CN109738933B - 一种中性原子降噪方法及降噪装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种中性原子降噪方法及降噪装置，该方法包括如下步骤：提供一准直偏转腔室，准直偏转腔室包括相对设置的两准直偏转板，所述准直偏转板具有一长度L，所述两偏转板之间具有间隔距离d；向所述准直偏转板提供偏转电压U；所述偏转准直腔室接收入射的夹杂带电粒子的中性原子，并对所述带电粒子进行偏转；其中，所述带电粒子的能量EK与所述偏转板的长度L、所述两准直偏转板之间的间隔距离d之间的关系如下：

本申请的上述方法及装置，通过准直偏转板的长度与电压配合，选取适当的偏转电压和准直偏转腔室高度，实现对带电粒子的有效偏转，降低中性原子的噪声。从而使得探测器探测到纯净的中性原子并且获得良好的中性原子成像效果。

Description

一种中性原子降噪方法及降噪装置

技术领域

本发明涉及空间中性原子成像领域，具体涉及一种中性原子降噪方法及降噪装置。

背景技术

整体观察和全球成像己成为有希望解决地球空间物理问题的重要的发展途径之一。由于环电流离子与地冕热粒子成分的电荷交换过程中会产生能量中性原子(ENA)，而ENA不受磁场束缚，可沿直线以最初的能量离子的速度离开源区。因此遥测ENA成像也为区分空间等离子体的时间和空间变化提供了新的机会。

在对中性原子进行成像的过程中，不仅要求中性原子成像系统的噪声要低，而且不能有其他带电粒子的干扰，即要求中性原子本身的噪声也要足够低。这就要求成像仪去除低于一定能量的带电粒子，使其无法到达中性原子探测器，降低中性原子的噪声，增强中性原子成像系统的成像效果。

发明内容

为了有效去除中性原子中夹带的带电粒子，对中性原子进行降噪，更好地完成中性原子成像，本发明提供一种中性原子降噪方法及降噪装置。

根据本发明第一方面，提供一种中性原子降噪方法，该方法包括以下步骤：

提供一准直偏转腔室，所述准直偏转腔室包括相对设置的两准直偏转板，所述准直偏转板具有一长度L，所述两偏转板之间具有间隔距离d；

向所述准直偏转板提供偏转电压U；

所述准直偏转腔室接收入射的夹杂带电粒子的中性原子，并对所述带电粒子进行偏转；

其中，所述准直偏转板的长度L以及所述两偏转板之间的间隔距离d均为可调参数，并且所述带电粒子的能量EK与所述偏转板的长度L、所述两准直偏转板之间的间隔距离d之间的关系如下：

可选地，所述中性原子的能量范围介于0～30-40keV。

可选地，所述准直偏转板的长度介于180mm～200mm，所述准直偏转板之间的间距介于25mm～35mm，所述静电偏转电压介于5kV～6.5kV。

可选地，所述方法还包括在所述静电准直偏转腔室的前后方设置中性原子探测单元，所述中性原子探测单元接收所述中性原子并对所述中性原子进行成像。

可选地，所述准直偏转腔室与所述中性原子探测元件之间的间距介于25mm～35mm。

可选地，在所述静电准直偏转腔室的前后方设置中性原子探测单元包括：

在所述静电准直偏转腔室的前后方设置至少一个调制栅格，所述调制栅格与所述准直偏转腔室之间的间距介于25mm～35mm；

在所述至少一个调制栅格前后方设置至少一个半导体探测器线阵列，所述半导体探测器线阵列与所述调制栅格之间的距离介于10mm～15mm；

其中，在每个所述半导体探测器线阵列中设置多个硅半导体探测器。

可选地，该方法还还包括在所述准直偏转板的外侧设置保护壳体，所述准直偏转板固定设置在所述保护壳体的内侧；

其中，所述准直偏转板和所述保护壳体设置为扇形，并且所述保护壳体的上端部具有开口，所述开口的宽度与所述准直偏转板之间的间隔距离相等，所述开口的长度与所述准直片转板的宽度相等，所述中性原子经所述开口进入所述准直偏转腔室。

