CN108345022B - 一种空间带电粒子辐射剂量的测量装置及方法 - Google Patents
一种空间带电粒子辐射剂量的测量装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种空间带电粒子辐射剂量的测量装置，所述装置包括：带电粒子传感器和信号处理电路；所述带电粒子传感器用于将带电粒子辐射转换为自由电荷并进行输出；所述信号处理电路用于对带电粒子传感器输出的电荷进行处理，得到带电粒子的辐射剂量。此外，基于该装置，本发明还公开了一种空间带电粒子辐射剂量的测量方法，该方法能够获取空间带电粒子的辐射剂量。本发明的装置采用硅半导体传感器来测量辐射剂量，可以对单个粒子信号进行测量分析，提高了剂量测量的灵敏度，灵敏度可以达到μrad(Si)水平；本发明的硅半导体传感器为高纯高阻硅材料，工作电压低，降低了装置的功耗。
Description
技术领域
本发明涉及空间辐射环境探测技术领域，尤其涉及一种空间带电粒子辐射剂量的测量装置及方法。
背景技术
地球空间环境的电子、质子、重离子等带电粒子辐射是引起卫星的器件或材料总剂量效应的主要因素。空间辐射剂量探测为卫星的总剂量效应的评估、运行保障和抗辐射设计等提供基础数据，是空间环境监测的主要组成部分。现有的辐射剂量探测器大多基于辐射敏感场效应管(Radiation Sensing Field Effect Transistor，简称RADFET)技术，它以特定工艺制成的PMOS晶体管作为传感器，通过监测辐射引起的晶体管的栅极电压变化来反演出辐射剂量，其探测灵敏度低，通常为几十rad(Si)，对于辐射剂量小的低地球轨道(<1000km)测量，可能需要数天甚至数十天才能产生输出，无法得到辐射剂量的空间分布、短时扰动和准确的时间变化等特征。
发明内容
本发明的目的在于克服目前辐射剂量探测器存在的上述问题，提出了一种空间带电粒子辐射剂量的测量装置，该装置可有效探测空间环境带电粒子辐射的剂量。
为了实现上述目的，本发明提供了一种空间带电粒子辐射剂量的测量装置，所述装置包括：带电粒子传感器和信号处理电路；所述带电粒子传感器用于将带电粒子辐射转换为自由电荷并进行输出；所述信号处理电路用于对带电粒子传感器输出的电荷进行处理，得到带电粒子的辐射剂量。
上述技术方案中，所述带电粒子传感器的采用硅半导体传感器，材料为高纯高阻的硅半导体，厚度为200μm，电阻率大于104Ω·cm，全耗尽电压低于10V。
上述技术方案中，所述信号处理电路依次包括：前置放大器、成形单元、积分单元和计数单元；
所述的前置放大器用于对带电粒子传感器输出的电荷信号进行放大，形成放大信号；
所述成形单元用于对放大信号进行处理，输出成形脉冲信号；所述成形单元包括两路并联电路：第一电路和第二电路，第一电路包括慢成形电路和第一开关，第二电路包括快成形电路和第一甄别器；第二电路用于控制慢成形电路的选通，当快成电路输出的信号幅度超过第一甄别器的阈值时，第一开关导通，则慢成形电路与积分单元连通；
所述积分单元用于对成形单元输出的波形信号进行积分，包括并联的第二开关和积分电路，所述积分电路后连第二甄别器；成形信号在积分电路中累积，当积分电路的累积信号幅度超过第二甄别器的阈值Vth后，第二甄别器输出1个脉冲到计数单元；同时第二开关导通，积分电路的信号清零，进入下一个信号累积周期；
所述计数单元包括计数器和移位寄存器，所述计数器用于对第二甄别器输出的脉冲数目进行计数，所述移位寄存器用于存储计数器结果并输出。
上述技术方案中，所述慢成形电路采用CR-(RC)2电路，所述快成形电路采用CR-RC电路。
