CN107831527B - 一种中能电子探测器一体化设计探测探头 - Google Patents

Abstract

本发明属于空间粒子辐射探测载荷技术领域，公开了一种中能电子探测器一体化设计探测探头，包括小孔成像结构的探测单元(1)、第一探测单元支架(2)、第二探测单元支架(3)、第一放大器板(4)、第二放大器板(5)；所述小孔成像结构的探测单元(1)通过导线和第一探测单元支架(2)上的导线联通槽(10)与第一放大器板(4)相连，所述第一放大器板(4)固定在第一探测单元支架(2)上，且集成前置放大器ASIC芯片固定在所述第一放大器板(4)上；所述第二放大器板(5)上的供电电路通过导线连接到第一放大器板(4)，并为集成前置放大器ASIC芯片供电；所述第二探测单元支架(3)与第一探测单元支架(1)固定为整体。

Description

一种中能电子探测器一体化设计探测探头

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器一体化设计探测探头。

背景技术

自1958年美国科学家詹姆斯·范艾伦发现地球辐射带以来，能量范围在1keV到数MeV之间的中能粒子(包括电子、质子和其他离子)就引起人们的广泛兴趣。中能粒子存在于磁层各个区域及其边界层，是地球磁层中出现的极光、磁暴、高能电子暴等许多空间物理现象的重要原因，是太阳风—磁层—电离层能量耦合与传输过程中的重要因素。中能粒子在磁层中的加速机制问题和其起源的问题是目前中能粒子研究中尚待解决的两个最基本的问题。另外能量较高(MeV)的中能粒子，特别是电子，被认为是近地空间中航天器的最严重威胁之一。了解中能电子的分布是准确地评估空间辐射环境、建立动态辐射带模型的基础。因此，对中能电子的测量具有十分重要的科学和现实意义。

但是在技术上实现对中能电子的测量是非常不容易的。对中能电子能谱的准确测量，要求仪器具有极低的系统噪声。

在目前通用的空间粒子辐射探测中，主要包括静电分析仪和半导体探测器望远镜两种探测仪器。其中静电分析仪主要用于测量低能电子，它能测量的最高电子能量由其极板两端能施加的电压大小决定的。受到空间中能应用的高压幅度的限制，一般来说静电分析仪只能测量30keV以下的低能电子。而半导体探测器望远镜一般用于测量高能粒子。半导体探测器望远镜一般由二元或多元半导体探测器构成。通过对粒子在两个或多个探测器上产生的信号进行符合或反符合，实现对入射粒子种类，能量测量和入射角度的限定。这类仪器通常将半导体探测器完全密封在一个望远镜准直结构中。而为了确保望远镜结构的完整性和对半导体探测器的屏蔽效果，前置放大器通常放置在望远镜准直结构外面的电子学机箱中。半导体探测器和前置放大器之间需要通过较长的导线连接。

传统的二元或多元半导体望远镜设计中，一般将半导体探测器与前置放大器分别封装在望远镜准直结构和电子学机箱两个独立的结构中。这种设计会造成整个系统的电子学噪声增加，且容易受到外界干扰。因此，传统的二元或多元半导体探测器望远镜粒子辐射探测器的系统噪声通常大于10keV，因此无法满足中能电子探测器对准确测量50-600keV中能电子能谱的需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺点，提出一种中能电子探测器一体化设计探测探头，包括小孔成像结构的探测单元1、第一探测单元支架2、第二探测单元支架3、第一放大器板4、第二放大器板5；所述小孔成像结构的探测单元1通过导线和第一探测单元支架2上的导线联通槽10与第一放大器板4相连，所述第一放大器板4固定在第一探测单元支架2上，且集成前置放大器ASIC(Application Specific Integrated Circuit)芯片固定在所述第一放大器板4上；所述第二放大器板5上的供电电路通过导线连接到第一放大器板4，并为集成前置放大器ASIC芯片供电；所述第二探测单元支架3为第一放大器板4和第二放大器板5提供屏蔽，并与第一探测单元支架1固定为整体。

