CN108072890B - 一种三维高能粒子辐射效应综合探测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维高能粒子辐射效应综合探测器，包括：LET谱探测器、辐射剂量探测器、差异电位探测器、数字信号采集电路、数据处理单元和通信模块；所述的LET谱探测器、辐射剂量探测器和差异电位探测器分别对卫星运行轨道的粒子辐射LET谱、辐射剂量和卫星表面差异电位进行测量，并将生成的电压信号由数字信号采集电路转换成数字信号后输出至数据处理单元，所述的数据处理单元对数字信号进行电压幅度和趋势分析，获得反映LET谱、辐射剂量和卫星表面差异电位信息的数据，该数据处理单元通过通信模块与卫星连接后进行数据交互。上述探测器将三种独立的空间探测功能集成在一起，实现了空间环境多种指标的综合探测，同时提高了集成度，降低成本和重量。

Description

一种三维高能粒子辐射效应综合探测器

技术领域

本发明涉及一种空间辐射LET谱、辐射剂量和表面电位综合测量领域，具体涉及一种三维高能粒子辐射效应综合探测器。

背景技术

要解决我国航天器在轨的环境故障问题，需要从环境－效应－防护研究价值体系进行系统地解决。首先要掌握辐射环境和效应的机理机制和特征规律，开展针对性地工程设计，并进行地面试验验证和在轨验证，最终形成设计规范、防护设计评估规范，从而确保航天器高可靠长寿命地在轨运行。

从粒子辐射环境效应的因果链上，掌握辐射效应的特征和规律，一方面可为卫星的在轨异常或故障分析提供依据，另一方面可区分和掌握各种辐射效应的特征和规律，为开展针对性的工程防护设计提供基础数据。促进空间环境及其效应应用基础研究的发展，为制定相关的工程设计和在轨管理指南或规范奠定基础。

我国航天工程界在早期十分关注辐射剂量效应，近十多年由于SRAM、FPGA等大规模集成电路的大量使用，单粒子效应问题日益突出。近几年是太阳活动低年，但空间粒子辐射环境效应导致的卫星异常、故障等现象依然很多。不抗单粒子效应的新器件的使用是上述现象出现的其中一个原因，但宇宙线在太阳活动低年是否大量增加从而导致单粒子事件增多，目前还没有探测证据。

目前，针对我国粒子辐射效应研究现状，在某气象卫星上，提出通过粒子辐射探测器对粒子辐射、卫星产生的多种辐射效应进行联合探测，探测目的在于：通过对卫星运行轨道的粒子辐射LET谱、卫星表面充放电和辐射剂量进行测量，用于元器件充放电效应及其影响和总剂量的评估，服务于元器件的选用和卫星工程设计，同时评估轨道单粒子危害程度，为卫星的在轨管理、故障分析服务。但是，需要针对辐射LET谱、卫星表面充放电和辐射剂量分别设计不同的探测器来实现测量，结构复杂，同时增大了卫星的负载和占用的空间。

发明内容

本发明的目的在于，为了实现同时测量星内LET谱、3个方向的辐射剂量以及卫星差异充电差的一体化结构的探测器，通过监测提供卫星在轨飞行期间的LET谱、辐射总剂量和表面充电数据。

