CN109828300B

CN109828300B - 一种小型化全向空间粒子探测器

Info

Publication number: CN109828300B
Application number: CN201910099396.2A
Authority: CN
Inventors: 王鹢; 王光毅; 薛玉雄; 黄乐程; 张晨光; 安恒; 乔佳
Original assignee: Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Current assignee: Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2023-05-05
Anticipated expiration: 2039-01-31
Also published as: CN109828300A

Abstract

本发明提供了一种小型化全向空间粒子探测器，正立方体结构六个面的每一面上均布置一套望远镜探测单元，六个面的望远镜探测单元组合，对空间粒子进行近似4π全向探测；所述每一面的望远镜探测单元由一块或多块较薄的半导体探测器和正立方体闪烁晶体探测器组成：所述正立方体闪烁晶体探测器位于正立方体全向粒子探测器中心，被全向探测器六个面的望远镜探测单元所共享。该发明可对空间粒子进行全向探测，能够测量粒子能谱，辨别带电粒子种类，适用于地球空间以及深空、小行星等辐射环境监测，安装于航天器内部可实时获取航天器受到的空间各方向的辐射信息。

Description

一种小型化全向空间粒子探测器

技术领域

本发明属于空间粒子探测技术领域，具体涉及一种小型化全向空间粒子探测器。

背景技术

地球空间环境的高能粒子具有很明显的各向异性分布特征，低轨卫星不同方向的辐射强度差异很大。另外在深空探测及小行星探测中，对航天器受到的辐射进行不同方向的测量，获取全方位的辐射环境信息至关重要。目前我国卫星的抗辐射加固设计采用全向的辐射带模型和部分探测结果，由于缺乏粒子的方向性信息，卫星布局设计和屏蔽设计时并没有考虑空间辐射的方向性。抗辐射加固设计不能做到有的放矢，不能使屏蔽效能最大化。

当前我国对空间粒子探测载荷的设计方案主要为单向探测，方向探测较少，仅二期载人航天的带电粒子辐射探测器具有方向探测能力。该带电粒子辐射探测器包括能段测量和16个方向的通量测量两个部分。用于粒子方向探测的探头由16片离子注入型硅半导体探测器组成，排成4排，交错排列，对空间1．5MeV-200MeV质子和≥200keV电子进行探测，每片探测器探测视场为15°，间隔11.25°，可以买现2π空间的高能电子、质子通量测量。通过探测数据反演，得到4π空间的粒子全向分布信息。该方向探测探头仅能进行通量测量，不能实时给出全向空间粒子的能谱信息。高能电子和质子能段测量探头分别由3片离子注入型半导体探测器组成望远镜探测系统。其电子探测能量范围为0.2-1.5MeV、＞1.5MeV，为8道能谱，探测视场为30°；质子探测能量范围为2.5-150MeV、＞150MeV，为7道能谱，探测视场为40°。能段测量探头的探测方向垂直于方向探头扇面，对空间电子和质子进行单向能谱测量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种小型化全向空间粒子探测器，可以实现空间粒子的实时全方向能谱测量，且具有小型化特点。

一种全向空间粒子探测器，包括中央处理电路和六套望远镜探测单元；六套望远镜探测单元共用一个正六面体结构的E探测器，每套望远镜探测单元还包括至少一层△E探测器；六套望远镜探测单元中的△E探测器与E探测器的六个敏感面一一对应，各层△E探测器排列在E探测器对应敏感面的外侧；△E探测器用来获取入射粒子穿过该△E探测器时在其中沉积的能量，E探测器用来获取入射粒子穿过最后一层△E探测器后的剩余能量；

所述中央处理电路接收各个△E探测器以及E探测器获取的能量信号，同时还记录信号到达时间；根据各探测器信号到达时间区分入射到一个望远镜探测单元的单个粒子；再根据该粒子入射到△E探测器的沉积能量和入射到E探测器的剩余能量，区分该入射粒子的种类和入射能量。

