CN105589105B - 一种空间中性原子傅立叶成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种空间中性原子傅立叶成像装置，包括两个指向相同区域的成像单元，每个成像单元包括上栅网调制板和下栅网调制板；所述的上栅网调制板和下栅网调制板均采用“遮挡‑缝隙”周期性栅网结构，其中一个成像单元的上栅网调制板内的缝隙缝隙与下栅网调制板内的缝隙缝隙在垂直方向上全部重叠；另一个成像单元的上栅网调制板内的缝隙缝隙与下栅网调制板内的缝隙缝隙在垂直方向上部分重叠，该缝隙缝隙的遮挡面积与重叠面积之比为1：1。上述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；提高了粒子的利用率，降低了空间粒子的损失比例。

Description

一种空间中性原子傅立叶成像装置
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傅立叶成像装置。
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傅立叶成像装置，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傅立叶成像装置，所述成像结构包括两个指向相同区域的成像单元；每个成像单元又包括:准直器、偏转电极板、半导体传感器、上栅网调制板和下栅网调制板；所述准直器用于限定中性原子的空间测量范围；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；所述的准直器、上栅网调制板、下栅网调制板及半导体传感器由上至下依次平行排列，所述的偏转电极板成对平行排列于半导体传感器和上栅网调制板之间，且该偏转电极板与上栅网调制板垂直；所述的上栅网调制板和下栅网调制板均采用“遮挡-缝隙”周期性栅网结构，其中一个成像单元的上栅网调制板内的缝隙与下栅网调制板内的缝隙在垂直方向上全部重叠；另一个成像单元的上栅网调制板内的缝隙与下栅网调制板内的缝隙在垂直方向上部分重叠，该缝隙的遮挡面积与重叠面积之比为1：1。
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，该偏转电极板可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，所述的上栅网调制板和下栅网调制板均采用铜制材料制成。
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，每个所述成像单元的像素型硅质传感器的数目至少为2个，所述的像素型硅质传感器均位于同一平面上，且排列成与栅网相对应的一维状。
所述的两个成像单元可安装在自旋卫星圆柱面上，从而实现立体成像观测。此时，两个成像单元的视场指向差应小于10％。
本发明的一种空间中性原子傅立叶成像装置的优点在于：
本发明的空间中性原子傅立叶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为本发明实施例的一种空间中性原子傅立叶成像装置中的两个成像单元安装于自选卫星上的位置示意图。
图2为本发明实施例中的成像单元结构剖视图。
图3为沿图2中C-C方向的截面视图。
图4为本发明实施例中的上、下栅网调制板的结构示意图。
图5为本发明实施例中的像素型半导体传感器结构示意图。
图6a为本发明实施例中的一个成像单元内中性原子的运动轨迹示意图。
图6b为本发明实施例中的另一个成像单元内中性原子的运动轨迹示意图。
附图标记
1、准直器 2、上栅网调制板 3、偏转电极板
4、下栅网调制板 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傅立叶成像装置进行详细说明。
本发明的一种空间中性原子傅立叶成像装置，包括两个指向相同区域的成像单元，每个成像单元均包括：准直器、偏转电极板和半导体传感器，所述准直器用于限定中性原子的空间测量范围，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；每个成像单元还包括上栅网调制板和下栅网调制板；所述的准直器、上栅网调制板、下栅网调制板及半导体传感器由上至下依次平行排列，所述的偏转电极板成对平行排列于半导体传感器和上栅网调制板之间，且该偏转电极板与上栅网调制板垂直；所述的上栅网调制板和下栅网调制板均采用“遮挡-缝隙”周期性栅网结构，其中一个成像单元的上栅网调制板内的缝隙与下栅网调制板内的缝隙在垂直方向上全部重叠；另一个成像单元的上栅网调制板内的缝隙与下栅网调制板内的缝隙在垂直方向上部分重叠，该缝隙的遮挡面积与重叠面积之比为1：1。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。
基于上述成像装置的结构，如图1所示，在本实施例中的空间中性原子傅立叶成像装置，所述的成像装置包括成像单元A和成像单元B，单元A和单元B成对配套安装，以实现对于空间一维调制，并借助卫星自旋以实现对空间的二维成像。2个成像单元在自旋卫星侧面安装，朝向一致。如图2所示，所述成像单元A和成像单元B均包括准直器1、上栅网调制板2、下栅网调制板4、偏转电极板3及半导体传感器5，所述的准直器1、上栅网调制板2、下栅网调制板4及半导体传感器5由上至下依次平行排列，所述的偏转电极板3成对平行排列于半导体传感器5和上栅网调制板2之间，且该偏转电极板3与上栅网调制板2垂直；所述准直器1由一对准直器壁板构成，以限制粒子来流方向；成对的偏转电极板3平行设置以保证电场均匀，且在偏转电极板3之间的间隙可采用聚四氟乙烯材料填充隔离；如图5所示的半导体传感器可采用像素型硅质半导体传感器，从而尽可能的降低传感器的噪声。如图3示出了沿图2中C-C方向的截面视图。
上述成像单元A和成像单元B中的上栅网调制板与下栅网调制板如图4所示，均采用“遮挡-缝隙”周期性栅网结构。其中成像单元A设计为如图6a所示的结构，即上栅网调制板2的缝隙与下栅网调制板4内的缝隙在垂直方向上全部重叠；而成像单元B设计为如图6b所示的结构，即上栅网调制板2内的缝隙与下栅网调制板4内的缝隙在垂直方向上部分重叠，该缝隙的遮挡面积与重叠面积之比为1：1。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”穿透而被半导体传感器接收到，实现上栅网调制板、下栅网调制板共同实现的傅立叶调制作用。
设定空间中性原子通量在空间方向α上的函数φ(α)，θ为空间方向α的中性原子束流方向与栅网法向间夹角，则成像单元A中处于第三层的半导体传感器接收到的透过两层栅网后的中性原子计数率为jA(x)＝G*φ(α)*sin(θ)，成像单元B中处于第三层的半导体传感器接收到的透过两层栅网后的中性原子计数率为jB(x)＝G*φ(α)*cos(θ)，其中G为比例系数。
如此将成像单元A和成像单元B结合起来，则最终测量得到的中性原子总计数率为jtot(x)＝jA(x)+ijB(x)＝G*φ(α)*sin(θ)+i*G*φ(α)*cos(θ)＝G*φ(α)*eiθ,即测量得到的原子总计数率jtot(x)与函数φ(α)存在着傅立叶关系，因此可以基于jtot(x)采用反傅立叶形式计算得出在空间方向α上的中性原子通量φ(α)，也即将此结构称之为傅立叶调制结构。
假设中性原子成像所测量的中性原子范围需达到300keV，所述成像装置的偏转电极板的长度可为210mm，两个偏转电极板之间的间隔为10mm，以实现对于300keV以下能量带电粒子进行偏转。此时，所述成像装置中的上栅网调制板、下栅网调制板的栅网厚度为0.5mm，以实现对于300keV以下能量的粒子进行阻挡调制。
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，所述的偏转电极板可采用低原子序数材料制成，如采用铝合金材料制成，从而降低带电粒子发生碰撞的概率。
基于上述空间中性原子傅立叶成像装置的结构，所述的上栅网调制板和下栅网调制板均可采用铜制材料制成。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 (5)