为达到上述目的，本发明提出了一种多种类高能粒子探测器，将三种独立的空间探测功能集成在一起，实现了空间环境多种指标的综合探测。所述的探测器具体包含：LET谱探测器、辐射剂量探测器、差异电位探测器、数字信号采集电路、数据处理单元和通信模块；所述的LET谱探测器、辐射剂量探测器和差异电位探测器分别对卫星运行轨道的粒子辐射LET谱、辐射剂量和卫星表面差异电位进行测量，并将生成的电压信号由数字信号采集电路转换成数字信号后输出至数据处理单元，所述的数据处理单元对数字信号进行电压幅度和趋势分析，获得反映LET谱、辐射剂量和卫星表面差异电位信息的数据，该数据处理单元通过通信模块与卫星连接后进行数据交互。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的LET谱探测器包括：硅半导体传感器、电荷灵敏前置放大器和脉冲成形电路；所述的硅半导体传感器探测粒子入射至传感器上的沉积能量，生成反映粒子沉积能量的电荷信号，所述的电荷灵敏前置放大器将硅半导体传感器输出的电荷信号转换成电压脉冲信号，所述的脉冲成形电路将电荷灵敏前置放大器输出的电压脉冲信号成形输出至数字信号采集电路。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的LET谱探测器包括两个平行设置的硅半导体传感器，所述硅半导体传感器设置张角为30°的锥形视场。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的辐射剂量探测器包括：辐射剂量传感器、基准电路、检测电路、比较采样电路、放大输出电路；所述的基准电路提供比较采样电路和检测电路的运行电压基准；所述的比较采样电路和放大输出电路相结合，以稳定输出能够被采集的经辐射剂量传感器探测粒子辐射剂量获得的电压信号；检测电路用于检测辐射剂量传感器的运行状态。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的差异电位探测器包括：差异电位传感器、输入跟随电路、信号放大电路和输出跟随电路；所述的输入跟随电路接收差异电位传感器探测卫星表面差异电位获得的电压信号，所述的信号放大电路接收输入跟随电路输出的稳定的电压信号，进行信号放大后通过跟随输出电路输出至数据处理单元。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的数字信号采集电路包括：主放大器、峰值保持器和ADC采样电路；所述的主放大器将LET谱探测器、辐射剂量探测器和差异电位探测器生成的电压信号进行放大，所述的峰值保持器对主放大器放大后的信号进行脉冲峰值保持处理，所述的ADC采样电路对峰值保持处理后的信号进行模数转换，并将生成的数字信号输出至数据处理单元。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的LET谱探测器还包括传感器特性检测电路和触发器，所述的传感器特性检测电路的输入端与主放大器的输出端连接，该传感器特性检测电路将主放大器输出的电压信号进行二次放大，并通过设置的A/D采集电路将二次放大的电压信号转换成数字信号后输出至数据处理单元，用于检测硅半导体传感器的运行状态；所述的触发器连接于峰值保持器与数据处理单元之间，用于判定峰值保持器的输出电压在超过设定阈值时，驱动数据处理单元控制对应的ADC采集电路执行信号采集操作。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的数据处理单元采用FPGA处理芯片对数字信号进行处理。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的通信模块采用1553B通信接口电路与卫星总线进行数据交互。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的LET谱探测器和辐射剂量探测器均采用铝材制成的屏蔽罩封闭。

本发明的一种三维高能粒子辐射效应综合探测器优点在于：

本发明的探测器将三种独立的空间探测功能集成在一起，实现了空间环境多种指标的综合探测，同时提高了集成度，降低了探测器的成本和重量；在国内首次将小张角(30°)的望远镜型LET谱探测器应用于空间辐射LET谱的探测，提高了LET谱的空间探测精度；采用分别屏蔽的望远镜式LET谱探测器和辐射剂量探测器设计，降低了噪声。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种三维高能粒子辐射效应综合探测器结构示意图。

图2为本发明实施例中的望远镜式LET谱探测器外形结构示意图。

图3为本发明实施例中的辐射剂量探测器外形结构示意图。

图4为本发明实施例中的差异电位探测器外形结构示意图。

图5为本发明的三维高能粒子辐射效应综合探测器中FPGA处理芯片的工作流程。

附图标记

1、LET谱探测器屏蔽罩 2、硅半导体传感器

3、电荷灵敏前置放大器 4、LET谱探测器挡光层

5、辐射剂量探测器屏蔽罩 6、辐射剂量探测器接插件

7、辐射剂量探测器探测窗口 8、差异电位探测器探测窗口

9、差异电位探测器机壳 10、差异电位探测器接插件

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三维高能粒子辐射效应综合探测器进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种三维高能粒子辐射效应综合探测器，包括：LET谱探测器、辐射剂量探测器、差异电位探测器、数字信号采集电路(未图示)、数据处理单元和通信模块；所述的LET谱探测器、辐射剂量探测器和差异电位探测器分别对卫星运行轨道的粒子辐射LET谱、辐射剂量和卫星表面差异电位进行测量，并将生成的电压信号由数字信号采集电路转换成数字信号后输出至数据处理单元，所述的数据处理单元对数字信号进行电压幅度和趋势分析，获得反映LET谱、辐射剂量和卫星表面差异电位信息的数据，该数据处理单元通过通信模块与卫星连接后进行数据交互。

