子体探测很难满足对空间等离子体全球时、空演化物理特征的空间探测需求。针对粒子响应能段和特定空间区域，开发具有遥测功能的粒子成像探测技术是开展空间物理研究和空间天气环境监测的迫切要求。
中性原子成像是近年来应用于空间探测的一种高新技术，是目前对空间等离子体和中能粒子分布进行可视化遥感的唯一途径。由于中性原子的空间分布和通量变化与地磁活动密切相关，中性原子成像探测包含了等离子体空间分布信息和时间演化过程，可以满足磁暴期间对全球等离子体背景演化过程的空间探测需求，该中性原子成像探测技术将成为未来空间天气环境监测的重要技术。
目前中性原子成像仪均采用机械分隔不同方向，而后进行各个像素独立成像的方法进行测量。这种测量方法由于需要机械分隔，因此存在着方向分辨率较低和体积较大的问题，限制了在卫星上的搭载应用。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有的中性原子成像仪器存在着空间分辨率较低的技术问题，本发明提供了一种空间中性原子成像装置，利用该装置可以在提高成像空间分辨率和时间分辨率的需求下采用栅网对空间各个方向的粒子流强度进行调制，而后在明确调制栅网、偏转电极及传感器组合结构的参数下，可以在与基于机械分隔测量法的中性原子成像仪相同重量和体积下，获得更好的空间分辨率和时间分辨率。
为实现上述目的，本发明提出了一种空间中性原子成像装置，所述成像装置包括若干个成像单元；每个成像单元又包括:准直器、偏转电极板、半导体传感器和编码调制板；所述的准直器、编码调制板、偏转电极板及半导体传感器由上至下依次连接，所述的半导体传感器和编码调制板平行设置，所述的偏转电极板成对平行排列于半导体传感器和编码调制板之间，且该偏转电极板与编码调制板垂直；所述准直器用于限定中性原子的空间测量范围；所述编码调制板用于筛选空间测量范围内的中性原子进行透过；所述偏转电极板用于偏转过滤所述空间测量范围内的带电粒子；所述半导体传感器用于测量中性原子的能量。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的偏转电极板采用铝合金材料制成，该偏转电极板通过加载高压偏转过滤空间测量范围内的带电粒子。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的编码调制板采用铜制材料制成，该编码调制板设计为“遮挡-空隙”周期性栅网结构。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的半导体传感器采用像素型硅质传感器，该像素型硅质传感器上的每个像素点独立输出信号。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的像素型半导体传感器上每个像素面积为10mm×10mm，所有像素特性保持一致。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的成像单元数至少为10个，以实现至少36度的圆周向分辨。
作为上述技术方案的进一步改进，所述成像单元的偏转电极板的高度为210mm，成对的偏转电极板的间距为10mm，从而实现对于300keV以下能量带电粒子进行偏转。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的编码调制板采用铜质材料制成，其厚度为0.5mm，以实现遮挡小于300keV以上所有粒子而实现调制。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的编码调制板与半导体传感器的间距为210mm。
本发明的一种空间中性原子成像装置的优点在于：
本发明的空间中性原子成像装置在有限空间内减少了隔离部件，实现更多空间作为光路利用，从而提高了空间分辨率；并且在每个半导体传感器像素上都可以接收各个方向的粒子，将现有的每个像素独享一个准直器的结构改进为所有的像素共享一个准直器，提高了粒子的利用率，降低了空间粒子的损失比例，从而提高了时间分辨率。
附图说明
图1为本发明的一种空间中性原子成像装置示意图。
图2为本发明中的成像单元结构立式剖面图。
图3为沿图2中A-A方向的截面视图。
图4为本发明的一种空间中性原子成像装置中的编码调制板结构示意图。
图5为本发明的一种空间中性原子成像装置中的像素型半导体传感器结构示意图。
附图标记
1、成像单元 2、准直器壁板 3、编码调制板