根据本发明的第二方面，提供一种中性原子降噪装置，该装置包括：

准直偏转腔室，包括相对设置的两准直偏转板，所述准直偏转板具有一长度L，所述两偏转板之间具有间隔距离d，所述准直偏转板上具有偏转电压U，通过所述偏转电压对入射至所述准直偏转腔室的中性原子中夹杂的带电粒子进行偏离；

保护壳体，设置在所述准直偏转腔室的外侧，并且，所述准直偏转板和所述保护壳体设置为扇形，并且所述保护壳体的上端部具有开口，所述开口的宽度与所述准直偏转板之间的间隔距离相等，所述开口的长度与所述准直片转板的宽度相等，所述中性原子经所述开口进入所述准直偏转腔室；

其中，所述准直偏转板的长度L以及所述两偏转板之间的间隔距离d均为可调参数，并且所述带电粒子的能量EK与所述偏转板的长度L、所述两准直偏转板之间的间隔距离d之间的关系如下：

可选地，中性原子降噪装置还包括中性原子探测单元，设置在所述准直偏转腔室的后方，用于对被所述准直偏转腔室降噪后的所述中性原子进行探测并成像。

进一步可选地，所述中性原子探测单元包括：

至少一个调制栅格，位于所述准直偏转腔室的后方，并且与准直偏转腔室之间的间距介于25mm～35mm；

至少一个半导体探测器线阵列，位于所述调制栅格的后方，并且与所述调制栅格之间的距离介于10mm～15mm；

其中，在每个所述半导体探测器线阵列中设置多个硅半导体探测器。

如上所述，本发明的中性原子降噪方法具有如下技术效果：

本申请的上述方法，通过准直偏转板的长度与电压配合，选取适当的偏转电压和准直偏转腔室高度，实现对带电粒子的有效偏转，降低中性原子的噪声。从而使得探测器探测到纯净的中性原子并且获得良好的中性原子成像效果。

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中性原子降噪方法的流程图。

图2显示为实施例一中保护壳体的纵向剖面示意图。

图3显示为图2所示的准直偏转板的原理示意图。

图4显示为实施例二提供的带电粒子的偏转仿真示意图。

图5显示为图4中未被偏转的带电粒子的示意图。

附图标记

20 准直偏转腔室

201 保护壳体

202 准直偏转板

203 开口

30 中性原子探测单元

301 调制栅格

302 半导体探测器线阵列

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

本实施例提供一种中性原子降噪方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：

提供一准直偏转腔室，如图2所示，准直偏转腔室20包括相对设置的两准直偏转板202，如图3所示，该准直偏转板202的长度为L，两准直偏转板202之间的间隔距离为d，在本实施例中L和d均为可调参数；

仍然参照图3，向所述准直偏转板202提供偏转电压U；

所述偏转准直腔室接收入射的夹杂带电粒子的中性原子，并对所述带电粒子进行偏转，中性原子的能量为E_K。

在本实施例的一优选实施例中，根据所述中性原子的能量范围选取所述准直偏转板的长度及施加在所述准直偏转板上的偏转电压。如图3所示，对带电粒子进行偏转时，带电粒子在x方向上的位移记为x＝vt (1)；

z方向上的位移记为

于是有：

在图3中，x＝L，z＝d，带电粒子的能量与中性原子的能量相同，即为E_K，

而

结合上面的公式(1)-(3)，可以得到：

由公式(5)可以看出，对于一定能量范围的带电粒子，可以根据两准直偏转板的间隔距离d来选择适合的准直偏转板长度L及施加在准直偏转板上的偏转电压U。

在本实施例的一优选实施例中，所述中性原子的能量范围介于0～30-40keV。

在本实施例的另一优选实施例中，所述准直偏转板的长度L介于180mm～200mm，所述准直偏转板之间的间隔距离d介于25mm～35mm，所述静电偏转电压介于5kV～6.5kV。