基于上述结构的三维高能粒子辐射效应综合探测器，该探测器包含3类探测器。如图1所示，所述的三维高能粒子辐射效应综合探测器包括两组LET谱探测器以望远镜结构完成粒子辐射LET谱分布探测；三组辐射剂量探测器实现辐射剂量效应探测；一组差异电位探测器实现卫星表面充放电效应探测。

1)LET谱探测器：

所述的LET谱探测器包括：硅半导体传感器、电荷灵敏前置放大器和脉冲成形电路；其结构采用两片硅半导体传感器组成LET谱望远镜式探头，每个望远镜式探头的第一片硅半导体传感器D1探测粒子入射在传感器上的能量沉积，第二片硅半导体传感器D2用于记录粒子是否穿透传感器。把D1中测量的沉积能量除以D1的厚度能够得到穿透传感器粒子的LET值。LET谱探测器将传感器与新型的专用电荷灵敏前置放大器/成形集成电路一体化设计，所述的电荷灵敏前置放大器将每片硅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转变成电压脉冲信号，所述的脉冲成形电路将电荷灵敏前置放大器输出的电压脉冲信号成形输出至数字信号采集电路。整个探头采用单独的全封闭屏蔽设计，通过传感器-前放一体化结构提高了抗干扰能力。

如图2所示，所述的LET谱探测器包括两个平行设置的硅半导体传感器2，所述硅半导体传感器2设置张角为30°的锥形视场。当一个粒子从30°的锥形有效视场张角范围内入射到LET谱探测器后，首先击中第一个硅半导体传感器D1，D1将粒子能量转化为电荷输出到电荷灵敏前置放大器输入端，以供后续电路分析使用。粒子击中第一个硅半导体传感器D1后有两种可能性的变化，其一是没有穿过D1，其二是穿过D1。由于探头设计视场的角度控制，穿过D1后的粒子，会击中第二个硅半导体传感器D2。在D2上也会产生电荷信息，输入到后续电路供分析使用。配合D2提供的信息，就可以判断当D1产生相同幅度信号的时候，粒子是否已经穿过了D1，进而可以分析粒子的LET值。

所述的望远镜式LET谱探测器和对应的电荷灵敏前置放大器3采用探头单独铝罩屏蔽和整机屏蔽结合，地线独立连接的措施，用于降低噪声干扰。探头的单独屏蔽是通过小型化的封闭铝结构，将传感器、前放电路独立封装在一起，形成一个与其他无线干扰隔绝的电磁环境。整机的屏蔽是通过如图2所示的LET谱探测器屏蔽罩完成的。

另外，所述的望远镜式LET谱探测器的每个视场前方均设有15um厚的铝质LET谱探测器挡光层4，用于防止可见光射入。所述的电荷灵敏前置放大器采用集成运放电容反馈方式，通过采用专门的集成运放，前放电路板的面积较之采用原来的分立前放电路缩小了50％以上。而且由于集成芯片的专门优化和防护，其抗空间辐射总剂量也提高了近两个数量级。

图2所示的LET谱探测器是由两个硅半导体传感器2和集成式电荷灵敏前置放大器3独立封装屏蔽结构构成；每个硅半导体传感器2中利用几何原理形成了的30°的锥形视场。望远镜型LET谱探测器的主要误差源之一为粒子斜入射望远镜造成的路径长度误差，由于单个粒子的具体入射位置无法确定，所以张角越大则斜入射路径的偏差越长，进而带来的误差越大。减小斜入射误差的主要办法就是减小入射张角。目前国内在轨运行的LET谱探测器为实践四号上的张角为90°的探测器。单以斜入射误差分析，30°张角的斜入射误差比张角为90°的探测器斜入射误差小约40％。

