CN105785426B - 一种空间中性原子成像仪定标的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种空间中性原子成像仪定标方法，所述方法包括：步骤101，采用粒子输运计算工具计算不同能量粒子在传感器内的能量沉积值,并记录粒子能量和能量沉积的对应关系；步骤102，依据中性原子成像仪的能道设置及粒子能量和能量沉积的对应关系，计算不同能量的中性原子的粒子在中性原子成像仪传感器内的能量沉积，并依据计算得到的能量沉积计算中性原子中的电子的电子能量，得到若干能当能量点；步骤103真空罐内真空转台携带电子检测仪和待测仪器先后对电子束流进行测量，从而实现对待测仪器的各项指标比对测试。利用本发明的定标方法和装置可以为中性原子探测类仪器的能量、通量的精度、分辨率等定标提供定标，从而保障仪器研制的质量。

Description

一种空间中性原子成像仪定标的方法及装置

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成像仪器定标测试方法及其装置。

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。

对于中性原子成像仪的测量准确性和运行稳定性，都需要地面实验来进行检验刻度定标，但是由于目前尚无可以直接利用的实验室中性原子束源，国内目前正在建设有电子加速器，因此需要利用电子加速器开展空间中性原子探测仪器定标。

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需要地面定标设备的技术问题，本发明提供了一种空间能量中性原子成像仪定标方法及装置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种空间中性原子成像仪定标方法，所述方法包括：

步骤101，采用粒子输运计算工具计算不同能量粒子在传感器内的能量沉积值,并记录粒子能量和能量沉积的对应关系；

其中，所述粒子输运计算工具包括Geant4、MCNP或TRIM；所述粒子包括中性原子氢、中性原子氧和电子；

步骤102，依据中性原子成像仪的能道设置及粒子能量和能量沉积的对应关系，计算不同能量的中性原子的粒子在中性原子成像仪传感器内的能量沉积，并依据计算得到的能量沉积计算中性原子中的电子的电子能量，得到若干能档能量点；

步骤103，当中性原子成像仪定标不同能道的电子能量后，设置电子加速器的加速高压进而将电子束流输出，根据电子检测仪测得的电子束流各个指标值对中性原子成像仪测量的电子束流的指标值进行校正，即中性原子成像仪利用电子束流包含的能量电子对中性原子成像仪的能档能量点进行校正定标。

此外，本发明还提供了一种空间中性原子成像仪定标装置，所述装置包括：电子加速器、真空罐、真空转台、真空抽气单元、粒子检测仪；

所述电子加速器用于输出定标所需要的电子束流；

所述真空罐用于为电子束流漂移和中性原子成像仪的定标过程提供真空腔体空间，所述电子加速器与所述真空罐壁连接，且所述真空罐安装于真空转台上；

所述真空转台为还用于安装所述粒子检测仪和待定标的中性原子成像仪，通过真空转台的转动使得当需要电子检测时所述的粒子检测仪能够移动至电子束流区域，通过真空转台的转动还使得当需要定标时所述粒子检测仪从电子束流区域移开随后再将把中性原子成像仪移入电子束流区域；

所述真空抽气单元用于抽走真空罐中的气体并维持真空罐的真空状态；

其中，所述粒子检测仪用于检测电子束流的电子能量和通量。

可选的，上述真空转台包括：转台托盘、转台支架及底板，所述底板上设置有导轨，所述转台支架位于转台导轨上，进而控制转台支架移动；所述转台托盘放置在转台支架上，所述转台托盘用于放置粒子检测仪和待定标的中性原子成像仪。

可选的，上述真空抽气单元包含：控制台、机械泵、分子泵、低温泵及检测仪器，控制台用于控制机械泵、分子泵、低温泵及检测仪器开、关机并记录运行状态和真空度。控制台连接机械泵、分子泵、低温泵和检测仪器的电气系统，分子泵与低温泵都直接与真空罐连接，分子泵通过机械泵与大气相连，检测仪器安装在真空罐壁。

可选的，上述电子束流到达样品位置处的束流截面以内粒子能量不均匀性小于200％。所述电真空罐的内部横截面积不小于10cm²，且内壁光滑；所述真空罐至少有一端能够开合，同时打开时口的直径与真空罐内径相差小于10％。所述真空转台采用双转台导轨、双转台支架，两个转台支架独立运行，各转台支架安装转台托盘；其中，一个转台托盘放置粒子检测仪，另一个转台托盘放置待定标的中性原子成像仪。所述转台支架沿垂直和水平两个方向移动，所述转台托盘沿垂直方向移动。所述真空罐在试验时期应保持在10^-3Pa以上真空度。所述真空罐由不锈钢材料构成，且真空罐为圆筒状。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的一种空间能量中性原子成像仪定标方法及装置，在目前没有中性原子束流设备的情况下，可以为空间中性原子探测类仪器提供宽能谱、大动态的中性原子束流进行定标，并且保持真空罐内高真空以利于定标实验的开展。

