CN110082815A - 一种采用像素型硅传感器的超宽let探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明及一种采用像素型硅传感器的超宽LET探测方法及装置，基于像素型硅传感器的超宽LET探测装置采用2层像素型硅传感器替代多层Si‑pin传感器，并采用优先读出电路实时采集触发时的位置、时间和沉积能量信息，在保证高采样率的同时，能够实时记录每个入射荷电粒子的入射方向，实现LET谱精确探测目标；同时采用多个ΔE望远镜系统并列使用，以耦合的方式实现宽LET谱探测。本发明的有益效果是实现实时记录每个入射荷电粒子的入射方向和电离能损，既大幅提高LET谱探测的准确度，又能够有效减小探测器的尺寸，提高探测器视场。

Description

一种采用像素型硅传感器的超宽LET探测方法及装置

技术领域

本发明属于空间辐射环境检测技术、粒子探测技术领域，具体涉及一种采用像素型硅传感器的超宽LET探测方法及装置。

背景技术

由地球捕获辐射带、太阳宇宙线及银河宇宙线中的荷电粒子构成的空间辐射环境是影响卫星、飞船等航天器长寿命可靠运行的重要因素，是空间科学研究的重要对象。空间辐射环境中荷电粒子在材料及元器件中的线性能量传输谱(LET谱)，是电离辐射给予物质单位径迹长度上的能量，其既能够表征空间辐射场的特性，也能用于评估空间辐射对材料和元器件的损伤效应，具有重要的科学和应用意义。

目前，用于LET谱探测的方法按照探测原理可分为粒子径迹探测法和能量沉积探测法。粒子径迹探测法包括CR-39固体径迹探测器、热致发光探测器等，其是无源被动式探测，具有体积小、质量轻、零功耗等优点，但是不能提供实时和具有时间分辨的空间探测数据，且数据采集只能返回地面，分析处理过程繁杂；能量沉积探测法包括基于半导体探测器的ΔE望远镜等，其是有源主动式探测，其能够够提供实时和时间分辨的数据,而且数据分析处理方便快捷，是目前主要的LET谱探测方法。但是受限于空间辐射环境中荷电粒子相对于传感器的入射方向的不确定性，基于半导体探测器的ΔE望远镜法会导致LET谱具有角度测量误差。因此，在探测LET谱的同时，采集入射荷电粒子的入射方向是精确测量LET谱的关键。

目前在LET谱测量中，主要采用多片半导体探测器纵向排列成ΔE望远镜结构，通过不同半导体探测器触发形成荷电粒子入射方向限制，从而减少LET谱测量误差，不过，该方法探测的LET谱仍存在测量误差。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种采用像素型硅传感器的超宽LET探测方法及装置，目的是提供一种基于两层像素型硅传感器的既能记录空间辐射环境中荷电粒子入射方向，又能记录荷电粒子电离能量损失的多探头超宽LET谱探测方法，从而能够有效避免荷电粒子入射方向导致的LET谱测量误差，实现超宽LET谱精确测量。

本发明的技术方案为：

一种采用像素型硅传感器的超宽LET探测方法，包括以下步骤，

步骤1、计算空间辐射环境中荷电粒子入射方向；空间辐射环境中荷电粒子从基于两层像素型硅传感器的ΔE望远镜入射，通过荷电粒子触发的两片硅像素传感器的不同位置计算荷电粒子入射方向与硅像素传感器法向的夹角θ；

步骤2、计算入射荷电粒子在像素型传感器中的LET值；通过第一层像素型硅传感器计算入射荷电粒子穿过时的沉积能量ΔE，通过沉积能量ΔE计算入射荷电粒子在硅传感器中的LET值，经过一段时间数据累积，计算出空间辐射环境中的微分LET谱和积分LET谱。

传统的LET谱探测通常使用固体径迹探测器和面垒型Si-pin传感器。固体径迹探测器需要同时进行地面对照试验，而且需要返回地面进行数据分析，费时费力；而面垒型Si-pin传感器不具备位置分辨能力，仅依靠多片传感器构建的视场进行入射荷电粒子约束，从而导致LET谱测量误差大。与现有技术相比，本发明的基于像素型硅传感器的超宽LET探测装置采用2层像素型硅传感器替代多层Si-pin传感器，并采用优先读出电路实时采集触发时的位置、时间和沉积能量信息，在保证高采样率的同时，能够实时记录每个入射荷电粒子的入射方向，实现LET谱精确探测目标。

进一步地，还包括宽LET谱探测，通过多个并行的ΔE望远镜的耦合测量实现超宽动态范围的LET谱探测。本技术改进中，LET谱监测范围达到0.001-100MeV.cm²/mg。