1.一种空间中性原子傅立叶成像装置，包括两个指向相同区域的成像单元，每个成像单元均包括：准直器、偏转电极板和半导体传感器，所述准直器用于限定中性原子的空间测量范围，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；其特征在于，每个成像单元还包括上栅网调制板和下栅网调制板；所述的准直器、上栅网调制板、下栅网调制板及半导体传感器由上至下依次平行排列，所述的偏转电极板成对平行排列于上栅网调制板和下栅网调制板之间，以及半导体传感器和下栅网调制板之间，且该偏转电极板与上栅网调制板垂直；所述的上栅网调制板和下栅网调制板均采用“遮挡-缝隙”周期性栅网结构，其中一个成像单元的上栅网调制板内的缝隙与下栅网调制板内的缝隙在垂直方向上全部重叠；另一个成像单元的上栅网调制板内的缝隙与下栅网调制板内的缝隙在垂直方向上部分重叠，该缝隙的遮挡面积与重叠面积之比为1：1。
2.根据权利要求1所述的空间中性原子傅立叶成像装置，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傅立叶成像装置，其特征在于，所述的上栅网调制板和下栅网调制板均采用铜制材料制成。
4.根据权利要求1所述的空间中性原子傅立叶成像装置，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傅立叶成像装置，其特征在于，每个所述成像单元的像素型硅质传感器的数目至少为2个，所述的像素型硅质传感器均位于同一平面上，且排列成与栅网相对应的一维状。
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