附图说明

图1为本发明的空间能量中性原子成像仪定标方法的步骤流程图。

图2为根据本发明的空间能量中性原子成像仪定标装置结构示意图。

图3为图2朝A-A向剖面示意图。

图4为根据本发明的定标装置的真空转台示意图。

图5为根据本发明的定标装置的真空抽气系统示意图。

附图标记

1、真空罐 2、监控摄像机 3、罐壁观察窗

4、中性原子成像仪 5、真空转台 6、电子加速器

7、数据采集子系统 8、真空抽气单元 9、粒子检测仪

10、转台支架 11、转台托盘 12、转台导轨

13、真空机械泵 14、真空分子泵 15、真空低温泵

16、真空检测仪 17、真空控制台

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利用电子加速器进行空间中性原子成像仪定标方法及装置进行详细说明。

图1为本发明的利用电子加速器进行空间中性原子成像仪定标方法的流程图，包括3个步骤：

步骤101，采用粒子输运计算工具计算出不同能量粒子传感器内的能量沉积,并记录粒子能量和能量沉积的对照关系。

其中，所述粒子输运计算工具采用Geant4。

其中，所述粒子包括中性原子氢和中性原子氧。

步骤102，依据中性原子成像仪的能道设置和粒子能量和能量沉积关系，计算不同能量中性原子粒子在传感器内的能量沉积，并将能量沉积计算出相应所需要的电子能量。

步骤103，获得中性原子成像仪定标不同能道的电子能量之后，设置电子加速器相应的加速电压进行电子束流输出获得中性原子成像仪定标不同能道的电子能量之后，设置电子加速器相应的加速高压进行电子束流输出，中性原子成像仪利用能量电子进行定标。

图2和图3为本发明的一个实施例的空间能量中性原子成像仪定标装置的结构示意图。定标装置包括电子加速器6、真空罐1、真空转台5、真空抽气单元8。

所述电子加速器用来输出定标所需要的电子束流。

所述真空罐1由不锈钢材料构成，真空罐为圆筒状，为定标系统提供真空腔体空间，模拟太空的真空状态，侧壁安装有可供观测透明窗，电子加速器与真空罐壁连接，底部安装有真空转台。

所述真空转台5为弱磁结构，用来为空间中性原子成像仪和测试仪器提供适当配合位置，真空转台的支架可以安装粒子检测仪9、中性原子成像仪。使得在需要电子检测的将粒子检测仪9移动至电子束流区域，定标时候电子检测仪移离束流区域，并且把中性原子成像仪移入。

其中，所述真空转台5包括转台托盘11、转台支架10及转台导轨12。

所述真空抽气单元由控制台17、机械泵13、分子泵14、低温泵15及检测仪16器构成，用来为真空罐1抽走气体并维持真空罐真空。控制台17用来控制机械泵13、分子泵14及低温泵15的有序工作，机械泵13用来初级抽气，分子泵14用来较高真空抽取，而低温泵15用来维持高真空进行试验。

所述电子束流到达样品位置处的束流截面以内粒子能量不均匀性小于200％，以便于模拟实验尽可能的模拟空间大面积照射情况。

所述电子束流至少可以连续输出束流1分钟以上，以便于可以进行稳定的仪器定标。

所述电真空罐的内部横截面积不小于10cm²，以便于安装可以开展试验所需设备，内壁光滑，内表面不平整度小于1cm，以便于降低内壁的粒子散射。所述真空罐至少有1端可以开门，同时门的直径与真空罐内径相差在10％以内，以便于在试验前后物品的进出。

所述真空转台采用双导轨、双支架，便于两个支架可以独立运行；1个支架用来安装粒子检测仪，1个支架用来安装待定标仪器。所述真空转台，转台支架可以水平两个方向移动，移动精度为不大于1cm，转台托盘可以在垂直方向移动，移动精度为不大于1cm，以便于尽可能的降低测量和试验的对准误差。

所述真空罐在试验时期应保持在10^-3Pa以上真空度，以降低残留气体对于粒子束流干扰和低气压放电。

如图4为本发明的一个实施例的真空转台示意图。真空转台为弱磁结构，用来为待定标仪器和测试仪器提供适当配合位置，真空转台的支架可以安装电子检测仪、待定标仪器。使得在需要电子检测的将粒子监测仪移动至粒子束流区域，粒子照射样品的时候粒子检测仪移离粒子束流区域，并且把试样样品移入粒子束流区域。其中，所述真空转台包括转台托盘、转台支架及转台导轨。

如图5为本发明的一个实施例的真空抽气单元8示意图。所述真空抽气单元由控制台、机械泵、分子泵、低温泵及检测仪器构成，用来为真空罐抽走气体并维持真空罐真空。控制台用来控制机械泵、分子泵及低温泵的有序工作，机械泵用来初级抽气，分子泵用来较高真空抽取，而低温泵用来维持高真空进行试验。

在本实施例中，电子束流到达样品位置处的束流截面以内粒子能量不均匀性小于200％，以便于模拟实验尽可能的模拟空间大面积照射情况。至少可以连续输出束流1分钟以上，以便于可以进行稳定的仪器定标。

在本实施例中，真空罐的内部横截面积不小于10cm²，以便于安装可以开展充放电试验所需设备，内壁光滑，内表面不平整度小于1cm。真空罐至少有1端可以开门，同时门的直径与真空罐内径相差在10％以内，以便于在试验前后物品的进出。