进一步地，当荷电粒子进入硅像素探测器,其单位路程能量损失为：

E是入射粒子的能量，M₁、Z₁是入射粒子的质量和电荷，Z是探测器原子的原子序数，e、M_e是电子电荷和电子质量，I是探测器电子电离能量的平均值，a₁和a₂是常数，A是入射粒子的质量数；

所述LET值的计算方法为

其中，ΔE是入射粒子在像素型硅传感器中沉积的能量；D是像素型硅传感器的厚度；ρ是像素型硅传感器的密度；θ是荷电粒子入射方向与硅像素传感器法向的夹角。

进一步地，所述微分LET谱和积分LET谱的计算方法为假定硅像素传感器的面积为Scm2，卫星在轨飞行时间Ts，立体角Ω0，取为2π，LET至LET+△LET间隔中ΔE望远镜系统探测到的有效粒子数为△N，则LET的微分谱为：

对各个LET间隔内的粒子数求和,得出LE T积分能谱：

本发明还公开了一种采用像素型硅传感器的超宽LET探测装置，包括筒状固定架，从顶至底依次固定于筒状固定架内的屏蔽膜、像素型硅传感器I、电荷灵敏和优先读出电路I、像素型硅传感器II、电荷灵敏和优先读出电路II，LET探头，及设置在筒状固定架外部的主放模块、模数和时数转换电路、控制模块、供电模块；所述电荷灵敏和优先读出电路与LET探头单独封装接地。

进一步地，所述屏蔽膜、像素型硅传感器I、电荷灵敏和优先读出电路I、像素型硅传感器II、电荷灵敏和优先读出电路II构成一个LET探头即ΔE望远镜，所述LET探头单独封装，与其他电路模块隔绝；所述LET探头为多个并行，每个LET探头对应不同厚度的屏蔽膜。本技术改进中，为了测量宽范围的LET谱，并联的多个LET探头分别采用不同厚度的屏蔽膜，多个耦合起来共同实现宽范围LET测量。

进一步地，所述电源模块、控制模块、主放模块、模数和时数转换模块采用抽屉式上下叠放，模块之间通过接插件连接。

进一步地，所述像素型硅传感器的厚度为50-300μm，直径与筒状固定架相匹配；像素型硅传感器I、II的间距为5-200mm；两片像素型硅传感器共轴。

进一步地，所述屏蔽膜为厚度为10-200μm铝膜，其中间可设有小圆孔或方孔。

本发明的有益效果：

1)采用2层像素型硅传感器，在空间LET谱探测中首次实现实时记录每个入射荷电粒子的入射方向和电离能损，既大幅提高LET谱探测的准确度，又能够有效减小探测器的尺寸，提高探测器视场。

2)采用信号优先读出方式，能够有效提高像素型传感器的采样频率，有利于对低范围的LET谱进行探测。

3)采用多个ΔE望远镜，能够以耦合的方式进行宽LET谱探测，监测范围达到0.001-100MeV.cm2/mg。

附图说明

图1为本发明探测原理示意图；

图2为本发明装置俯视结构示意图；

图3为本发明装置右视剖面图。

图中；1、LET探头；2、电源模块；3、控制模块；4、模数和时数转换模块；5、主放模块。

具体实施方式

如图1所示，当空间辐射环境中荷电粒子从ΔE望远镜系统的视场内入射，荷电粒子同时触发2片硅像素触感器时，通过荷电粒子触发的两片硅像素传感器的不同位置计算荷电粒子入射方向与硅像素传感器法向的夹角θ；通过一个电荷灵敏与优先读出电路-模数或时数转换电路结构探测荷电粒子在第一片硅传感器中的沉积能量ΔE，如此，依据公式计算入射荷电粒子在硅传感器中的LET值。多个ΔE望远镜结构目的是通过不同ΔE望远镜的耦合测量实现超宽动态范围的LET谱探测。

如图2、3所示，一种采用像素型硅传感器的超宽LET探测装置，包括筒状固定架，从顶至底依次固定于筒状固定架内的屏蔽膜、像素型硅传感器I、电荷灵敏和优先读出电路I、像素型硅传感器II、电荷灵敏和优先读出电路II，及设置在筒状固定架外部的主放模块5、模数和时数转换电路4、控制模块3、电源模块2；所述屏蔽膜、像素型硅传感器I、电荷灵敏和优先读出电路I、像素型硅传感器II、电荷灵敏和优先读出电路II构成一个LET探头1，本实施例中为了实现测量宽范围的LET谱，采用了三个并联的LET探头，每个探头对应不同厚度的屏蔽膜。