进一步的，所述中央处理电路根据该入射粒子进入的望远镜探测单元，粗略给出粒子入射方向。

进一步的，还包括空心正方体框架（4），内部用于安装E探测器，每个面上均设置有开孔，作为该面对应的望远镜探测器中各层△E探测器的探测窗口。

较佳的，述△E探测器为半导体探测器。

较佳的，所述△E探测器为离子注入型Si、Si-PIN、或金硅面垒半导体探测器。

较佳的，所述E探测器采用无机闪烁晶体探测器。

较佳的，所述无机闪烁晶体探测器对闪烁荧光的光电转换通过光二极管PD、雪崩型光二极管APD或硅光电倍增管SiPM实现。

较佳的，所述每套望远镜探测单元的探测器分别由薄及厚的排列在E探测器对应敏感面的外侧。

进一步的，每套望远镜探测单元中包括两层△E探测器，内侧的为第一△E探测器，外侧的为第二△E探测器；每套望远镜探测单元包括一块PCB电子学线路板（6），放置在E探测器对应敏感面的外侧；PCB电子学线路板6上开有窗口，第一△E探测器镶嵌在该窗口上；第二△E探测器镶嵌在框架（4）的开孔上；PCB电子学线路板（6）通过两个平行的支柱（5）固连在框架（4）内壁上。

进一步的，所述中央处理电路分布在不同的PCB电子学线路板（6）上。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供的一种小型化全向空间粒子探测器，正立方体结构六个面的每一面上均布置一套望远镜探测单元，六个面的望远镜探测单元组合，对空间粒子进行近似4π全向探测；所述每一面的望远镜探测单元由一块或多块较薄的半导体探测器和正立方体闪烁晶体探测器组成：所述正立方体闪烁晶体探测器位于正立方体全向粒子探测器中心，被全向探测器六个面的望远镜探测单元所共享。该发明可对空间粒子进行全向探测，能够测量粒子能谱，辨别带电粒子种类，适用于地球空间以及深空、小行星等辐射环境监测，安装于航天器内部可实时获取航天器受到的空间各方向的辐射信息。

附图说明

图1是本发明全向空间粒子探测器的结构示意图。

图2是本发明全向空间粒子探测器望远镜探测单元示意图。

图3是本发明全向空间粒子探测器PCB结构支架示意图。

其中，1-第一层半导体探测器，2-第二层半导体探测器，3-闪烁晶体探测器，4-框架，5-支柱，6-PCB电子学线路板，7-光电转换器。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明的一种小型化全向空间粒子探测器包括中央处理电路和六套望远镜探测单元；六套望远镜探测单元共用一个正六面体结构的E探测器，每套望远镜探测单元还包括至少一层△E探测器；六套望远镜探测单元中的△E探测器与E探测器的六个敏感面一一对应，各层△E探测器排列在E探测器对应敏感面的外侧；△E探测器用来获取入射粒子穿过该△E探测器时在其中沉积的能量，E探测器用来获取入射粒子穿过最后一层△E探测器后的剩余能量。

中央处理电路接收各个△E探测器以及E探测器获取的能量信号，同时还记录信号到达时间；由于单个粒子入射到一个望远镜探测单元中各△E探测器以及E探测器产生的信号到达时间只有微小的差别，因此根据信号到达时间可以区分入射到一个望远镜探测单元的单个粒子；再根据该入射粒子在△E探测器沉积的能量和入射到E探测器的剩余能量，区分带电粒子的种类、入射能量；还可以根据该粒子入射的望远镜探测单元粗略给出粒子入射方向。

如图3所示，还包括空心正立方体框架4，内部用于安装E探测器，每个面上均设置有开孔，作为该面对应的望远镜探测器中各层△E探测器的探测窗口。

本实施例中，E探测器采用无机闪烁晶体（如LYSO）探测器3，实现闪烁荧光的光电转换功能的光电转换器7通过光二极管PD、雪崩型光二极管APD或硅光电倍增管SiPM实现；每套望远镜探测单元均包括两层厚度不同的半导体探测器；第一层半导体探测器1厚度较薄，位于内侧，固定安装在框架4的探测窗口上；可选用20～100微米的离子注入型Si、Si-PIN、金硅面垒等半导体探测器；第二层半导体探测器2厚度较厚，位于外侧，靠近闪烁晶体探测器3对应敏感面固定；可选用500～1000微米的离子注入型Si、Si-PIN、金硅面垒等半导体探测器；闪烁晶体探测器3的闪烁晶体材料和尺寸可根据探测粒子能量范围进行适当选取。

