CN107831526A - 一种中能电子探测单元、探测探头及探测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种中能电子探测单元、探测探头及探测器。中能电子探测单元包括屏蔽壳和多个位置灵敏探测器；屏蔽壳的一面开有小孔；位置灵敏探测器面向小孔设置在屏蔽壳内；多个位置灵敏探测器被设置于同一平面上，且位于一条直线上。中能电子探测探头包括探测单元支架和多个中能电子探测单元；多个中能电子探测单元小孔朝外地固定安装在探测单元支架上，且安装在探测单元支架上的多个中能电子探测单元位于同一平面内，且对称轴交于一点；多个中能电子探测单元的探测张角之和为180度。本发明采用了小孔成像技术，实现了同时对多方向入射的50‑600keV中能电子的能谱信息的精确测量。

Description

一种中能电子探测单元、探测探头及探测器

技术领域

本发明涉及空间粒子辐射探测载荷技术领域，具体地涉及一种中能电子探测单元、探测探头及探测器。

背景技术

50-600keV中能电子探测对航天工程具有重大意义。但在国内外空间探测中，中能电子探测都是一个薄弱环节，原因是由于传感器噪声的限制，使中能电子探测不能像对高能电子探测那样直接测量；又由于中能电子能量较高，也不能采用静电分析等对低能电子的测量方法。

国外中能电子探测起步较早，技术比较成熟。目前，国际上探测空间中能电子的仪器主要有：

一种是准直器加单一硅半导体探测器或多个硅半导体探测器组成的探测器望远镜。这类仪器的代表是NOAA-POES卫星上的MEPED的方向电子探测器和GPS卫星上的低能粒子探测器LEP。这种仪器通过准直器或望远镜结构限定电子的入射角度范围，可以测量入射电子的能谱，但很难获取电子的投掷角分布。

一种是磁谱仪(magnetic spectrometer)，如VAP卫星上的磁电子谱仪MagEIS(参考文献：Blake,J.B.,P.A.Carranza,S.G.Claudepierre,et al.,2013,The MagneticElectron Ion Spectrometer(MagEIS)Instruments Aboard the Radiation Belt StormProbes(RBSP)Spacecraft,Space Sci Rev(2013)179:383–421DOI 10.1007/s11214-013-9991-8)。磁偏转法测量中能电子利用磁铁形成的均匀磁场将入射的不同能量电子聚焦在不同位置，再通过位置灵敏或线阵列传感器测量入射电子的通量。这种方法需要采用强磁铁用于偏转电子同时扫除质子污染。采用磁偏转法的仪器的主要缺点如下：1、一套磁铁装置只能对应一个入射反向的电子，不能实现对多个入射方向的覆盖；2、强磁铁的应用，导致仪器重量大，漏磁大，非常不利于航天应用。

目前，国内还不能对50-600keV中能电子进行能谱测量。国内目前主流的电子探测技术是半导体探测器望远镜技术(参考文献:沈国红，王世金，张申毅等，2012，二期载人航天空间粒子方向探测器，核电子学与探测技术，32(5),535-538)。该技术一般由两个或多个相同灵敏面积的圆形半导体探测器构成望远镜系统，入射粒子必须穿过两个或多个探测器并能产生足够强度的信号可以进行符合逻辑输出，才能限定入射粒子的入射方向并进行能量分辨。因此，望远镜探测技术通常适用于高能粒子的探测。对于中能电子，由于其能量较低，很难穿透多片探测器形成符合信号。因此望远镜探测技术通常并不适合对中能电子的探测。如果使用望远镜探测技术测量中能电子，其主要缺点是：1、只能对单一入射方向入射的粒子进行测量；2、系统噪声高，且能量分辨率差，例如对电子的探测下限是100keV。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种中能电子探测单元、探测探头及探测器，用于解决现有技术中的中能电子探测器只能对单一入射方向入射的粒子进行测量，且系统噪声高和能量分辨率差的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种中能电子探测单元，包括：屏蔽壳和多个位置灵敏探测器；其中，所述屏蔽壳的一面开有一小孔；所述位置灵敏探测器面向所述小孔设置在所述屏蔽壳内；多个所述位置灵敏探测器被设置于同一平面上，且位于一条直线上。

