CN105629287B - 一种分布式卫星多方向辐射剂量率测量装置 - Google Patents

Abstract

一种分布式卫星多方向辐射剂量率测量装置，包括：与卫星数量匹配的多个子探测装置，每个子探测装置包含方向传感器、电子学部件及机壳部分，方向传感器包括：不少于一片半导体传感器，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，用于对方向传感器提供的电信号进行处理，以提供反映空间粒子辐射剂量率的信号；且每个方向传感器所包含的半导体传感器的法向在卫星经过同一个位置时处于同一个平面，每个传感器的法向在经过同一位置不重叠，并且至少其中的一个法向指向朝天面。

Description

一种分布式卫星多方向辐射剂量率测量装置

技术领域

本发明涉及探测卫星在轨时空间粒子对其的辐射效应的技术领域，更具体地说，是涉及一种基于多个卫星的用于测量空间粒子对在轨卫星的多方向的辐射剂量率的装置。

背景技术

空间辐射环境中的高能电子、高能质子及重离子等都会对在轨卫星造成辐射效应危害，其中尤其高能电子和高能质子为甚，其通量相对来说更大。空间粒子在穿越物质的过程中会由于受到原子核和核外电子形成的阻力而损失掉能量，而这些损失掉的能量将会转移给阻滞其的物质，这会导致接收这些能量的物质逐渐出现异化现象或者导致接收这些能量的器件逐渐出现性能衰减现象，这样的现象被称之为电离辐射剂量效应。物质在单位时间内遭受到的辐射剂量即被称之为剂量率，其中双极性器件在遭受到低剂量率的辐射时会出现一些输入端电压发生偏移的现象，被称之为地低剂量率增强效应。低剂量率增强效应的发生将造成器件的阈值电压发生偏移；如果阈值电压发生严重的便宜，将导致器件无法使用，这将极大影响卫星系统的可靠性，对卫星安全运行造成干扰。

由于卫星辐射低剂量率增强效应会对卫星造成干扰危害，因此，在卫星研制阶段、在轨管理及事后的故障诊断阶段，开展卫星辐射剂量率评估是一种降低误判低剂量率增强效应的危害的重要手段。开展卫星辐射剂量率评估的方法除了利用空间粒子的能谱进行评估的方法，开展直接在轨卫星的辐射剂量率的探测也是一类重要手段。由于在地球空间存在着地磁场的约束，导致空间粒子分布呈现出各向异性(特别是在地球空间的低轨道上)，进而致使粒子对卫星的辐射剂量率也存在着各向差异，因而需要开展在轨卫星在多方向上的辐射剂量率的测量。

开展在轨卫星在多方向上的辐射剂量率的探测可以采取在单颗卫星上进行，但这需要卫星的例如重量、功耗、安装尺寸等平台资源相对较多，当然也可以基于同时间同高度飞行的多颗卫星进行分布式测量，从而降低对卫星平台资源的需求而又实现多方向上的探测。

发明内容

为解决目前存在的研究双极性器件的低剂量率增强效应时需要评估低辐射剂量率的空间分布的问题，本发明提供一种基于多个卫星的分布式的多方向的辐射剂量率的探测装置。

为实现上述目的，本发明的基于多个卫星的分布式的多方向的辐射剂量率探测装置包括：与卫星数量匹配的多个子探测装置，每个子探测装置包含方向传感器、电子学部件及机壳部分，其中：

方向传感器包括：不少于一片半导体传感器，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，用于对方向传感器提供的电信号进行处理，以提供反映空间粒子辐射剂量率的信号；

且每个方向传感器所包含的半导体传感器的法向在卫星经过同一个位置时处于同一个平面，每个传感器的法向在经过同一位置不重叠，并且至少其中的一个法向指向朝天面。

根据本发明的一个实施例，方向传感器还包括前置放大器及成形电路，前置放大器用于将每片半导体传感器输出的反应带电粒子沉积能量的电荷信号分别进行放大并转变成电压脉冲信号，成形电路将前置放大器输出的电压脉冲信号成形输出。

根据本发明的一个实施例，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或两路成形电路输出的信号经过相加电路后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。

根据本发明的一个实施例，所述的子探测装置还包含卫星接口电路，用于与卫星总线进行数据通信。

根据本发明的一个实施例，所述的子探测装置还包含仪器特性检测单元，所述的检测单元电路为：各主放大器输出端经过若干个多路开关连接，所述的多路开关输出端分别连接一传感器检测电路，所述的传感器检测电路的输出端连接A/D采集电路输入端，所述的A/D采集电路输出端与FPGA输入端相连，用于及时了解到各探测支路的工作状况。