基于上述的空间带电粒子辐射剂量的测量装置，本发明还公开了一种空间带电粒子辐射剂量的测量方法，所述方法包括：
步骤1)带电粒子入射到带电粒子传感器，输出的自由电荷数目n0为：
其中，E0为沉积能量，单位为MeV；Q为带电粒子传感器的平均电离能，Q＝3.6eV；
此时，带电粒子传感器接收的辐射剂量D0为：
D0单位为rad(Si)，m为带电粒子传感器的质量，单位kg；
步骤2)所述前置放大器对带电粒子传感器输出的自由电荷进行信号放大，前置放大器输出的放大信号V1的幅度为：
V1＝1.602×10-19×n0×A1
V1的单位V，A1为前置放大器的放大倍数，单位V/库伦；
步骤3)前置放大器输出放大信号V1分别输出到成形电路，由第一电路和第二电路分别生成慢成形脉冲信号和快成形脉冲信号；
步骤4)当快成形脉冲信号的幅度超过第一甄别器的阈值时，第一开关导通，此时慢成形电路与积分电路导通；
步骤5)积分电路对慢成形脉冲信号进行积分，积分时间为第一开关的选通时间，在第一开关断开后，停止积分，积分信号保持；
步骤6)判断积分信号幅度是否超过第二甄别器的阈值Vth，如果判断结果是肯定的，第二甄别器输出1个脉冲信号；第二甄别器输出脉冲信号后，第二开关导通，积分电路信号清零；转入步骤7)；否则，转入步骤1)；
步骤7)计数器对第二甄别器输出的脉冲信号进行计数；
步骤8)判断测量是否结束，如果未结束，转入步骤1)，否则，转入步骤9)；
步骤9)根据计数器的值计算辐射剂量：当计数器的计数为N时，传感器接受的辐射总剂量为N×D1；其中，第二甄别器的阈值Vth对应于辐射剂量D1时的积分信号幅度，第二甄别器每输出1个脉冲信号代表传感器接受的辐射剂量为D1；
步骤10)定时把计数器的计数存储到移位寄存器，供外部电路读取。
上述技术方案中，在所述步骤6)中，通过调整第二甄别器的阈值Vth改变辐射剂量测量的灵敏度。
本发明的优点在于：
1、本发明采用硅半导体传感器来测量辐射剂量，可以对单个粒子信号进行测量分析，提高了剂量测量的灵敏度，灵敏度可以达到μrad(Si)水平；
2、本发明硅半导体传感器为高纯高阻硅材料，工作电压低，降低了装置的功耗；
3、本发明信号处理电路采用了积分电路，可以对传感器产生的大小信号进行累积，简化了信号幅度分析电路；
4、本发明对传感器信号处理分析采用设计的ASIC芯片，显著减小了空间辐射剂量测量装置的质量、体积和功耗。
附图说明
图1为本发明的空间带电粒子辐射剂量的测量装置的示意图；
图2为本发明的测量装置的信号处理电路的示意图；
图3为本发明的测量装置的ASIC的电路原理图；
图4为本发明的辐射剂量测量结果的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例，对本发明的测量测量空间带电粒子辐射剂量的方法进行详细说明。
如图1所示，一种空间带电粒子辐射剂量的测量装置，所述装置包括：带电粒子传感器和信号处理电路；所述的带电粒子传感器采用硅半导体传感器，输出为带电粒子辐射入射到传感器时所产生的电荷；所述带电粒子传感器的材料为高纯高阻的硅半导体，厚度200μm，电阻率等于5×104Ω·cm，全耗尽电压为5V。
如图2所示，所述信号处理电路包括：前置放大器、成形单元、积分单元和计数单元；
所述的前置放大器用于对带电粒子传感器输出的电荷信号进行放大，形成放大信号；
所述成形单元用于对放大信号进行处理，输出成形脉冲信号；所述成形单元包括两路并联电路：第一电路和第二电路，第一电路包括慢成形电路和第一开关，第二电路包括快成形电路和第一甄别器；第二电路用于控制慢成形电路的选通，当快成电路输出的信号幅度超过第一甄别器的阈值时，第一开关导通，则慢成形电路与积分单元连通；