于本发明的一实施例中，当所述位置灵敏探测器的数量大于两个时，多个所述位置灵敏探测器是等间距设置的。

于本发明的一实施例中，所述中能电子探测单元的探测张角由所述小孔的宽度L1和多个所述位置灵敏探测器的总宽度决定：其中，D表示所述小孔与多个所述位置灵敏探测器所在平面的垂直距离。

于本发明的一实施例中，所述位置灵敏探测器的数量为3个。

本发明还公开了一种中能电子探测探头，其特征在于：包括探测单元支架和多个如上所述的中能电子探测单元；多个所述中能电子探测单元固定安装在所述探测单元支架上，且多个所述中能电子探测单元的小孔朝外，以使所述中能电子探测单元的位置灵敏探测器通过对应的小孔采集入射的中能电子的能量；其中，安装在所述探测单元支架上的多个所述中能电子探测单元满足：多个所述中能电子探测单元位于同一平面内，且多个所述中能电子探测单元的对称轴交于一点；多个所述中能电子探测单元的探测张角之和为180度。

于本发明的一实施例中，多个所述中能电子探测单元的探测张角是相同的。

于本发明的一实施例中，所述中能电子探测单元的数量为3个，且每一个所述中能电子探测单元的探测张角为60度；所述探测单元支架的剖面形状为下底角为60度的等腰梯形。

于本发明的一实施例中，每个所述中能电子探测单元中的所述位置灵敏探测器的数量均为3个。

本发明还公开了一种中能电子探测器，包括中能电子探测探头、信号调理单元和数据处理单元；其中，所述中能电子探测探头用于采集各方向入射的中能电子的能量，并转换成电荷脉冲信号；所述信号调理单元用于放大整形所述电荷脉冲信号形成电压脉冲信号，并对所述电压脉冲信号的峰值进行模数转换，获取入射的中能电子的能量编码；所述数据处理单元用于根据所述能量编码，获取中能电子的能谱信息。

于本发明的一实施例中，所述中能电子探测探头还用于根据方向编码对电荷脉冲信号进行标识；所述方向编码为所述中能电子探测探头的位置灵敏探测器所对应的编码；所述数据处理单元根据所述方向编码和所述能量编码，获取各方向入射的中能电子的能谱信息。

如上所述，本发明的一种中能电子探测单元、探测探头及探测器，具有以下有益效果：

1、本发明的中能电子探测单元和中能电子探测探头采用了小孔成像技术，具有体积小、重量轻、无漏磁、可同时测量多方向的优点；

2、本发明的中能电子探测器，充分利用小孔成像技术，实现了同时对多个方向入射的50-600keV中能电子的能谱信息的精确测量。

附图说明

图1显示为本发明实施例公开的一种中能电子探测单元的结构示意图。

图2显示为本发明实施例公开的一种中能电子探测单元的探测张角与小孔宽度和位置灵敏探测器的总宽度的关系的原理示意图。

图3显示为本发明实施例公开的一种中能电子探测探头的立体结构示意图。

图4显示为本发明实施例公开的一种中能电子探测探头的各中能电子探测单元的成像视角示意图。

图5显示为本发明实施例公开的一种中能电子探测探头的剖面示意图。

图6显示为本发明实施例公开的一种中能电子探测器的原理结构示意图。

元件标号说明

100 320 321 322 323 中能电子探测单元

110 屏蔽壳

111 小孔

300 610 中能电子探测探头

310 探测单元支架

620 信号调理单元

630 数据处理单元

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明的一种中能电子探测单元、探测探头及探测器，充分利用小孔成像技术，将小孔和多个位置灵敏探测器配合使用形成探测单元，并将探测单元合理排布形成中能电子的探测探头，从而覆盖更大的视角，能够覆盖180度的张角范围，测量180度张角范围内的入射的中能电子的能量。进一步，如果将该探头安装在自旋稳定卫星上或仪器自身具备旋转扫描机械装置，则该探头可以实现对4π立体角的全向入射的中能电子的测量。

实施例1

如图1所示，本实施例公开了一种中能电子探测单元100，包括屏蔽壳110和多个位置灵敏探测器。其中，位置灵敏探测器的数量是根据实际测量的需要而设置的。优选地，在本实施例中，中能电子探测单元100的位置灵敏探测器的数量为3个，分别是D1、D2和D3。