所述的望远镜式LET谱探测器在机箱内平行放置，可以在探测同一个方向的辐射LET谱信息时起到扩充能量探测范围的目的，提高探测高通量粒子的能力，张角30°的锥形视场，通过参数选择传感器的厚度，以及调节电荷灵敏前置放大器和脉冲成形电路参数，使两组探头实现不同的量程范围和噪声抑制点。例如：设置LET谱探测器的探测范围为1～100MeV/mg/cm²，两个探头的能量范围分配为1～3MeV/mg/cm²和3～100MeV/mg/cm²，因为低端的辐射粒子通量远大于高端粒子，所以在进行LET谱探测时将低端的探测范围控制在一个较小范围，以适应更大的通量需求。根据单独探头的探测范围最低端能量设置，将噪声抑制点控制在最低能量范围的1/3，以防止异常干扰引起粒子事件的误触发。如低端探测能量点为1MeV/mg/cm²那么，噪声抑制点就设置在1/3MeV/mg/cm²。

在本实施例中，所述的LET谱探测器的传感器采用厚度为300μm、灵敏面积直径20mm的圆形离子注入型传感器。从理论上讲，传感器越薄越能减小LET谱的探测误差，但目前厚度为300μm的离子注入型传感器较之100μm或200μm的型号，是业内工艺最成熟，寿命最长的薄传感器，经过仿真分析能够满足卫星的飞行寿命内的探测要求。

2)辐射剂量探测器：

辐射剂量探测器由辐射剂量传感器、基准电路、比较采样电路、检测电路、放大输出电路和结构件组成，实测卫星各处的辐射剂量。所述的基准电路提供比较采样电路和检测电路的运行电压基准；所述的比较采样电路和放大输出电路相结合，以能够稳定输出可以被采集的辐射剂量电压信号；所述的检测电路是监测辐射剂量传感器运行状态的参考电路。

如图1所示，三组辐射剂量探测器实现辐射剂量效应探测，一组放置在电子学箱内部，两组放置在电子学箱外部，以便在空间上实现三个相互垂直方向上的辐射剂量探测；每组辐射剂量探测器中的二次电源是电子学箱从输入的一次电源转换成的供辐射剂量传感器工作的电源；恒流源是从二次电源变换来的保证PMOS管稳定工作的直接电源。

如图3所示，所述的辐射剂量探测器通过套设的辐射剂量探测器屏蔽罩5与外界隔离，利用辐射剂量探测器探测窗口7探测从“窗口”入射的粒子的总剂量，并将探测数据通过辐射剂量探测器接插件6向外输出，提供辐射环境效应信息。

辐射剂量传感器内的PMOS管，类似绝缘栅场效应管。在受辐照后，其绝缘层(二氧化硅)中感生的电荷和界面态引起表面电势的变化，即栅极电压的变化。依据栅极电压与辐射剂量的对应关系，测量辐射剂量。栅极电压与辐射剂量的关系需经地面标定给出。

3)差异电位探测器：

所述的差异电位探测器包括：差异电位传感器、输入跟随电路、信号放大电路和输出跟随电路；如图1所示，一组差异电位探测器实现卫星表面充放电效应探测，该差异电位探测器置于电子学箱外部，可以根据需要扩展多个差异电位探测器。

如图4所示，所述的差异电位探测器外表面套设有差异电位探测器机壳9，利用差异电位探测器探测窗口8探测从“窗口”入射的粒子产生的差异电位，并将探测数据通过差异电位探测器接插件10向外输出，该差异电位探测器能够探测的电压跨度为-3000V～+300V。

当带电粒子入射到差异电位传感器最前方的玻璃表面上时，对传感器的表面进行充电，由于玻璃内层的圆形镀金区域与传感器的表面形成一个电容，因此表面的充电电位就会通过感应进入传感器的镀金区域，进而通过差异电位传感器的引出线输出到差异电位探测器的电子学箱进行测量。因为差异电位传感器输出的电路输出阻抗较小，在后续放大和处理过程中易产生衰减，所以在差异电位传感器输出的电压信号进入探测器电子学箱后，首先要通过输入跟随电路保证传感器输出信号的稳定性，将信号变成近似直流的稳定电平信号；然后通过信号放大电路将传感器输出的微弱信号进行放大，最后再通过高输出阻抗的跟随输出电路输出近似直流的科学数据信号，以保证被采样时的结果稳定。