所述积分单元用于对成形电路输出的成形脉冲信号进行积分，包括并联的第二开关和积分电路，所述积分电路后连第二甄别器；成形脉冲信号在积分电路中累积，当积分电路的累积信号幅度超过第二甄别器的阈值Vth后，第二甄别器输出1个脉冲到计数单元；同时第二开关导通，积分电路的信号清零，进入下一个信号累积周期；
所述计数单元包括计数器和移位寄存器，所述计数器用于对第二甄别器输出的脉冲数计数，所述移位寄存器用于存储计数器结果并输出。
带电粒子入射到带电粒子传感器后通过电离产生电子—空穴对，其中电子被传感器上的电极收集产生电荷输出信号。电荷输出信号首先被前置放大器放大，形成放大信号，放大信号一路通过快成形电路，使第一开关导通；放大信号的另一路通过慢成形电路后进入积分电路进行累积。每入射到带电粒子传感器1个带电粒子，积分电路将其信号幅度进行累积，当累积的信号幅度超过第二甄别器的阈值后，计数器加1，同时第二开关导通，积分电路的累积信号清零。计数器的计数定时存储到移位寄存器，外部设备通过移位寄存器读取计数。
如图3所示，所述信号处理电路集成在ASIC芯片电路中。每个带电粒子入射到带电粒子传感器后，在带电粒子传感器中产生1个脉冲信号；该脉冲信号经前置放大器后，脉冲信号幅度增大；快成形电路采用CR-RC电路，其达峰时间约30ns，使第一甄别器输出高电平，第一开关导通，此时慢成形电路与积分电路导通；慢成形电路采用CR-(RC)2电路，其达峰时间约200ns。慢成形电路的输出信号在积分电路中累积，当积分电路的累积信号幅度超过第二甄别器的阈值Vth后，第二甄别器输出1个脉冲，计数器计数增加1，同时第二开关导通，积分电路的信号清零，进入下一个信号累积周期。
基于上述装置，本发明还提供了一种空间带电粒子辐射剂量的测量方法，所述方法包括：
步骤1)带电粒子入射到带电粒子传感器，输出的自由电荷数目n0为：
其中，E0为沉积能量，单位为MeV；Q为带电粒子传感器的平均电离能，Q＝3.6eV；
此时，带电粒子传感器接收的辐射剂量D0为：
D0单位为rad(Si)，m为带电粒子传感器的质量，单位kg；
步骤2)所述前置放大器对带电粒子传感器输出的自由电荷进行信号放大，前置放大器输出的放大信号V1的幅度为：
V1＝1.602×10-19×n0×A1
V1的单位V，A1为前置放大器的放大倍数，单位V/库伦；
步骤3)前置放大器输出放大信号V1分别输出到第一电路和第二电路，由第一电路和第二电路分别生成慢成形脉冲信号和快成形脉冲信号；
快成形脉冲信号的达峰时间T1小于慢成形信号的达峰时间T2；慢成形脉冲信号的峰值幅度V2与前置放大器输出信号幅度V1成正比，故V2与传感器接受的辐射剂量D0成正比；
步骤4)当快成形脉冲信号的幅度超过第一甄别器的阈值时，第一开关导通，此时慢成形电路与积分电路导通；
步骤5)积分电路对慢成形脉冲信号进行积分，积分时间为第一开关的选通时间，在第一开关断开后，停止积分，积分信号保持；
通过调整第一甄别器的阈值改变第一开关的选通时间；
步骤6)判断积分信号幅度是否超过第二甄别器的阈值Vth，如果判断结果是肯定的，第二甄别器输出1个脉冲信号；第二甄别器输出脉冲信号后，第二开关导通，积分电路信号清零；转入步骤7)；否则，转入步骤1)；
如图4所示，入射4个粒子后第二甄别器输出1个脉冲信号，积分信号幅度与带电粒子传感器接受的辐射剂量成正比。
步骤7)计数器对第二甄别器输出的脉冲信号数目进行计数；
步骤8)判断测量是否结束，如果未结束，转入步骤1)，否则，转入步骤9)；
步骤9)根据计数器的值计算辐射剂量：当计数器的计数为N时，传感器接受的辐射总剂量为N×D1；其中，第二甄别器的阈值Vth对应于辐射剂量D1时的积分信号幅度，第二甄别器每输出1个脉冲信号代表传感器接受的辐射剂量为D1；