更加优选地，所述准直偏转板的长度L＝190mm，两准直偏转板之间的间隔距离d＝30mm，偏转电压U＝6kV。

仍然参照附图2，在本实施例的另一优选实施例中，准直偏转板202的外侧设置有保护壳体201，准直偏转板202固定设置在所述保护壳体201的内侧。如图2所示，准直偏转板202和所述保护壳体201设置为扇形，并且所述保护壳体201的上端部具有开口203，所述开口203的宽度与所述准直偏转板之间的间隔距离d相等，所述开口203的长度与所述准直片转板的长度L相等，中性原子及其中混杂的带电粒子经所述开口203进入所述准直偏转腔室，在准直偏转腔室中被偏转。

在本实施例的另一优选实施例中，所述方法还包括在所述静电准直腔室的后方设置中性原子探测单元，所述中性原子探测单元接收所述中性原子并对所述中性原子进行成像。

在本实施例的更进一步的实施例中，所述准直偏转腔室与所述中性原子探测元件之间的间距L₁介于25mm～35mm。

实施例二

本实施例同样提供一种中性原子降噪方法，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：

如图2所示，准直偏转腔室20包括保护壳体201及设置在保护壳体201内部的偏转板202。为了更加直观地说明准直偏转腔室对带电粒子的偏转过程及偏转效果，本实施例在静电准直腔室20的后方设置中性原子探测单元30，具体地，在所述静电准直腔室20的后方设置至少一个调制栅格301；然后在所述至少一个调制栅格后方设置至少一个半导体探测器线阵列302，所述半导体探测器线阵列与所述调制栅格之间的距离介于10mm～15mm；其中，在每个所述半导体探测器线阵列中设置多个硅半导体探测器。

准直偏转腔室20与中性原子探测单元(具体地，与中性原子探测单元中的调制栅格)之间的间距介于25mm～35mm。

通过如上设置的中性原子探测单元30，对经准直偏转腔室20降噪后的中性原子进行探测并成像，通过探测及成像效果判断准直偏转腔室对中性原子中的带电粒子的偏转情况，即对中性原子的降噪情况。对此，本实施例对准直偏转腔室进行带电粒子偏转的过程进行了Simion3D仿真模拟，其示意图如图4和5所示。通过调整偏转板202的长度L以及两偏转板202之间的间隔距离d，选择适合中性原子能量范围的偏转电压U，对其中的带电粒子进行偏转。

在本实施例的一优选实施例的Simion3D仿真模拟中，规定准直偏转腔室20中的准直偏转板202的长度L为190mm，两准直偏转板202之间的间隔距离d为30mm，准直偏转板202之间施加的偏转电压U为±3000V；准直偏转板与栅格间距L₁为30mm；调制栅格301与半导体探测器线阵列302之间的间距L₂为10.4mm。被偏转的带电粒子的能量范围为0～30keV。在上述参数设定下对偏转结果进行Simion 3D仿真，其仿真结果如图4所示。由图4可知，30keV的带电粒子绝大部分可以被偏转出探测器范围，只有图中左下角入射的特定速度方向的粒子会打到探测器上。

如图5所示，未被偏转掉的带电粒子首先到达调制栅格301，该带电粒子经过调制栅格301时，其在水平x方向和竖直z方向上的速度分别为Vx＝2293.52mm/usec，Vz＝695.015mm/usec。上述带电粒子经过距离L₂(10.4mm)后打到半导体探测器线阵列上，在该过程中带电粒子在z方向上的运动距离△z＝3.3334mm。

由上述仿真结果可知，图4所示的未被偏转掉的特定速度方向的粒子是非常极端的情况，极少的带电粒子会到达探测器。因此，在实际的中性原子成像系统中，在中性原子的能量范围(0～30keV)内，只有极少的带电粒子会被探测到，对中性原子的成像不会产生显著的影响。

综上，本发明上述实施例提供的中性原子降噪方法具有如下技术效果：

本申请的上述方法，通过准直偏转板的高度与电压配合，选取适当的偏转电压和准直偏转腔室高度，实现对带电粒子的有效偏转，降低中性原子的噪声。从而使得探测器探测到纯净的中性原子并且获得良好的中性原子成像效果。

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 (9)