如图1所示，所述的数字信号采集电路包括：主放大器、峰值保持器和ADC采样电路；主放大器：用于将LET谱探测器、辐射剂量探测器和差异电位探测器输出的信号进行放大。峰值保持器：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，即将主放大器输出的有变化的波形保持成近似直流的电压信号，以保证ADC采集时结果稳定。ADC采集电路：用于对峰值保持的信号进行模数转换，包括对LET谱信号的采集、辐射剂量和表面电位缓变信号的采集，并将生成的数字信号输出至数据处理单元。

在两组LET谱探测器中，每个电荷灵敏前置放大器输出端通过成形电路分别与相应主放大器输入端相连，各主放大器输出端分别与相对应的峰值保持器输入端相连，各峰值保持器输出端分别与相对应的ADC采集电路输入端相连，ADC采集电路经过模数转换后输出端与数据处理单元输入端相连。另外，在本实施例中，所述的LET谱探测器还包括传感器特性检测电路和触发器，所述的传感器特性检测电路包括两个用于放大噪声信号的放大器，放大器的输出端连接了A/D采集电路输入端，A/D采集电路输出端与数据处理单元输入端相连。该传感器特性检测电路将主放大器输出的电压信号进行二次放大，并通过设置的A/D采集电路将二次放大的电压信号转换成数字信号后输出至数据处理单元。传感器特性检测电路输出电压的ADC采样结果可以表证传感器的状态，如果在粒子事件平静时，传感器特性检测电路输出仍然很大，就说明传感器自身有故障。所述的触发器连接于峰值保持器与数据处理单元之间，当峰值保持器的输出电压超过预设的能达到被采集标准的下限时，触发器能够向数据处理单元发送采集控制信号，驱动数据处理单元控制对应的ADC采集电路执行信号采集操作。控制ADC采集电路对LET粒子事件进行触发式采集，较之循环式采集提高了对粒子事件的响应能力和并行处理能力。

以上三种传感器及相应主放大器、峰保保持器和ADC采集电路等其他电子学电路，均安装在同一机箱内。

基于上述结构的三维高能粒子辐射效应综合探测器，所述的数据处理单元可采用FPGA处理芯片对数字信号进行处理，FPGA处理芯片：用于将所有的ADC采集电路得到的数字信号进行电压幅度分析，对辐射剂量探测器和差异电位探测器的ADC采集结果进行电压趋势分析。在单机正式使用前，首先通过计算和探测器定标获得的粒子LET值与采集电压的对应关系，这种对应关系成为定标结果，即不同的电压幅度代表着不同能量的入射粒子的LET谱信息，幅度分析即将ADC采集到的电压数字量与定标结果相比较，并获得LET谱的分析结果。

所述的通信模块将数据处理单元所采集到的信息输出。如图1所示，所述的通信模块采用1553B通信接口电路，用于与卫星总线进行数据通信。

本发明的三维高能粒子辐射效应综合探测器的尺寸和重量与目前具有单一功能的各空间粒子探测装置相当，却完成了三台单机的功能，功耗约5.7W(目前粒子测量装置约2.5W)。

如图5所示，本发明中提供的FPGA芯片内部包含一套数据处理程序，该系统工作流程如下：。

步骤S5-1，格式化FPGA芯片的内存RAM；初始化1553B通信协议芯片；任何时候有复位信号到来则重新初始化程序流程；

步骤S5-2，控制ADC采集电路根据触发脉冲进行数据采集和ADC通道的切换,将读出采集的数据发送给数据处理单元；同时对接收的数据进行处理并打包，处理即将采集到的电压值与预设的LET谱阈值进行比较，以确定其所在能道，然后将这一能道的粒子事件进行累加，最后输出的科学数据就是不同能道的粒子事件计数；在打包完成后写入工程参数，包括时间码和包计数；