步骤10)定时把计数器的计数存储到移位寄存器，供外部电路读取。
Claims (5)
1.一种空间带电粒子辐射剂量的测量装置，所述装置包括：带电粒子传感器和信号处理电路；其特征在于，所述带电粒子传感器用于将带电粒子辐射转换为自由电荷并进行输出；所述信号处理电路用于对带电粒子传感器输出的电荷进行处理，得到带电粒子的辐射剂量；
所述带电粒子传感器采用硅半导体传感器，材料为高纯高阻的硅半导体，厚度为200μm，电阻率大于104Ω·cm，全耗尽电压低于10V。
2.根据权利要求1所述的空间带电粒子辐射剂量的测量装置，其特征在于，所述信号处理电路依次包括：前置放大器、成形单元、积分单元和计数单元；
所述的前置放大器用于对带电粒子传感器输出的电荷信号进行放大，形成放大信号；
所述成形单元用于对放大信号进行处理，输出成形脉冲信号；所述成形单元包括两路并联电路：第一电路和第二电路，第一电路包括慢成形电路和第一开关，第二电路包括快成形电路和第一甄别器；第二电路用于控制慢成形电路的选通，当快成形 电路输出的信号幅度超过第一甄别器的阈值时，第一开关导通，则慢成形电路与积分单元连通；
所述积分单元用于对成形单元输出的成形脉冲信号进行积分，包括并联的第二开关和积分电路，所述积分电路后连第二甄别器；成形脉冲信号在积分电路中累积，当积分电路的累积信号幅度超过第二甄别器的阈值Vth后，第二甄别器输出1个脉冲到计数单元；同时第二开关导通，积分电路的信号清零，进入下一个信号累积周期；
所述计数单元包括计数器和移位寄存器，所述计数器用于对第二甄别器输出的脉冲数目进行计数，所述移位寄存器用于存储计数器结果并输出。
3.根据权利要求2所述的空间带电粒子辐射剂量的测量装置，其特征在于，所述慢成形电路采用CR-(RC)2电路，所述快成形电路采用CR-RC电路。
4.一种空间带电粒子辐射剂量的测量方法，基于权利要求2-3之一所述的空间带电粒子辐射剂量的测量装置实现，所述方法包括：
步骤1)带电粒子入射到带电粒子传感器，输出的自由电荷数目n0为：
其中，E0为沉积能量，单位为MeV；Q为带电粒子传感器的平均电离能，Q＝3.6eV；
此时，带电粒子传感器接收的辐射剂量D0为：
D0单位为rad(Si)，m为带电粒子传感器的质量，单位kg；
步骤2)所述前置放大器对带电粒子传感器输出的自由电荷进行信号放大，前置放大器输出的放大信号V1的幅度为：
V1＝1.602×10-19×n0×A1
V1的单位V，A1为前置放大器的放大倍数，单位V/库伦；
步骤3)前置放大器输出放大信号V1到成形电路，由第一电路和第二电路分别生成慢成形脉冲信号和快成形脉冲信号；
步骤4)当快成形脉冲信号的幅度超过第一甄别器的阈值时，第一开关导通，此时慢成形电路与积分电路导通；
步骤5)积分电路对慢成形脉冲信号进行积分，积分时间为第一开关的选通时间，在第一开关断开后，停止积分，积分信号保持；
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步骤7)计数器对第二甄别器输出的脉冲信号进行计数；
步骤8)判断测量是否结束，如果未结束，转入步骤1)，否则，转入步骤9)；
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5.根据权利要求4所述的空间带电粒子辐射剂量的测量方法，其特征在于，在所述步骤6)中，通过调整第二甄别器的阈值Vth改变辐射剂量测量的灵敏度。
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