于本发明的一实施例中，所述中能电子探测器一体化设计探测探头还包括探测探头侧盖6，所述探测探头侧盖6固定在第一探测单元支架2上。

于本发明的一实施例中，所述小孔成像结构的探测单元1包括屏蔽壳与至少两个位置灵敏半导体探测器，位置灵敏半导体探测器放置在屏蔽壳体内，所述屏蔽壳上开有小孔。

于本发明的一实施例中，所述屏蔽壳包括多层小孔准直板7，屏蔽壳体内有探测器定位槽8，小孔准直板7用于限定小孔尺寸，探测器定位槽8用于限定探测器位置和与小孔的间距。

于本发明的一实施例中，在第二放大器板5朝向第一放大器板4的底面全部铺设铜。

于本发明的一实施例中，所述第二放大器板5通过隔离柱9与所述第一放大器板4隔离开。

于本发明的一实施例中，所述探测探头侧盖6由铜制成。

如上所述，本发明的一种中能电子探测器一体化设计探测探头，具有以下有益效果：

1、将前置放大器ASIC芯片集成进入放置位置灵敏半导体探测器的小孔成像探头结构中，从而实现位置灵敏半导体探测器与前置放大器之间引线的最短化设计，减小了系统电子学噪声；

2、将前置放大器ASIC供电电路与前置放大器ASIC芯片分板设计，但又在同一个探头屏蔽结构内，同时在第二放大器板朝向第一放大器板的底面全部铺设铜，明显减小了大功率的供电信号对ASIC芯片的干扰，从而进一步减小了系统电子学噪声；

3、根据标定试验结果，本发明提出的中能电子探测器一体化设计探测探头，应用到二代导航卫星中能电子探测器的9个方向通道的系统电子学噪声平均为～5keV，比现有技术条件下一般空间粒子辐射探测器系统电子学噪声(>10keV)减小了50％以上，从而满足了二代导航卫星中能电子探测器对50-600keV中能电子能谱精确测量的需求。

附图说明

图1显示为本发明实施例公开的中能电子探测器一体化设计探头的立体结构示意图。

图2显示为本发明实施例中Y轴方向中能电子探测器一体化设计探测探头侧视图。

图3显示为本发明实施例中X轴方向中能电子探测器一体化设计探测探头截面图。

图4显示为本发明实施例中Y轴方向中能电子探测器一体化设计探测探头截面图。

图5显示为本发明实施例中Z轴方向中能电子探测器一体化设计探测探头顶视图。

元件标号说明

1 小孔成像结构的探测单元

2 第一探测单元支架

3 第二探测单元支架

4 第一放大器板

5 第二放大器板

6 探头侧盖

7 小孔准直板

8 探测器固定槽

9 隔离柱

10 导线联通槽

11 第一放大器板固定孔

12 探头侧盖固定孔

13 将第二探测单元支架固定在第一探测单元支架上的固定孔

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员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与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

根据本发明的中能电子探测器一体化设计探测探头，将前置放大器ASIC芯片集成进入放置位置灵敏半导体探测器的小孔成像探头结构中，从而实现位置灵敏半导体探测器与前置放大器之间引线的最短化设计，减小了系统电子学噪声。具体如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明的中能电子探测器一体化设计探测探头包括至少两个小孔成像结构的探测单元1、第一探测单元支架2、第二探测单元支架3、第一放大器板4、第二放大器板5、探测探头侧盖6。其中图1是为描述图2、图3、图4、图5不同方向侧视图而定义的坐标系。所述小孔成像结构的探测单元1包括屏蔽壳与至少两个位置灵敏半导体探测器，位置灵敏半导体探测器放置在屏蔽壳体内，所述屏蔽壳上开有小孔。所述屏蔽壳包括多层小孔准直板7，屏蔽壳体内有探测器定位槽8，小孔准直板7用于限定小孔尺寸，探测器定位槽8用于限定探测器位置和与小孔的间距。位置灵敏半导体探测器经过适配电路后，由导线引出信号线。

屏蔽壳上的小孔与位置灵敏半导体探测器满足如下关系：

其中，D为小孔与位置灵敏半导体探测器之间的垂直距离，L1为小孔宽度，L2为位置灵敏半导体探测器总宽度即半导体PN面的宽度，为小孔成像探测单元的张角；

所述各小孔成像结构的探测单元位置关系符合以下要求：

(1)各个小孔成像结构的探测单元对称轴交于一点；

(2)各个小孔成像结构的探测单元的对称轴在同一平面内；

(3)小孔成像结构的探测单元数量乘以单元张角等于180°。

第一探测单元支架2：

第一探测单元支架2主要用于定位小孔成像结构的探测单元1，并固定第一放大器板4，第一探测单元支架2是本发明探测探头的关键结构部件。如图2所示，第一探测单元支架2有三个导线联通槽10分别对应三个小孔成像结构的探测单元1，三个导线联通槽10使得小孔成像结构的探测单元1中连接位置灵敏半导体探测器的导线，以最短的距离连接到前置放大器ASIC芯片上。另外，在第一探测单元支架2上共有6个固定孔11，通过螺钉将第一放大器板4固定在第一探测单元支架2上。