屏蔽壳110的一面开有一个小孔111；屏蔽壳用于屏蔽除穿过小孔111之外的所有入射的中能电子。

位置灵敏探测器D1-D3是设置在屏蔽壳110内的，且位置灵敏探测器D1-D3是面向小孔111设置的。位置灵敏探测器是用于探测入射粒子的位置和能量。在本实施例中，入射的中能电子只能通过小孔111射入屏蔽壳110内，位置灵敏探测器D1-D3也仅仅能够采集到通过小孔111入射的中能电子的能量。优选地，位置灵敏探测器采用半导体位置灵敏探测器，例如，Si－PIN位置灵敏探测器，且半导体位置灵敏探测器的灵敏厚度为1000μm。

优选地，位置灵敏探测器D1-D3被设置于同一平面内，且位于一条直线上，如图1所示。此外，当位置灵敏探测器的数量大于两个时，优选将大于两个的位置灵敏探测器等间距的排布设置。如图1所示，3个位置灵敏探测器D1-D3中，位置灵敏探测器D1和位置灵敏探测器D2之间的距离与位置灵敏探测器D2和位置灵敏探测器D3之间的距离相等。

如上所述，位置灵敏探测器D1-D3智能采集通过小孔111射入屏蔽壳内的中能电子的能量，换句话说，每一个中能电子探测单元100只能采集其探测张角θ范围内的中能电子。探测张角θ与屏蔽壳110上小孔111的宽度和多个位置灵敏探测器的总宽度相关：

其中，多个位置灵敏探测器的总宽度为屏蔽壳110内直线排布的最外侧的两个位置灵敏探测器之间的距离。如图2所示，屏蔽壳110上的小孔111的宽度为L1，3个位置灵敏探测器的总宽度为L2，即图2中最左侧的位置灵敏探测器D1到最右侧的位置灵敏探测器D2的距离。D为小孔111到位置灵敏探测器D1-D3的垂直距离。

进一步地，屏蔽壳110内还设置一层或错层小孔准直板(未在说明书附图中进行标识)，用于精准限定小孔111的尺寸。并且，对于每一个位置灵敏探测器，屏蔽壳体内设置有探测器定位槽(未在说明书附图中进行标识)，用于准确限定位置灵敏探测器的平面与小孔之间的间距。

实施例2

本实施例公开了一种中能电子探测探头300，测量空间中各个入射方向的中能电子的能量。如图3和图4所示，本实施例的中能电子探测探头300包括探测单元支架310和多个实施例1中公开的中能电子探测单元320。多个中能电子探测单元320是固定安装在探测单元支架310上，且，安装在探测单元支架310上的中能电子探测单元320的小孔是朝外的，以便中能电子探测单元320的位置灵敏探测器可以通过对应的小孔采集入射的中能电子的能量。

由于中能电子探测单元320仅能测量探测张角内的入射中能电子的能量，因此，为了测量空间中各入射方向的中能电子的能量，就需要将多个中能电子探测单元320配合探测单元支架310进行合理排布，以使多个中能电子探测单元320的探测张角能够完全覆盖180度的范围，以期实现180度的无死角检测。因此，固定安装在探测单元支架310上的多个中能电子探测单元320满足如下关系：

1)多个中能电子探测单元位于同一平面内，且多个中能电子探测单元320的对称轴相交于一点；

2)多个中能电子探测单元的探测张角之和为180度。

优选地，如图3和图4所示，本实施例中给出了一种包括3个中能电子探测单元320的中能电子探头300，三个中能电子探测单元的结构是完全一样的，每一个中能电子探测单元都有三个位置灵敏探测器，且每一个中能电子探测单元的探测张角均为60度。

如图4所示，粗实线为探测探头的探测基准线，探测基准线的左侧为探测探头覆盖的视角方向。每个中能电子探测单元包括屏蔽壳和三个位置灵敏探测器，而中能电子探测单元的张角由小孔尺寸和多个位置灵敏探测器的总宽度确定的。如中能电子探测单元321的张角由小孔右侧边缘与三个位置灵敏探测器的左边缘所在的射线R1和小孔左侧边缘与三个位置灵敏探测器的右边缘所在的射线R2限定的。因为需要3个中能电子探测单元覆盖180度的范围，因此探测张角为60度的中能电子探测单元要按图4进行排布：图4中中能电子探测单元321的视角R1边与探测基准线平行，相邻两个中能电子探测单元(321和322之间，以及322和323之间)的对称中心(虚线)之间的角度为60度，则中能电子探测单元321的视角R2边与中能电子探测单元322的视角R3边平行，中能电子探测单元322的视角R4边与中能电子探测单元323的视角R5边平行，而中能电子探测单元323的视角R6边与探测基准线平行，这样即可实现三个中能电子探测单元对180度的全覆盖。并且，三个中能电子探测单元321/322/323的对称轴还相交于一点，如图4所示。

