CN109613595A - 一种h、o原子区分方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种H、O原子区分方法，包括如下步骤：提供第一探测器和第二探测器；统计所述第一探测器的第一粒子计数C1及所述第二探测器的第二粒子计数C2；根据所述第一粒子计数C1及所述第二粒子计数C2区分预定能量范围内的H、O原子。本发明的方法提供不同窗厚度的探测器，利用不同能量的H、O原子对不同窗厚度的探测器的穿透能力不同，比较方便地区分预定能量范围内的H、O原子。利用本发明的方法区分H、O原子的错误率比较低，准确率相对较高。目前，国内外尚无利用本发明所述的方法区分H、O原子的先例，因此本发明的利用不同窗厚度的探测器来区分H、O原子的方法具有开创性意义。

Description

一种H、O原子区分方法
技术领域
本发明涉及空间中性原子成像及带电粒子探测空间载荷H、O成分分析领域，具体涉及一种H、O原子区分方法。
背景技术
现有空间中性原子成像及带电粒子探测空间载荷区分H、O成分技术方法包括三大类：飞行时间法(Time Of Flight,TOF)，得到粒子的运动速度，利用相近能量的H、O原子运动速度不同来区分；利用H、O原子通过碳薄膜产生的二次电子数不同，通过微通道板(MCP)收集二次电子信号，利用信号的脉高分析来区分原子种类；结合TOF和固体半导体探测器(SSD)测量的能量来区分H、O原子种类。
现有的上述区分H、O原子的方法，无论是利用H、O原子的运动速度还是利用H、O原子产生的二次电子来区分H、O原子，均会受到空间极紫外/紫外辐射的强烈影响，从而影响H、O原子区分的正确率。另外，上述方法所需的时间较长，这也会一定程度上影响H、O原子区分的结果。
发明内容
为了克服上述现有技术中上述区分H、O原子的方法中的缺陷和不足，提供一种准确率高、适用性广的H、O原子区分方法。
根据本发明，提供了一种H、O原子区分方法，该方法包括如下步骤：
提供第一探测器和第二探测器；
统计所述第一探测器的第一粒子计数C1及所述第二探测器的第二粒子计数C2；
根据所述第一粒子计数C1及所述第二粒子计数C2区分预定能量范围内的H、O原子；
其中，C1：所述第一探测器在预定能量范围内的粒子计数；
C2：所述第二探测器在预定能量范围内的粒子计数。
可选地，提供所述第一探测器和所述第二探测器的步骤包括：
对所述第一探测器和第二探测器的死层进行减薄；
在所述第一探测器和所述第二探测器的灵敏区的入射面掺杂多晶硅层；
在所述多晶硅层的表面附镀铝层。
可选地，对所述死层进行减薄的步骤减去的所述死层的厚度包括1μm，所述多晶硅层的厚度介于所述铝层的厚度介于
可选地，所述第一探测器和所述第二探测器包括硅半导体探测器，所述第一探测器的多晶硅层厚度包括铝层厚度包括所述第二探测器的多晶硅层厚度包括 铝层厚度包括
可选地，按照如下公式统计所述第一探测器的第一粒子计数C1及所述第二探测器的第二粒子计数C2：
C1＝C1H+C1O，C2＝C2H+C2O，
其中，C1H：所述第一探测器探测到的所述预定能量范围内的H原子计数；
C1O：所述第一探测器探测到的所述预定能量范围内的O原子计数；
C2H：所述第二探测器探测到的所述预定能量范围内的H原子计数；
C2O：所述第二探测器探测到的所述预定能量范围内的O原子计数。
可选地，其特征在于，所述预定能量范围介于0～30-40keV，在所述预定能量范围内，C2O≈0，C2H＝αC1H，由此计算所述第一探测器探测到的所述预定能量范围内的O原子计数：
其中，α的取值介于0.98～1.02。
可选地，所述方法在区分所述预定能量范围内的H、O原子时的错误率
优选地，当O/H为0.2时，所述错误率≤25％，当O/H为0.1时，所述错误率＜5％。
如上所述，本发明的H、O原子区分方法具有如下技术效果：
本发明的方法提供不同窗厚度的探测器，利用不同能量的H、O原子对不同窗厚度的探测器的穿透能力不同，比较方便地区分预定能量范围内的H、O原子。利用本发明的方法区分H、O原子的错误率比较低，准确率相对较高。
由于幂律谱分布下的比例系数与同一计数下的比例系数差别并不明显，因此本发明的方法对不同类型的能谱均可适用。