根据本发明的一个实施例，所述的方向传感器的半导体传感器采用厚度为大于0.1mm、小于3mm、灵敏面积不小于2mm×2mm的硅或金刚石类传感器。所述的方向传感器对应的前置放大器采用集成运放电容反馈方式。

根据本发明的一个实施例，所述的半导体传感器前均设置一准直器。

根据本发明的一个实施例，所述的每个准直器前方均设不小于1um厚的金属挡光层，用于防止可见光射入。

根据本发明的一个实施例，所述的子探测装置安装在卫星蒙皮以内，仅方向传感器部分通过蒙皮开口伸出。

本发明的优点在于：针对研究双极性器件低剂量率增强效应对于空间剂量率多方向探测需求，利用本发明的分布式多方向卫星辐射剂量率探测装置，可以降低对于单颗卫星平台的重量、功耗等资源需求，并且可以实现多方向的辐射剂量率探测，从而便于在航天工程进行应用。

附图说明

图1为示例的用三颗卫星来搭载本发明的多方向辐射剂量率探测装置在经过同一位置时的示意图。

图2为本发明的探测装置的子探测装置的方向传感器的结构示意图。

图3为利用本发明的多方向辐射剂量率探测装置的子探测装置的电气示意图。

附图标记：

1、多方向探测装置 2、卫星 3、准直器

4、金属挡光层 5、半导体传感器 6、机壳

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的基于多个卫星的分布式的多方向的辐射剂量率的探测装置的进行详细说明。

图1为示例的用三颗卫星来搭载本发明的多方向辐射剂量率探测装置在经过同一位置时的示意图，即此探测装置中含有三个子探测装置，每个子探测装置对应于三颗卫星2中的一颗。图2为图1中的子探测装置的方向传感器的结构示意图。如图1所示的根据本发明的一个实施例，三颗卫星2在经过同一位置时，分别包含在三个子探测装置中的方向传感器中包含的半导体传感器5的法向处在同一个平面内，在本实施例中，当三颗卫星处于赤道上空时，其中一个子探测装置的半导体传感器的法向朝天，其他两个子探测装置的半导体传感器的法向分别与其相差-45和+45度。

在图2中，根据本发明的一个实施例的基于多个卫星的分布式的多方向的辐射剂量率的探测装置的子探测装置的方向传感器包括半导体传感器5。在此实施例中，半导体传感器5还配置有准直器3、金属挡光层4器及机壳6，这里，准直器3的功能在于将散射的可见光变成平行光；金属挡光层4用于遮挡可见光进入半导体传感器5，而包括电子、质子及离子在内的空间粒子则可穿透金属挡光层4从而进入半导体传感器5；空间粒子在进入半导体传感器5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反映空间粒子在器件中的不同剂量，结合时间分析就可以得到剂量率。

优选地，所述金属挡光层4和半导体传感器5为片形结构。金属挡光层4采用的具体材料种类和厚度可以根据卫星所处轨道和测量范围进行设计选择。半导体传感器5的材质和数目可以根据测试需要来确定，具体来说，当每个方向传感器只含有一片半导体传感器时只需配套一路电子学处理电路，当每个方向传感器含有多片传感器时则相应的每片传感器配有相应的前置放大、成形电路、主放电路及峰保电路，最后统一接至A/D采集电路。半导体传感器5可以采用硅的或金刚石的，同时硅传感器可以选择离子注入型或者金硅面垒型等。

在本发明的实施例中，探测装置1的各子探测装置分别嵌入式安装在三颗卫星2的表面，即子探测装置分别安装在卫星蒙皮以内，仅方向传感器部分通过蒙皮开口伸出。所述探测装置1的各子探测装置朝向太空的方向没有遮挡。

在优选实施例中，金属挡光层4的厚度为15μm，采用铝合金材料，用于吸收可见光，避免由于光照而造成测量结果误差过大。

图3所示为根据本发明的一个实施例的探测装置的一个子探测装置的电气实现原理框图，其中虚线中的各个部件构成该子探测装置。具体来说，包括电子、质子及离子在内的粒子穿透金属挡光层4后进入半导体传感器5，在半导体传感器5内损失能量，于是在半导体传感器5两侧电极激起电信号脉冲。利用前置放大电路、成形电路、主放大电路对电信号进行放大和整形，最后再利用峰保电路获取变化峰值，并将获取的变化峰值送给A/D采集电路。A/D采集电路输出端与FPGA输入端相连，而FPGA通过卫星接口电路将该数据传送给卫星电子系统。