除此以外，三个中能电子探测单元应尽量靠近，以便于探测探头实现体积最小化设计。还要确保三个小孔成像结构的探测单元的对称轴在同一平面内，如图5所示，探测单元支架310的剖面设计为等腰梯形的形状，且该等腰梯形的下底角同样为60度。这样即可使探测探头测量的中能电子来自同一个探测平面内，有利于进行3D成像测量，同时也使探头结构尺寸和重量最小化。

需要说明的是，本实施例仅公开了一种中能电子探测单元的探测张角为60度时的中能电子探测探头的结构，但是，本发明的中能电子探测探头的中能电子探测单元的探测张角并不仅限于60度这一种情况，其探测张角还可以根据实际需要进行选择，例如30度，45度等等，只要最终多个中能电子探测单元的探测张角之和为180度即可。此外，中能电子探头中的每一个中能电子探测单元的探测张角既可以是相同的，也可以是不同的；每一个中能电子探测单元中的位置灵敏探测器的数量也既可以是相同的，也可以是不同的。

实施例3

如图6所示，本实施例公开了一种中能电子探测器，包括如实施例2所示的中能电子探测探头610、信号调理单元620和数据处理单元630。其中，

中能电子探测探头610用于采集各方向入射的中能电子的能量，并转换成电荷脉冲信号。优选地，中能电子探测探头610是通过位置灵敏探测器采集的中能电子的能量，因此，中能电子探测探头610在将中能电子的能量转换成电荷脉冲信号的同时，还会对电荷脉冲信号用方向编码进行标识，以确定该电荷脉冲信号的方向。其中，方向编码为中能电子探测探头610中的位置灵敏探测器随对应的编码。

信号调理单元620用于放大整形电荷脉冲信号形成电压脉冲信号，并对电压脉冲信号的峰值进行模数转换，获取入射的中能电子的能量编码。优选地，通过ASIC芯片将电荷脉冲信号放大整形成电压脉冲信号，再依据时序信号采集电压脉冲信号的峰值，最后通过模数转换将电压脉冲信号的峰值转换为中能电子的能量编码。优选地，由于电荷脉冲信号是被方向编码标识的，因此，信号调理单元620也会接收对应的方向编码信息。此外，转换获得的中能电子的能量编码和/或方向编码既可以直接传送给数据处理单元630，也可以将其直接保存在信号调理单元620中，以备数据处理单元630的访问和调用。

数据处理单元630用于根据能量编码，获取中能电子的能谱信息。信号调理单元620与数据处理单元630之间采用数据、地址和控制总线连接方式进行连接，数据处理单元630可以直接接收来自于信号调理单元620上传的能量编码，或者直接访问信号调理单元620，读取能量编码，从而实现对多个方向50-600keV中能电子的能谱信息的采集和处理；最终数据处理单元630通过异步串行总线将能谱信息发送给上位机，并最终下传至地面。优选地，由于电荷脉冲信号被方向编码进行了标识，因此，数据处理单元630还可根据访问信号调理单元620获得的方向编码和能量编码，精确获得各个方向上入射的中能电子的能谱信息。

例如，中能电子探测探头610包括三个中能电子探测单元，且每一个中能电子探测单元均包括三个位置灵敏探测器。那么中能电子探测探头610提供给信号调理单元620的电荷脉冲信号为9组，即9个方向上的50-600keV中能电子的能量所转换的电荷脉冲信号；信号调理单元620会对9组电荷脉冲信号进行处理，获得对应的能量编码；数据处理单元630对能量编码和方向编码进行处理，从而获得9个方向上50-600keV中能电子的能谱信息。