另外，目前，国内外尚无利用本发明所述方法的区分H、O原子的先例，因此本发明的利用不同窗厚度的探测器来区分H、O原子的方法具有开创性意义。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1显示为实施例一提供的H、O原子区分方法的流程图。
图2显示为不同窗厚度的探测器的H、O原子的半高宽峰积分计数，其中实线对应H原子，点实线对应O原子。
图3和4显示为实施例一中对不同能量的H、O原子进行Geant4仿真结果，图3为不同能量的H、O原子的通量峰值的Geant4仿真结果，图4为不同能量的H、O原子的半高宽峰积分计数的Geant4仿真结果。
图5显示为实施例一中不同粒子入射角度的Geant4仿真得到的比例系数α。
图6-10显示为实施例二提供的呈幂律谱分布的粒子在不同谱指数情况下的Geant4仿真结果，其中，图6显示为谱指数为-2时，不同能量的H、O原子的通量峰值的Geant4仿真结果，图7显示为谱指数为-2时，不同能量的H、O原子的半高宽峰积分计数的Geant4仿真结果，图8显示为谱指数为-2时不同粒子入射角度的Geant4仿真得到的的比例系数α的比例系数α，图9显示为谱指数为-3时不同粒子入射角度的Geant4仿真得到的的比例系数α，图10显示为谱指数为-4时不同粒子入射角度的Geant4仿真得到的的比例系数α。
图11-14显示为实施例三提供的谱指数为-2的粒子正入射时，在不同O\H比下，不同能量的H、O原子的Geant4的仿真结果，其中，图11和12显示为O\H比为0.2时不同能量的H、O原子的Geant4的仿真结果，图13和14显示为O\H比为5.0时不同能量的H、O原子的Geant4的仿真结果。
图15-18显示为实施例四提供的不同谱指数、不同O\H下，H、O原子区分方法的错误率的Geant4仿真结果，其中，图15显示为谱指数为-2、O/H比为0.2时错误率的Geant4仿真结果，图16显示为谱指数为-2、O/H比为1.0时错误率的Geant4仿真结果，图17显示为谱指数为-3、O/H比为0.2时错误率的Geant4仿真结果，图18显示为谱指数为-3、O/H比为1.0时错误率的Geant4仿真结果。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本实施例提供一种H、O原子区分方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：
提供第一探测器和第二探测器；
统计所述第一探测器的第一粒子计数C1及所述第二探测器的第二粒子计数C2；
根据所述第一粒子计数C1及所述第二粒子计数C2区分预定能量范围内的H、O原子；
其中，C1：所述第一探测器在预定能量范围内的粒子计数；
C2：所述第二探测器在预定能量范围内的粒子计数。
在本实施例的一优选实施例中，提供所述第一探测器和所述第二探测器的步骤包括：
对所述第一探测器和第二探测器的死层进行减薄；
在所述第一探测器和所述第二探测器的灵敏区的入射面掺杂多晶硅层；
在所述多晶硅层的表面附镀铝层。
所述第一探测器和所述第二探测器包括硅半导体探测器，对所述死层进行减薄的步骤减去的死层的厚度包括1μm，所述多晶硅的厚度介于所述铝层的厚度介于
本实施例对包括不同厚度的多晶硅层(Si)和铝层(Al)的不同窗厚度的探测器进行了粒子半高宽峰积分计数的Geant4仿真。在该仿真中，分别对具有如下窗厚度的探测器进行仿真：
第一探测器：
第二探测器：
第三探测器：
第四探测器：
第五探测器：
第六探测器：
第七探测器：
第八探测器：
其仿真结果如图2所示，由图2可以看出，随着探测器窗厚度的增加，O原子穿透探测器窗的能力也逐渐增加；窗厚度对H原子的影响主要集中在14 keV以下，对于14 keV以上的H原子，其穿透探测器窗的能力基本不受探测器窗厚度的影响。
在本实施例的一进一步优选实施例中，基于本实施例所要区分的预定能量范围为0～30-40 keV内的H、O原子，结合图2，选取和两种窗厚度的第一探测器和第二探测器。利用上述第一和第二探测器对不同能量的H、O原子进行Geant4仿真。其仿真结果如图3和4所示。由图3和4可以看出，对于本实施例所采用的上述两种不同窗厚度的探测器，大于14 keV的H原子基本不受影响，大于30 keV的O原子可以穿透第一探测器，大于40 keV的O原子可以穿透第二探测器。基于不同能量的H、O原子对上述第一和第二探测器的不同的穿透能力，便可以区分预定能量范围内的H、O原子数。