1.一种中性原子降噪方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供一准直偏转腔室，所述准直偏转腔室包括相对设置的两准直偏转板，所述准直偏转板具有一长度L，所述两准直偏转板之间具有间隔距离d；

向所述准直偏转板提供偏转电压U；

所述准直偏转腔室接收入射的夹杂带电粒子的中性原子，并对所述带电粒子进行偏转；

在所述准直偏转腔室的后方设置中性原子探测单元，所述中性原子探测单元接收所述中性原子并对所述中性原子进行成像；

其中，所述准直偏转板的长度L以及所述两准直偏转板之间的间隔距离d均为可调参数，并且所述带电粒子的能量E_K与所述准直偏转板的长度L、所述两准直偏转板之间的间隔距离d之间的关系如下：

。

2.根据权利要求1所述的中性原子降噪方法，其特征在于，所述中性原子的能量范围介于0~40 keV。

3.根据权利要求2所述的中性原子降噪方法，其特征在于，所述中性原子的能量范围介于0~30 keV。

4.根据权利要求2所述的中性原子降噪方法，其特征在于，所述准直偏转板的长度L介于180 mm~200 mm，所述准直偏转板之间的所述间隔距离d介于25 mm~35 mm，所述偏转电压介于5 kV~6.5 kV。

5.根据权利要求1所述的中性原子降噪方法，其特征在于，所述准直偏转腔室与所述中性原子探测元件之间的间距介于25 mm~35 mm。

6.根据权利要求1所述的中性原子降噪方法，其特征在于，在所述准直偏转腔室的后方设置中性原子探测单元包括：

在所述准直偏转腔室的后方设置至少一个调制栅格，所述调制栅格与所述准直偏转腔室之间的间距介于25 mm~35 mm；

在所述至少一个调制栅格后方设置至少一个半导体探测器线阵列，所述半导体探测器线阵列与所述调制栅格之间的距离介于10 mm~15 mm；

其中，在每个所述半导体探测器线阵列中设置多个硅半导体探测器。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的中性原子降噪方法，其特征在于，还包括在所述准直偏转板的外侧设置保护壳体，所述准直偏转板固定设置在所述保护壳体的内侧；

其中，所述准直偏转板和所述保护壳体设置为扇形，并且所述保护壳体的上端部具有开口，所述开口的宽度与所述准直偏转板之间的间隔距离相等，所述开口的长度与所述准直片转板的宽度相等，所述中性原子经所述开口进入所述准直偏转腔室。

8.一种中性原子降噪装置，其特征在于，包括：

准直偏转腔室，包括相对设置的两准直偏转板，所述准直偏转板具有一长度L，所述两准直偏转板之间具有间隔距离d，所述准直偏转板上具有偏转电压U，通过所述偏转电压对入射至所述准直偏转腔室的中性原子中夹杂的带电粒子进行偏离；

保护壳体，设置在所述准直偏转腔室的外侧，并且，所述准直偏转板和所述保护壳体设置为扇形，并且所述保护壳体的上端部具有开口，所述开口的宽度与所述准直偏转板之间的间隔距离相等，所述开口的长度与所述准直偏转板的宽度相等，所述中性原子经所述开口进入所述准直偏转腔室；

还包括中性原子探测单元，所述中性原子探测单元设置在所述准直偏转腔室的后方，用于对被所述准直偏转腔室降噪后的所述中性原子进行探测并成像；

其中，所述准直偏转板的长度L以及所述两准直偏转板之间的间隔距离d均为可调参数，并且所述带电粒子的能量E_K与所述准直偏转板的长度L、所述两准直偏转板之间的间隔距离d之间的关系如下：

。

9.根据权利要求8所述的中性原子降噪装置，其特征在于所述中性原子探测单元包括：

至少一个调制栅格，位于所述准直偏转腔室的后方，并且与准直偏转腔室之间的间距介于25 mm~35 mm；

至少一个半导体探测器线阵列，位于所述调制栅格的后方，并且与所述调制栅格之间的距离介于10 mm~15 mm；

其中，在每个所述半导体探测器线阵列中设置多个硅半导体探测器。

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