本发明的中能电子探测器工作过程如下：

来自不同方向的中能电子通过中能电子探测探头的中能电子探测单元上的小孔，入射到某个位置灵敏探测器上，并在位置灵敏探测器中沉积能量；

在位置灵敏探测器中沉积的能量会在通过电离作用产生大量电子空穴对；由于在位置灵敏探测器的两端施加了反向偏压，因此由入射电子产生的电荷会被位置灵敏探测器两端电极迅速收集，从而形成电荷脉冲信号；

电荷脉冲信号经过与中能电子探测探头连接的信号调理单元，转换为经过幅度放大的电压脉冲信号；

电压脉冲信号经过信号整形和进一步放大形成一个电压脉冲信号，电压脉冲信号的最大幅度与入射中能电子的能量成正比；

通过峰值检测，获得电压脉冲信号的峰值电压，进而得到入射中能电子的能量编码；

另外，根据电荷脉冲信号产生的位置灵敏探测器的相对位置，判断中能电子的入射方向，获取方向编码；

通过数据处理单元对入射的中能电子的能量编码和方向编码进行处理，获取各方向上入射的中能电子的能谱信息。

综上所述，本发明一种中能电子探测单元、探测探头及探测器，其中能电子探测单元和中能电子探测探头采用了小孔成像技术，具有体积小、重量轻、无漏磁、可同时测量多方向的优点；并且，本发明的中能电子探测器，充分利用小孔成像技术，实现了同时对多个方向入射的50-600keV中能电子的能谱信息的精确测量。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种中能电子探测单元，其特征在于，包括：屏蔽壳和多个位置灵敏探测器；其中，

所述屏蔽壳的一面开有一小孔；所述位置灵敏探测器面向所述小孔设置在所述屏蔽壳内；

多个所述位置灵敏探测器被设置于同一平面上，且位于一条直线上。

2.根据权利要求1所述的中能电子探测单元，其特征在于：当所述位置灵敏探测器的数量大于两个时，多个所述位置灵敏探测器是等间距设置的。

3.根据权利要求1所述的中能电子探测单元，其特征在于：所述中能电子探测单元的探测张角θ由所述小孔的宽度L1和多个所述位置灵敏探测器的总宽度决定：其中，D表示所述小孔与多个所述位置灵敏探测器所在平面的垂直距离。

4.根据权利要求1所述的中能电子探测单元，其特征在于：所述位置灵敏探测器的数量为3个。

5.一种中能电子探测探头，其特征在于：包括探测单元支架和多个如权利要求1-4中任一项所述的中能电子探测单元；多个所述中能电子探测单元固定安装在所述探测单元支架上，且多个所述中能电子探测单元的小孔朝外，以使所述中能电子探测单元的位置灵敏探测器通过对应的小孔采集入射的中能电子的能量；其中，安装在所述探测单元支架上的多个所述中能电子探测单元满足：

多个所述中能电子探测单元位于同一平面内，且多个所述中能电子探测单元的对称轴交于一点；

多个所述中能电子探测单元的探测张角之和为180度。

6.根据权利要求5所述的中能电子探测探头，其特征在于：多个所述中能电子探测单元的探测张角是相同的。

7.根据权利要求5所述的中能电子探测探头，其特征在于：

所述中能电子探测单元的数量为3个，且每一个所述中能电子探测单元的探测张角为60度；

所述探测单元支架的剖面形状为下底角为60度的等腰梯形。

8.根据权利要求7所述的中能电子探测探头，其特征在于：每个所述中能电子探测单元中的所述位置灵敏探测器的数量均为3个。

9.一种中能电子探测器，其特征在于：包括中能电子探测探头、信号调理单元和数据处理单元；其中，

所述中能电子探测探头用于采集各方向入射的中能电子的能量，并转换成电荷脉冲信号；

所述信号调理单元用于放大整形所述电荷脉冲信号形成电压脉冲信号，并对所述电压脉冲信号的峰值进行模数转换，获取入射的中能电子的能量编码；

所述数据处理单元用于根据所述能量编码，获取中能电子的能谱信息。

10.根据权利要求9所述的中能电子探测器，其特征在于：

所述中能电子探测探头还用于根据方向编码对电荷脉冲信号进行标识；所述方向编码为所述中能电子探测探头的位置灵敏探测器所对应的编码；

所述数据处理单元根据所述方向编码和所述能量编码，获取各方向入射的中能电子的能谱信息。