其中，筒状固定架材料通常是铝或铝合金，固定架外径20-40mm、长度20-70mm，并由屏蔽膜和底盖进行密闭。屏蔽膜采用厚度10-200μm铝膜，根据探测的荷电粒子其中间可带有小圆孔或方孔。像素型硅传感器I、II的厚度均在50-300μm之间，直径与筒状固定架相匹配；像素型硅传感器I、II使用通孔螺钉固定，固定后的两片像素型硅传感器共轴，间距在5-200mm。如图3所示，所述LET探头放置在单独封闭的铝罩，并采取独立的地线连接措施，使其形成一个与其他电路模块隔绝的环境，有效降低电子学噪声。电源模块、控制模块、主放模块、模数和时数转换模块采用抽屉式上下叠放，模块之间通过接插件连接，有效实现探测装置的小型化。

像素型硅传感器，用于触发符合选择穿透第一片像素型硅传感器的荷电粒子，并输出荷电粒子在像素点中电离产生的电荷信号以及粒子的入射方向信息；第一片像素型硅传感器I用于记录入射荷电粒子穿过时的沉积能量，第二片像素型硅传感器II用于符合判断入射荷电粒子是否穿透I；两片像素型硅传感器触发位置用于计算入射荷电粒子的方向。

电荷灵敏与优先读出电路，电荷灵敏模块用于采集像素型硅传感器输出的电荷信号，并进行信号放大；优先读出电路按照像素型硅传感器的像素点触发顺序，依次输出触发像素点的位置及触发时间。

主放模块5，用于信号的放大、成形、峰值保持、阈值设置等。

模数和时数转换电路4，将触发时产生的模拟或时间信号转换成数字信号进行采集记录。

控制模块3及电源模块2，用于基于像素型硅传感器的超宽LET谱探测装置的控制、遥测遥控、能源供给。

Claims (10)

1.一种采用像素型硅传感器的超宽LET探测方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1、计算空间辐射环境中荷电粒子入射方向；空间辐射环境中荷电粒子从基于串行两层像素型硅传感器的ΔE望远镜入射，通过荷电粒子触发的两片硅像素传感器的不同位置计算荷电粒子入射方向与硅像素传感器法向的夹角θ；

步骤2、计算入射荷电粒子在像素型传感器中的LET值；通过第一层像素型硅传感器计算入射荷电粒子穿过时的沉积能量ΔE，通过沉积能量ΔE计算入射荷电粒子在硅传感器中的LET值，经过一段时间数据累积，计算出空间辐射环境中的微分LET谱和积分LET谱。

2.根据权利要求1所述的超宽LET探测方法，其特征在于：还包括宽LET谱探测，通过多个并行的ΔE望远镜的耦合测量实现超宽动态范围的LET谱探测。

3.根据权利要求1所述的超宽LET探测方法，其特征在于：所述LET值的计算方法为

其中，ΔE是入射粒子在像素型硅传感器中沉积的能量；D是像素型硅传感器的厚度；ρ是像素型硅传感器的密度；θ是荷电粒子入射方向与硅像素传感器法向的夹角。

4.根据权利要求1所述的超宽LET探测方法，其特征在于：所述微分LET谱和积分LET谱的计算方法为假定硅像素传感器的面积为S cm²，卫星在轨飞行时间Ts，立体角Ω₀，取为2π，LET至LET+△LET间隔中ΔE望远镜系统探测到的有效粒子数为△N，则LET的微分谱为：

对各个LET间隔内的粒子数求和,得出LE T积分能谱：

5.一种采用像素型硅传感器的超宽LET探测装置，其特征在于：包括筒状固定架，从顶至底依次固定于筒状固定架内的屏蔽膜、像素型硅传感器I、电荷灵敏和优先读出电路I、像素型硅传感器II、电荷灵敏和优先读出电路II，及设置在筒状固定架外部的主放模块、模数和时数转换模块、控制模块、供电模块。

6.根据权利要求5所述的超宽LET探测装置，其特征在于：所述屏蔽膜、像素型硅传感器I、电荷灵敏和优先读出电路I、像素型硅传感器II、电荷灵敏和优先读出电路II构成一个LET探头，所述LET探头单独封装，与其他电路模块隔绝。

7.根据权利要求5所述的超宽LET探测装置，其特征在于：所述电源模块、控制模块、主放模块、模数和时数转换模块采用抽屉式上下叠放，模块之间通过接插件连接。

8.根据权利要求5所述的超宽LET探测装置，其特征在于：所述像素型硅传感器的厚度为50-300μm，直径与筒状固定架相匹配；像素型硅传感器I、II的间距为5-200mm；两片像素型硅传感器共轴。

9.根据权利要求5所述的超宽LET探测装置，其特征在于：所述屏蔽膜为厚度为10-200μm铝膜，其中间可设有小圆孔或方孔。

10.根据权利要求6所述的超宽LET探测装置，其特征在于：所述LET探头为多个并行，每个LET探头对应不同厚度的屏蔽膜。