CN105607107B - 一种利用栅网调控的空间能量粒子的多方向探测装置 - Google Patents

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一种利用栅网调控的空间能量粒子的多方向探测装置，包括：准直器、调制编码栅网、半导体传感器、电子学部分及机壳，其中准直器用于限定能量粒子的空间探测范围，调制编码栅网用于限制不同方向的粒子的通量，半导体传感器用于探测能量粒子的能量，且半导体传感器为像素型的固体传感器，当空间粒子进入该半导体传感器时由于损失能量而在其两侧电极激起电信号脉冲；电子学部件用于对半导体传感器提供的电信号进行处理，以提供反映空间粒子能量粒子种类和能量。

Description

一种利用栅网调控的空间能量粒子的多方向探测装置
技术领域
本发明涉及空间探测技术领域，尤其涉及一种用于空间能量粒子的探测装置。
背景技术
自从人类在首次发射升空卫星后发现了地球辐射带以来，能量范围在1keV到数MeV之间的空间能量粒子(包括电子、质子及其他离子)就引起了人们广泛的兴趣。能量粒子存在于地球磁层各个区域及其边界层，是磁层中出现极光、磁暴、高能电子暴等许多空间物理现象的重要诱因，是太阳风-磁层-电离层能量耦合与传输过程中的重要媒介。能量粒子在磁层内的加速机制问题及其起源问题是能量粒子研究中尚待解决的两个最基本的问题。能量粒子相对于地球磁力线的投掷角分布与这些问题密切相关，是研究磁层物理过程的重要依据。获得能量粒子投掷角分布是准确地评估空间辐射环境、建立各类辐射带模型的基础，因此对于空间能量粒子开展多方向的探测从而获得空间能量粒子的投掷角分布具有十分重要的科学和现实意义。
空间能量粒子的多方向探测可以采用各种方法，包括半球形静电分析仪法、磁场偏转法、小孔成像法，但是这些方法都存在着不足之处。静电分析仪的方法由于存在着静电高压过高放电的风险，所探测的空间粒子的能量范围过窄；磁场偏转法存在着入射角度范围有限、增加重量较大、存在着磁场泄漏风险等；小孔成像法存在着探测装置体积较大的不足。
发明内容
因此，为了克服上述问题，本发明提供一种利用栅网调控的空间能量粒子的多方向探测装置，该装置采用栅网对空间各个方向的能量粒子流的强度进行调制，经过栅网调控后的空间能量粒子紧接着被传感器测量到。相对于磁场偏转和小孔成像法而言，实现相同空间分辨率和能量分辨率的需求下，本发明将可以实现更低的质量和体积、从而降低对于卫星平台的要求。
为实现上述目的，本发明提出了一种利用栅网调控的空间能量粒子的多方向探测装置，所述探测装置包括：准直器、调制编码栅网、半导体传感器、电子学部分及机壳，其中准直器用于限定能量粒子的空间探测范围，调制编码栅网用于限制不同方向的粒子的通量，半导体传感器用于探测能量粒子的能量，且半导体传感器为像素型的固体传感器，当空间粒子进入该半导体传感器时由于损失能量而在其两侧电极激起电信号脉冲；电子学部件用于对半导体传感器提供的电信号进行处理，以提供反映空间粒子能量粒子种类和能量。
优选地，所述的准直器采用铝合金材料制成，厚度为不小于2mm。
优选地，所述的调制编码栅网采用金属材料制成，厚度为不小于1mm。
优选地，所述的调制编码栅网通过在金属板内进行镂空而形成狭缝的方式来构成，狭缝宽度及其间距比例依据具体设计设定。
优选地，所述的半导体传感器采用厚度为不小于0.1mm、小于3mm、灵敏面积不小于2mm×2mm的硅或金刚石类传感器，半导体传感器上的每个像素点独立地输出信号。
优选地，每个所述探测装置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，且排列成与调制编码栅网相对应的一维状。
优选地，所述的半导体传感器后设置有相应的前置放大器，且采用集成运放电容反馈方式。
优选地，每个前置放大器后相应地设置有成形电路。
优选地，电子学部件包括：主放大器，用于将一路成形电路输出的信号进行放大；峰保电路，用于对每个主放大器放大后的信号分别进行脉冲峰值保持；A/D采集电路，用于对峰值保持后的信号进行模数转换；FPGA电路，用于将所有的A/D采集电路得到的数字信号进行幅度分析和数据处理，其中不同的幅度代表着不同能量的电子或质子。
优选地，本发明的探测装置还包含输出接口电路，用于与卫星总线进行数据通信。
本发明的利用栅网调控的空间能量粒子的多方向探测装置的优点在于：使得待探测的整个能量范围内的空间能量粒子都可以进入到传感器，从而可以扩大空间能量粒子的探测范围，并且在相同的探测需求下，可以降低探测装置所需的空间和体积，降低对卫星平台的需求。在有限空间内减少了磁场部件以及隔离部件，从而有更多空间作为光路利用；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，这样可提高空间粒子的利用率。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的多方向探测装置的结构剖视图。
图2为根据本发明的一个实施例的调制编码栅网的结构示意图。
图3为根据本发明的一个实施例的像素型半导体传感器的结构示意图。
图4为根据本发明的一个实施例的多方向探测装置的电气结构示意图。
附图标记
1、准直器 2、调制编码栅网 3、半导体传感器
4、机壳
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的利用栅网调控的空间能量粒子的多方向探测装置进行详细说明。
图1为根据本发明的一个实施例的多方向探测装置的结构剖视图。如图1所示，该多方向探测装置包括准直器1、调制编码栅网2、半导体传感器3及机壳4，这里，准直器1的功能在于将杂散的空间能量粒子限定在探测范围以内；调制编码栅网2用于将不同方向的空间能量粒子调制进入半导体传感器3，而空间能量粒子在进入半导体传感器3内后会损失能量，因此便会在其两侧电极激起电信号脉冲，经适当的处理后的信号便可以给出粒子在传感器中的能量沉积，结合调制栅网的结构参数，就可以进一步给出空间能量粒子的空间分辨、能量分辨等。
优选地，所述的准直器采用铝合金材料制成，厚度为不小于2mm。
图2显示了根据本发明的一个实施例的调制编码栅网的结构示意图。调制编码栅网通过在金属板内进行镂空而形成狭缝来构成，此实施例中狭缝宽度及其间距之比符合正弦规律，采用铜制材料制成，厚度为1mm。显然，在另外的实施例中，调制编码栅网的狭缝宽度及其间距之比可以根据具体需求来设置。
图3显示了根据本发明的一个实施例的像素型半导体传感器的结构示意图。其中，半导体传感器采用厚度为0.3mm、灵敏面积为10mm×2mm的离子注入型硅传感器。像素传感器数目至少为3个，所述的像素型硅质传感器均位于同一平面上，且排列成与调制编码栅网相对应的一维状。
图4所示为根据本发明的一个实施例的栅网调控空间能量粒子多方向探测装置的一个子探测装置的电气实现原理框图。其中，对应于图3中实施例的3个半导体传感器，此实施例中的电子学部件包括三路电学处理通路，每个通路分别包括：主放大器，用于将一路成形电路输出的信号进行放大；峰保电路，用于对每个主放大器放大后的信号分别进行脉冲峰值保持；A/D采集电路，用于对峰值保持后的信号进行模数转换；FPGA电路，用于将所有的A/D采集电路得到的数字信号进行幅度分析和数据处理，其中不同的幅度代表着不同能量的电子或质子。显然，在另外的实施例中，当半导体传感器的数量大于3时，电学处理通路的数量应相应地进行设置。
图4中的实施例的电气实现原理框图中还包括一输出接口电路，用于与卫星总线进行数据通信。
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 (10)