步骤S5-3，判断如果有校时命令时，进行时间码校对；判断如果有注入时，根据注入内容调整探测参数，以便实现在轨定标和在必要时对某些能道进行细化探测；

步骤S5-4，判断是否有过数据请求命令，有则发送已经完成的数据包；当没有数据包完成时，等待完成当前数据包后发送。在发送数据包完成后重新格式化内存RAM，并开始新的打包过程。

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 (6)

1.一种三维高能粒子辐射效应综合探测器，其特征在于，包括：LET谱探测器、辐射剂量探测器、差异电位探测器、数字信号采集电路、数据处理单元和通信模块；所述的LET谱探测器、辐射剂量探测器和差异电位探测器分别对卫星运行轨道的粒子辐射LET谱、辐射剂量和卫星表面差异电位进行测量，并将生成的电压信号由数字信号采集电路转换成数字信号后输出至数据处理单元，所述的数据处理单元对数字信号进行电压幅度和趋势分析，获得反映LET谱、辐射剂量和卫星表面差异电位信息的数据，该数据处理单元通过通信模块与卫星连接后进行数据交互；

所述的LET谱探测器包括：硅半导体传感器、电荷灵敏前置放大器和脉冲成形电路；所述的硅半导体传感器探测粒子入射至传感器上的沉积能量，生成反映粒子沉积能量的电荷信号，所述的电荷灵敏前置放大器将硅半导体传感器输出的电荷信号转换成电压脉冲信号，所述的脉冲成形电路将电荷灵敏前置放大器输出的电压脉冲信号成形输出至数字信号采集电路；

所述的辐射剂量探测器包括：辐射剂量传感器、基准电路、检测电路、比较采样电路、放大输出电路；所述的基准电路提供比较采样电路和检测电路的运行电压基准；所述的比较采样电路和放大输出电路相结合，以稳定输出能够被采集的经辐射剂量传感器探测粒子辐射剂量获得的电压信号；检测电路用于检测辐射剂量传感器的运行状态；

所述的差异电位探测器包括：差异电位传感器、输入跟随电路、信号放大电路和输出跟随电路；所述的输入跟随电路接收差异电位传感器探测卫星表面差异电位获得的电压信号，所述的信号放大电路接收输入跟随电路输出的稳定的电压信号，进行信号放大后通过跟随输出电路输出至数据处理单元；

所述的数字信号采集电路包括：主放大器、峰值保持器和ADC采样电路；所述的主放大器将LET谱探测器、辐射剂量探测器和差异电位探测器生成的电压信号进行放大，所述的峰值保持器对主放大器放大后的信号进行脉冲峰值保持处理，所述的ADC采样电路对峰值保持处理后的信号进行模数转换，并将生成的数字信号输出至数据处理单元。

2.根据权利要求1所述的三维高能粒子辐射效应综合探测器，其特征在于，所述的LET谱探测器包括两个平行设置的硅半导体传感器，所述硅半导体传感器设置张角为30°的锥形视场。

3.根据权利要求1所述的三维高能粒子辐射效应综合探测器，其特征在于，所述的LET谱探测器还包括传感器特性检测电路和触发器，所述的传感器特性检测电路的输入端与主放大器的输出端连接，该传感器特性检测电路将主放大器输出的电压信号进行二次放大，并通过设置的A/D采集电路将二次放大的电压信号转换成数字信号后输出至数据处理单元，用于检测硅半导体传感器的运行状态；所述的触发器连接于峰值保持器与数据处理单元之间，用于判定峰值保持器的输出电压在超过设定阈值时，驱动数据处理单元控制对应的ADC采集电路执行信号采集操作。

4.根据权利要求1所述的三维高能粒子辐射效应综合探测器，其特征在于，所述的数据处理单元采用FPGA处理芯片对数字信号进行处理。

5.根据权利要求1所述的三维高能粒子辐射效应综合探测器，其特征在于，所述的通信模块采用1553B通信接口电路与卫星总线进行数据交互。

6.根据权利要求1所述的三维高能粒子辐射效应综合探测器，其特征在于，所述的LET谱探测器和辐射剂量探测器均采用铝材制成的屏蔽罩封闭。