在本实施例中，基于图3和图4，在0～30-40 keV的预定能量范围内，将第一探测器的粒子计数记为C1，将第二探测器的粒子计数记为C2。在本实施例中，
C1＝C1H+C1O
C2＝C2H+C2O (1)，
其中，C1H：所述第一探测器探测到的所述预定能量范围内的H原子计数；
C1O：所述第一探测器探测到的所述预定能量范围内的O原子计数；
C2H：所述第二探测器探测到的所述预定能量范围内的H原子计数；
C2O：所述第二探测器探测到的所述预定能量范围内的O原子计数。
如图3和图4所示，在上述预定能量范围内，可以认为C2O≈0，因此C2＝C2H，在本实施例中，引入比例系数α，并且规定，C2H＝αC1H，于是得到：
在本实施例的另一优选实施例中，采用Geant4仿真计算上述比例系数，仿真结果如图5所示。在该Geant4仿真中，仍然选择和两种不同窗厚度的第一探测器和第二探测器。并且在该仿真中，对30～35 keV、35～40 keV及30～40keV三个能量范围的入射粒子进行仿真。由图5可以看出，对于上述第一和第二探测器，在不同能量范围内，α的取值介于0.98～1.02之间。
实施例二
本实施例同样提供一种H、O原子区分方法，本实施例与实施例一的相同之处不再赘述，其不同之处在于，本实施例进一步考虑了空间不同能谱分布的影响。在本实施例中规定粒子分布为幂律谱分布，如图6和7所示，规定粒子分布的谱指数为-2，H、O原子的计数仿真结果如图所示。对比图6和7以及图3和4可以看出，谱指数为-2情形的仿真结果与同一计数的仿真结果基本相同。
另外，在本实施例中，进一步对不同谱指数下的比例系数α进行仿真，如图8-10所示，分别示出了谱指数为-2、-3、-4的幂律谱分布下的不同入射角度所对应的比例系数α的仿真结果。
如图8所示，谱指数为-2时，比例系数α的取值范围介于0.98～1.03之间；如图9所示，谱指数为-3是，比例系数α的取值范围介于0.98～1.06之间；如图10所示，谱指数为-4时，比例系数α的取值介于0.98～1.08之间。对比图4所示的同一计数的情形下比例系数α的取值0.98～1.02，幂律谱分布下的比例系数与同一计数下的比例系数差别并不明显，说明本方法对不同类型的能谱均可适用。
实施例三
本实施例同样提供一种H、O原子区分方法，与实施例二的相同之处不再赘述，其不同之处在于，本实施例进一步考虑了不同O/H比对区分H、O能力的影响。
在实际空间中，O/H比会随着地磁活动强度的不同而剧烈变化，因此，在本实施例中考虑了该因素对区分H、O能力的影响，并基于不同的O/H比进行了Geant4仿真。
在本实施例的一优选实施例中，进一步考虑O/H为0.2和5的情况下对方案区分H、O原子能力的影响，在上述O/H比下对H、O进行Geant4仿真。
如图11和12所示，分别示出了谱指数为-2、O/H比为0.2时，不同能量的H、O原子的通量峰值和半高宽峰积分计数的Geant4仿真结果。由图11和12可以看出，O/H比为0.2时，仍然可以利用本发明的方法区分30-40keV之间的H、O原子。
如图13和14所示，分别示出了谱指数为-2、O/H比为5.0时，不同能量的H、O原子的通量峰值和半高宽峰积分计数的Geant4仿真结果。由图13和14所示，对于第二探测器，即多晶硅厚度+铝层厚度为的探测器，在接近40keV时O原子计数已经超过H原子，因此可以区分H、O原子的理想能量上限实际上会比40keV略低。
实施例四
本实施例同样提供一种H、O原子区分方法，与实施例三的相同之处不再赘述，其不同之处在于，本实施例规定了所述方法在区分所述预定能量范围内的H、O原子时的错误率
如图15-18所示，本实施例提供了在不同谱指数、不同O\H下，H、O原子区分方法的错误率的Geant4仿真结果。另外，在本实施例中，将粒子的能量划分为三个能档范围：第一能档范围(30.000-33.333 keV)；第二能档范围(33.333-36.667 keV)；第三能档范围(36.667-400500 keV)。
当谱指数为-2时，如图15所示，谱指数为-2、O/H比为0.2时，对于第一和第二能档范围，该区分H、O原子的方法的错误率最高不超过25％。第三能档范围的错误率更小。