在本实施例中，所述真空转台采用双导轨、双支架，便于两个支架可以独立运行；1个支架用来安装粒子检测仪，1个支架用来安装待测仪器。所述真空转台，转台支架可以水平两个方向移动，移动精度为不低于1cm，转台托盘可以在垂直方向移动，移动精度为不低于1cm，以便于尽可能的降低测量和试验的对准误差。

在本实施例中，所述真空罐在试验时期应保持在10^-3Pa以上真空度，以降低残留气体对于电子束流干扰和低气压放电。

总之，本发明提供的一种利用电子加速器进行空间中性原子成像仪定标的方法及装置，定标方法包括3个步骤，定标装置包括电子加速器、真空罐、真空转台、真空抽气系统部分构成。电子加速器用于输出相应能量电子，真空罐内真空转台携带电子检测仪和待测仪器先后对电子束流进行测量，从而实现对待测仪器的各项指标比对测试。

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)

1.一种空间中性原子成像仪定标装置，其特征在于，所述装置包括：电子加速器、真空罐、真空转台、真空抽气单元、粒子检测仪；

所述电子加速器用于输出定标所需要的电子束流；

所述真空罐用于为电子束流漂移和中性原子成像仪的定标过程提供真空腔体空间，所述电子加速器与所述真空罐壁连接，且所述真空罐安装于真空转台上；

所述真空转台为还用于安装所述粒子检测仪和待定标的中性原子成像仪，通过真空转台的转动使得当需要电子检测时所述的粒子检测仪能够移动至电子束流区域，通过真空转台的转动还使得当需要定标时所述粒子检测仪从电子束流区域移开随后再将中性原子成像仪移入电子束流区域；

所述真空抽气单元用于抽走真空罐中的气体并维持真空罐的真空状态；

其中，所述粒子检测仪用于检测电子束流的电子能量和通量。

2.根据权利要求1所述的空间中性原子成像仪定标装置，其特征在于，所述真空转台包括：转台托盘、转台支架及底板，所述底板上设置有导轨，所述转台支架位于转台导轨上，进而控制转台支架移动；

所述转台托盘放置在转台支架上，所述转台托盘用于放置粒子检测仪和待定标的中性原子成像仪。

3.根据权利要求1所述的空间中性原子成像仪定标装置，其特征在于，所述真空抽气单元包含：控制台、机械泵、分子泵、低温泵及检测仪器，控制台用于控制机械泵、分子泵、低温泵及检测仪器开、关机并记录运行状态和真空度；控制台连接机械泵、分子泵、低温泵和检测仪器的电气系统，分子泵与低温泵都直接与真空罐连接，分子泵通过机械泵与大气相连，检测仪器安装在真空罐壁。

4.根据权利要求1所述的空间中性原子成像仪定标装置，其特征在于，所述电子束流到达样品位置处的束流截面以内粒子能量不均匀性小于200％。

5.根据权利要求1所述的空间中性原子成像仪定标装置，其特征在于，电真空罐的内部横截面积不小于10cm²，且内壁光滑；

所述真空罐至少有一端能够开合，同时打开时口的直径与真空罐内径相差小于10％。

6.根据权利要求1所述的空间中性原子成像仪定标装置，其特征在于，所述真空转台采用双转台导轨、双转台支架，两个转台支架独立运行，各转台支架安装转台托盘；其中，一个转台托盘放置粒子检测仪，另一个转台托盘放置待定标的中性原子成像仪。

7.根据权利要求1所述的空间中性原子成像仪定标装置，其特征在于，转台支架沿垂直和水平两个方向移动，转台托盘沿垂直方向移动。

8.根据权利要求1所述的空间中性原子成像仪定标装置，其特征在于，所述真空罐在试验时期应保持在10^-3Pa以上真空度。

9.根据权利要求1所述的空间中性原子成像仪定标装置，其特征在于，所述真空罐由不锈钢材料构成，且真空罐为圆筒状。

10.一种空间中性原子成像仪定标方法，该定标方法基于权利要求1-9任意一项权利要求记载的装置，所述方法包括：

步骤101，采用粒子输运计算工具计算不同能量粒子在传感器内的能量沉积值,并记录粒子能量和能量沉积的对应关系；

其中，所述粒子输运计算工具包括Geant4、MCNP或TRIM；所述粒子包括中性原子氢、中性原子氧和电子；

步骤102，依据中性原子成像仪的能道设置及粒子能量和能量沉积的对应关系，计算不同能量的中性原子的粒子在中性原子成像仪传感器内的能量沉积，并依据计算得到的能量沉积计算中性原子中的电子的电子能量，得到若干能档能量点；

步骤103，当中性原子成像仪定标不同能道的电子能量后，设置电子加速器的加速高压进而将电子束流输出，根据电子检测仪测得的电子束流各个指标值对中性原子成像仪测量的电子束流的指标值进行校正，即中性原子成像仪利用电子束流包含的能量电子对中性原子成像仪的能档能量点进行校正定标。