第二探测单元支架3：

第二探测单元支架3主要用于实现对第一放大器板4、第二放大器板5的屏蔽，并引出探测探头输出电缆。第二探测单元支架3上端的孔为探头侧盖固定孔12，用于固定探头侧盖6；第二探测单元支架3下端的孔为将第二探测单元支架固定在第一探测单元支架上的固定孔13，这样使得第一探测单元支架2和第二探测单元支架3连接称为一个整体。

第一放大器板4与第二放大器板5：

第一放大器板4主要用于固定集成前置放大器ASIC芯片，并通过焊接的方式将小孔成像结构的探测单元的引出导线连接到前置放大器ASIC芯片上。为了避免集成前置放大器ASIC芯片所需的供电电路信号干扰到集成前置放大器ASIC芯片的工作，将集成前置放大器ASIC芯片供电所需的所有电路与集成前置放大器ASIC芯片所在的电路板分开，并将集成前置放大器ASIC芯片供电所需的所有电路单独放置在第二放大器板5上，然后通过在板子侧边缘的导线连接到第一放大器板4，为集成前置放大器ASIC芯片供电。同时在第二放大器板5底层铺铜，这样大功率的电源信号就不会影响到半导体探测器和集成前置放大器ASIC芯片。如图4所示，第二放大器板5放置在第一放大器板4上方，通过隔离柱9将第一放大器板4与第二放大器板5隔离开来，而探测探头输出电缆从两个板子中间后端引出。

探测探头侧盖6

探测探头侧盖6由铜制成，主要用于实现本发明探测探头的整体屏蔽和阻挡来自侧面入射的空间带电粒子。如图2、图4所示，探测探头侧盖6通过螺钉固定在第二探测单元支架3上，从而实现中能电子探测器探测探头一体化结构设计。

综上所述，本发明的中能电子探测器一体化设计探测探头，既实现了位置灵敏半导体探测器与前置放大器之间引线的最段话设计，又减小了系统电子学噪声的影响，还可满足二代导航卫星中能电子探测器对50-600keV中能电子能谱精确测量的需求。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 (5)

1.一种中能电子探测器一体化设计探测探头，其特征在于：包括小孔成像结构的探测单元(1)、第一探测单元支架(2)、第二探测单元支架(3)、第一放大器板(4)、第二放大器板(5)；所述小孔成像结构的探测单元(1)通过导线和第一探测单元支架(2)上的导线联通槽(10)与第一放大器板(4)相连，所述第一放大器板(4)固定在第一探测单元支架(2)上，且集成前置放大器ASIC芯片固定在所述第一放大器板(4)上；所述第二放大器板(5)上的供电电路通过导线连接到第一放大器板(4)，并为集成前置放大器ASIC芯片供电；在第二放大器板(5)朝向第一放大器板(4)的底面全部铺设铜，所述第二放大器板(5)通过隔离柱(9)与所述第一放大器板(4)隔离开，探测探头输出电缆从两个板子中间后端引出；所述第二探测单元支架(3)为第一放大器板(4)和第二放大器板(5)提供屏蔽，并与第一探测单元支架(1)固定为整体。

2.根据权利要求1所述中能电子探测器一体化设计探测探头，其特征在于：还包括探测探头侧盖(6)，所述探测探头侧盖(6)固定在第一探测单元支架(2)上。

3.根据权利要求1所述中能电子探测器一体化设计探测探头，其特征在于：所述小孔成像结构的探测单元(1)包括屏蔽壳与至少两个位置灵敏半导体探测器，位置灵敏半导体探测器放置在屏蔽壳体内，所述屏蔽壳上开有小孔。

4.根据权利要求3所述中能电子探测器一体化设计探测探头，其特征在于：所述屏蔽壳包括多层小孔准直板(7)，屏蔽壳体内有探测器定位槽(8)，小孔准直板(7)用于限定小孔尺寸，探测器定位槽(8)用于限定探测器位置和与小孔的间距。

5.根据权利要求2所述中能电子探测器一体化设计探测探头，其特征在于：所述探测探头侧盖(6)由铜制成。