如图16所示，谱指数为-2、O/H比为1.0时，对于第一、第二和第三能档范围，该区分H、O原子的方法的错误率均小于5％。
对比图15和图16可知，该区分H、O原子的方法更加适用于O/H比较高的情形，比如磁暴时期。
在本实施例中，进一步示出了谱指数为-3时，该方法的错误率仿真结果。如图17所示，谱指数为-3、O/H比为0.2时，相对于图15所示的谱指数为-2、O/H比为0.2时，该方法的错误率稍高，但是由图17可以看出，对于第一和第二能档范围，该区分H、O原子的方法的错误率最高仍然不超过25％。第三能档范围的错误率更小。
如图18所示，谱指数为-3、O/H比为1.0时，相对于图16所示的谱指数为-2、O/H比为1.0时，该方法的错误率稍高。但是由图18可以看出，在第一、第二和第三能档范围内，该区分H、O原子的方法的错误率仍然小于5％。
综上可以看出，该区分H、O原子的方法更加适用于O/H比较高的情形，并且粒子谱指数的不同对错误率的影响不会很明显，即对整个方法的区分结果不会产生明显的影响。
综上，本发明上述实施例提供的H、O原子区分方法具有如下技术效果：
本发明的方法提供不同窗厚度的探测器，利用不同能量的H、O原子对不同窗厚度的探测器的穿透能力不同，比较方便地区分预定能量范围内的H、O原子。利用本发明的方法区分H、O原子的错误率比较低，准确率相对较高。
由于幂律谱分布下的比例系数与同一计数下的比例系数差别并不明显，因此本发明的方法对不同类型的能谱均可适用。
另外，目前，国内外尚无利用本发明所述的方法区分H、O原子的先例，因此本发明的利用不同窗厚度的探测器来区分H、O原子的方法具有开创性意义。
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，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (8)

1.一种H、O原子区分方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供第一探测器和第二探测器；
统计所述第一探测器的第一粒子计数C1及所述第二探测器的第二粒子计数C2；
根据所述第一粒子计数C1及所述第二粒子计数C2区分预定能量范围内的H、O原子；
其中，C1：所述第一探测器在预定能量范围内的粒子计数；
C2：所述第二探测器在预定能量范围内的粒子计数。
2.根据权利要求1所述的H、O原子区分方法，其特征在于，提供所述第一探测器和所述第二探测器的步骤包括：
对所述第一探测器和第二探测器的死层进行减薄；
在所述第一探测器和所述第二探测器的灵敏区的入射面掺杂多晶硅层；
在所述多晶硅层的表面附镀铝层。
3.根据权利要求2所述的H、O原子区分方法，其特征在于，对所述死层进行减薄的步骤减去的所述死层的厚度包括1μm，所述多晶硅层的厚度介于所述铝层的厚度介于
4.根据权利要求3所述的H、O原子区分方法，其特征在于，所述第一探测器和所述第二探测器包括硅半导体探测器，所述第一探测器的多晶硅层厚度包括铝层厚度包括 所述第二探测器的多晶硅层厚度包括铝层厚度包括
5.根据权利要求1所述的H、O原子区分方法，其特征在于，按照如下公式统计所述第一探测器的第一粒子计数C1及所述第二探测器的第二粒子计数C2：
C1＝C1H+C1O，C2＝C2H+C2O，
其中，
C1H：所述第一探测器探测到的所述预定能量范围内的H原子计数；
C1O：所述第一探测器探测到的所述预定能量范围内的O原子计数；
C2H：所述第二探测器探测到的所述预定能量范围内的H原子计数；
C2O：所述第二探测器探测到的所述预定能量范围内的O原子计数。
6.根据权利要求5所述的H、O原子区分方法，其特征在于，所述预定能量范围介于0～30-40keV，在所述预定能量范围内，C2O≈0，C2H＝αC1H，由此计算所述第一探测器探测到的所述预定能量范围内的O原子计数：
其中，α的取值介于0.98～1.02。
7.根据权利要求6所述的H、O原子区分方法，其特征在于，所述方法在区分所述预定能量范围内的H、O原子时的错误率
8.根据权利要求7所述的H、O原子区分方法，其特征在于，当O/H为0.2时，所述错误率≤25％，当O/H为0.1时，所述错误率＜5％。
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