如图3，每套望远镜探测单元还包括一块PCB电子学线路板6，放置在闪烁晶体探测器3对应敏感面的外侧；PCB电子学线路板6对应于第一层半导体探测器1的位置开有窗口，第一层半导体探测器1镶嵌在该窗口上；PCB电子学线路板6通过两个平行的支柱5固连在框架4内壁上；闪烁晶体探测器3的光电转换器7可采用一个，也可以采用多个并联；本实施例中，闪烁晶体探测器3每一个敏感面均对应2个光电转换器7，共有12个；每个光电转换器7的一侧固定在对应的PCB电子学线路板6的内侧，对侧固定在闪烁晶体探测器3上，则闪烁晶体探测器3被12个光电转换器7固定在6块PCB电子学线路板6中间。PCB板大小为3cm3cm，中心开口面积为15mm15mm，采用表面贴装式PD（APD/SiPM），利用粘合硅脂将闪烁晶体与PD及PCB板粘合固定。中央处理电路划分成多个功能模块，分布在不同的PCB线路板上，采用柔性PCB相互连接。

根据全向空间粒子探测器每一套望远镜探测单元模型，利用蒙特卡洛方法对该望远镜模型进行粒子探测模拟，得到空间不同粒子在各探测器中沉积的能量。不同粒子在望远镜的三层探测器中沉积的能量不同，根据模拟结果验证望远镜探测单元对空间粒子种类的分辨能力和能谱测量范围。

参见图2，全向空间粒子探测器每一面的探测视场可通过两层半导体探测器灵敏面积和闪烁晶体尺寸大小，以及三者之间的间距进行调节。如第一层半导体探测器1和第二层半导体探测器2灵敏面积均为正方形，大小为10mm10mm，两层半导体探测器之间间距为25mm；中央闪烁晶体探测器3采用LYSO闪烁晶体，晶体大小为3cm3cm3cm，第二层半导体探测器2和闪烁晶体E探测器3之间间距为5mm；三个探测器的敏感面平行排列且中心位于同一中轴线上，通过三个的探测器灵敏面积及其间距的限制，该望远镜探测单元的几何因子为0.8828cm²sr。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种全向空间粒子探测器，其特征在于，包括中央处理电路和六套望远镜探测单元；六套望远镜探测单元共用一个正六面体结构的E探测器，每套望远镜探测单元还包括至少一层△E探测器；六套望远镜探测单元中的△E探测器与E探测器的六个敏感面一一对应，各层△E探测器排列在E探测器对应敏感面的外侧；△E探测器用来获取入射粒子穿过该△E探测器时在其中沉积的能量，E探测器用来获取入射粒子穿过最后一层△E探测器后的剩余能量；

2.如权利要求1所述的一种全向空间粒子探测器，其特征在于，所述中央处理电路根据该入射粒子进入的望远镜探测单元，粗略给出粒子入射方向。

3.如权利要求1所述的一种全向空间粒子探测器，其特征在于，还包括空心正方体框架（4），内部用于安装E探测器，每个面上均设置有开孔，作为该面对应的望远镜探测器中各层△E探测器的探测窗口。

4.如权利要求1所述的一种全向空间粒子探测器，其特征在于，所述△E探测器为半导体探测器。

5.如权利要求1所述的一种全向空间粒子探测器，其特征在于，所述△E探测器为离子注入型Si、Si-PIN、或金硅面垒半导体探测器。

6.如权利要求1所述的一种全向空间粒子探测器，其特征在于，所述E探测器采用无机闪烁晶体探测器。

7.如权利要求6所述的一种全向空间粒子探测器，其特征在于，所述无机闪烁晶体探测器对闪烁荧光的光电转换通过光二极管PD、雪崩型光二极管APD或硅光电倍增管SiPM实现。

8.如权利要求1所述的一种全向空间粒子探测器，其特征在于，所述每套望远镜探测单元的探测器分别由薄及厚的排列在E探测器对应敏感面的外侧。

9.如权利要求3所述的一种全向空间粒子探测器，其特征在于，每套望远镜探测单元中包括两层△E探测器，内侧的为第一△E探测器，外侧的为第二△E探测器；每套望远镜探测单元包括一块PCB电子学线路板（6），放置在E探测器对应敏感面的外侧；PCB电子学线路板6上开有窗口，第一△E探测器镶嵌在该窗口上；第二△E探测器镶嵌在框架（4）的开孔上；PCB电子学线路板（6）通过两个平行的支柱（5）固连在框架（4）内壁上。

10.如权利要求9所述的一种全向空间粒子探测器，其特征在于，所述中央处理电路分布在不同的PCB电子学线路板（6）上。