4、偏转电极板 5、半导体传感器
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的一种空间中性原子成像装置进行详细说明。
如图1所示，本发明的一种空间中性原子成像装置，所述的成像装置包括若干个成像单元1，成像单元1之间以一定角度偏差进行排列，以实现对于空间圆周向调制，在本实施例中，通过10个成像单元1便可以对空间实现36度的圆周向分辨。10个单元立式安装，所有的朝向一致。所述成像单元1由准直器、编码调制板3、偏转电极板4及半导体传感器5构成，所述的准直器、编码调制板3、偏转电极板4及半导体传感器5由上至下依次连接，所述的半导体传感器5和编码调制板3平行设置，所述的偏转电极板4成对平行排列于半导体传感器5和编码调制板3之间，且该偏转电极板4与编码调制板3垂直；所述准直器由一对准直器壁板2构成，以限制粒子来流方向；两块偏转电极板平行以保证电场均匀，其间距为10mm，且在偏转电极板之间的间隙采用聚四氟乙烯材料填充隔离；所述半导体传感器5为像素型硅质半导体传感器，采用离子注入型硅传感器从而尽可能的降低传感器的噪声；所述编码调制板3与半导体传感器5之间保证平行，两者的间距为210mm。
根据中性原子成像所测量的中性原子范围需达到300keV的要求，所述成像装置的偏转电极板4长度可为210mm，该偏转电极板4之间的间隔为10mm，以实现对于300keV以下能量带电粒子进行偏转。所述成像装置中编码调制板3的栅网厚度为0.5mm，以实现对于300keV以下能量的粒子进行阻挡调制。
在基于上述空间中性原子成像装置，所述的编码调制板3可采用“遮挡-缝隙”周期性栅网结构。当该成像装置工作时，来自空间中低于300keV的粒子会在栅网的某些位置被遮挡，而有的位置会从“缝隙”穿透而被传感器接收到，实现编码调制板3的调制作用。
另外，为了降低带电粒子由于偏转碰撞电极板表面或穿透过程与极板材料的作用产物过于复杂，所述偏转电极板4可采用低原子序数材料制成，如采用航天铝材制成，从而降低带电粒子发生碰撞的概率。
在基于上述空间中性原子成像装置，所述的偏转电极板之间构成平行空腔。当该偏转电极板工作时，相邻的两层偏转电极板加载电性相反的静电高压，在空腔内部形成垂直于偏转电极板的电场空间，使入射的带电粒子受到静电作用而发生偏转，而此时中性原子不受到静电场作用，会以入射方向直接出射。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种空间中性原子成像装置，其特征在于，包括若干个沿圆周向分布的成像单元，相邻的成像单元之间的夹角相同；该成像单元包括：准直器、偏转电极板、半导体传感器和编码调制板，所述的准直器、编码调制板、偏转电极板及半导体传感器由上至下依次连接，所述的半导体传感器和编码调制板平行设置，所述的偏转电极板成对平行排列于半导体传感器和编码调制板之间，且该偏转电极板与编码调制板垂直；所述准直器用于限定中性原子的空间测量范围；所述编码调制板用于筛选空间测量范围内的中性原子进行透过；所述偏转电极板用于偏转过滤所述空间测量范围内的带电粒子；所述半导体传感器用于测量中性原子的能量。
2.根据权利要求1所述的空间中性原子成像装置，其特征在于，所述的偏转电极板采用铝合金材料制成。
3.根据权利要求1所述的空间中性原子成像装置，其特征在于，所述的编码调制板采用铜制材料制成，该编码调制板采用“遮挡-空隙”周期性栅网结构。
4.根据权利要求1所述的空间中性原子成像装置，其特征在于，所述的半导体传感器采用像素型硅质传感器，该像素型硅质传感器上的每个像素点独立输出信号。
5.根据权利要求4所述的空间中性原子成像装置，其特征在于，所述像素型硅质传感器中的每个像素面积为10mm×10mm，且所有像素特性保持一致。
6.根据权利要求1所述的空间中性原子成像装置，其特征在于，所述的成像单元的数量至少为10个，用于实现至少36度的圆周向分辨。
7.根据权利要求1所述的空间中性原子成像装置，其特征在于，所述的偏转电极板的高度为210mm，成对的两块偏转电极板的间距为10mm。
8.根据权利要求1所述的空间中性原子成像装置，其特征在于，所述的编码调制板采用铜质材料制成，其厚度为0.5mm。
9.根据权利要求1所述的空间中性原子成像装置，其特征在于，所述的编码调制板与半导体传感器的间距为210mm。
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