在一个实施例中，还包括仪器特性检测单元，所述的检测单元电路为：主放大器输出端连接经过若干个多路开关连接，所述的多路开关输出端分别连接一传感器检测电路，所述的传感器检测电路的输出端连接A/D采集电路输入端，所述的A/D采集电路输出端与FPGA输入端相连，用于及时了解到各探测支路的工作状况。

以上以三颗卫星为例说明了本发明的多方向辐射剂量率探测装置的结构设置特征和工作原理。显然，当卫星数量为二颗时，二个子探测装置可以设置得使得法向方向保证当卫星经过赤道上空时一颗卫星上的子探测装置的法向是垂直朝向天空的，另外一颗卫星上的子探测装置的法向与前者的法向呈一定角度，该角度范围为大于0度且小于90度，较好地为45度；当卫星数量为四颗时，四个子探测装置可以设置得使得法向方向保证当卫星经过赤道上空时至少有一颗卫星的子探测装置的法向是垂直朝向天空的，另外三颗卫星的子探测装置的法向与该第一颗卫星的子探测装置的法向分别呈一定角度，且这三个角度彼此不相同，该角度范围为大于0度小于90度，优选地这三个角度与第一课卫星的子探测装置的法向间呈25度、50度和75度；当其他数量卫星时，类似地，应该保证当卫星经过赤道上空时，有一颗卫星的子探测装置的法向是垂直朝向天空的，以获取最大方向剂量率。

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 (8)

1.一种基于多个卫星的分布式的多方向的辐射剂量率探测装置，其特征在于包括：与卫星数量匹配的多个子探测装置，所述的子探测装置安装在卫星蒙皮以内，仅方向传感器部分通过蒙皮开口伸出；每个子探测装置包含方向传感器、电子学部件及机壳部分，其中：

方向传感器包括：不少于一片半导体传感器，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；所述方向传感器包括：半导体传感器(5)；其中，所述半导体传感器还配置有：准直器(3)，将散射的可见光变成平行光；金属挡光层(4)，用于遮挡可见光进入半导体传感器(5)；和机壳(6)；包括电子、质子及离子在内的空间粒子穿透金属挡光层(4)从而进入半导体传感器(5)；空间粒子在进入半导体传感器(5)内后会损失能量，因此在其两侧电极激起电信号脉冲，结合时间分析，得到剂量率；

方向传感器还包括前置放大器及成形电路，前置放大器用于将每片半导体传感器输出的反应带电粒子沉积能量的电荷信号分别进行放大并转变成电压脉冲信号，成形电路将前置放大器输出的电压脉冲信号成形输出；

电子学部件，用于对方向传感器提供的电信号进行处理，以提供反映空间粒子辐射剂量率的信号；

且每个方向传感器所包含的半导体传感器的法向在卫星经过同一个位置时处于同一个平面，每个传感器的法向在经过同一位置不重叠，并且至少其中的一个法向指向朝天面。

2.根据权利要求1的探测装置，其特征在于：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或两路成形电路输出的信号经过相加电路后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。

3.根据权利要求2的探测装置，其特征在于：所述的子探测装置还包含仪器特性检测单元，所述的检测单元电路为：各主放大器输出端经过若干个多路开关连接，所述的多路开关输出端分别连接一传感器检测电路，所述的传感器检测电路的输出端连接A/D采集电路输入端，所述的A/D采集电路输出端与FPGA输入端相连，用于及时了解到各探测支路的工作状况。

4.根据权利要求1的探测装置，其特征在于：所述的子探测装置还包含卫星接口电路，用于与卫星总线进行数据通信。

5.根据权利要求1的探测装置，其特征在于：所述的方向传感器的半导体传感器采用厚度为大于0.1mm、小于3mm、灵敏面积不小于2mm×2mm的硅或金刚石传感器。

6.根据权利要求1的探测装置，其特征在于：所述的方向传感器对应的前置放大器采用集成运放电容反馈方式。

7.根据权利要求1的探测装置，其特征在于：所述的半导体传感器前均设置一准直器。

8.根据权利要求1的探测装置，其特征在于：所述的每个准直器前方均设不小于1um厚的金属挡光层，用于防止可见光射入。