1.一种利用栅网调控的空间能量粒子的多方向探测装置，其特征在于包括：准直器、调制编码栅网、半导体传感器、电子学部件及机壳，其中准直器用于限定能量粒子的空间探测范围，调制编码栅网用于限制不同方向的粒子的通量，半导体传感器用于探测能量粒子的能量，且半导体传感器为像素型的固体传感器，当空间粒子进入该半导体传感器时由于损失能量而在其两侧电极激起电信号脉冲；电子学部件用于对半导体传感器提供的电信号进行处理，以提供反映空间粒子能量粒子种类和能量。
2.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于：所述的准直器采用铝合金材料制成，厚度为不小于2mm。
3.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于：所述的调制编码栅网采用金属材料制成，厚度为不小于1mm。
4.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于：所述的调制编码栅网通过在金属板内进行镂空而形成狭缝的方式来构成，狭缝宽度及其间距比例依据具体设计设定。
5.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于：所述的半导体传感器采用厚度为不小于0.1mm且小于3mm且灵敏面积不小于2mm×2mm的硅或金刚石类传感器，半导体传感器上的每个像素点独立地输出信号。
6.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于：每个所述探测装置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，且排列成与调制编码栅网相对应的一维状。
7.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于：所述的半导体传感器后设置有相应的前置放大器，且采用集成运放电容反馈方式。
8.根据权利要求7所述的探测装置，其特征在于：所述前置放大器后相应地设置有成形电路。
9.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于：所述电子学部件包括：主放大器，用于将一路成形电路输出的信号进行放大；峰保电路，用于对每个主放大器放大后的信号分别进行脉冲峰值保持；A/D采集电路，用于对峰值保持后的信号进行模数转换；FPGA电路，用于将所有的A/D采集电路得到的数字信号进行幅度分析和数据处理，其中不同的幅度代表着不同能量的电子或质子。
10.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于：所述的探测装置还包含输出接口电路，用于与卫星总线进行数据通信。
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