CN110806597B - 一种空间带电粒子入射位置及能量探测器和探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种空间带电粒子入射位置及能量的探测器，所述探测器包括位置探测单元阵列和后端电路分析处理模块；所述位置探测单元阵列在Y方向和X方向上有若干独立的电荷输出通道，每个电荷输出通道用于在空间带电粒子入射后，在入射位置点的Y方向和X方向上输出不同的电流信号；所述后端电路分析处理模块，对若干电荷输出通道输出的电流信号进行采集，将采集到的电流信号转化为差分电压信号，并将此差分电压信号转换为单端信号进行采集，从而得到带电粒子入射位置和能量。本发明的探测器可以实现对空间带电粒子入射位置的探测，甄别FPGA发生的SEU是否由空间带电粒子引起，并对该空间带电粒子的能量进行检测，为在轨排故提供更加明确的数据支持。

Description

一种空间带电粒子入射位置及能量探测器和探测方法

技术领域

本发明涉及空间飞行器及其载荷、空间环境效应研究领域，具体而言涉及一种空间带电粒子入射位置及能量级探测器和探测方法。

背景技术

FPGA、DSP、SOC等大规模集成电路以其高性能、资源丰富、可重构等优势在卫星等航天器上得到广泛应用，而这些大规模集成电路或系统易受到单粒子翻转效应(以下内容中简称SEU)影响。当前判定是否发生了SEU的方法仅限于根据在轨逻辑状态改变之后，采用断电重启、刷新、部分重构等措施，观察是否恢复，如果恢复就判断该逻辑状态的改变是由SEU导致的。然而类似逻辑状态的改变这种异常是否由高能带电粒子引发，以及SEU发生位置信息的研究较少。这可能导致电路或系统修复措施使用不够精准，影响航天器在轨效能的稳定实现，甚至会危及航天器的在轨安全。为此有必要开展航天器在轨SEU甄别及定位技术研究，甄别在轨SEU导致的故障，获取在轨SEU发生的位置信息，为及时准确地采取应对措施提供技术支撑。

在常见的空间SEU效应研究中，探测器一般放在被测FPGA旁边，通过探测器探测到的粒子通量、能谱等信息评估FPGA发生SEU的概率，很难从空间和时间上共同确定单个粒子入射与单粒子翻转事件间的关系。

发明内容

本发明的目的在于克服由于SEU发生位置无法确定，而无法准确判断高能粒子是否轰击了所关注的星用大规模集成电路，导致电路或系统修复措施使用不够精准，影响航天器在轨效能的稳定实现，甚至会危及航天器的在轨安全的问题。

为实现上述目的，本发明根据半导体探测器的工作条件以及位置灵敏探测的要求，提出了一种空间带电粒子入射位置及能量探测器和探测方法，实现对空间带电粒子入射位置的探测。

所述探测器包括位置探测单元阵列和后端电路分析处理模块；

所述位置探测单元阵列在Y方向和X方向上有若干独立的电荷输出通道，每个电荷输出通道用于在空间带电粒子入射后，在入射位置点位置的Y方向和X方向上输出不同的电流信号；

所述后端电路分析处理模块，用于对若干电荷输出通道输出的电流信号进行采集，将采集到的电流信号转化为差分电压信号，并将此差分电压信号转换为单端信号进行采集，从而得到带电粒子入射位置和能量。

作为上述装置的一种改进，所述位置探测单元阵列包括：第一硅微条传感器和第二硅微条传感器，所述第一硅微条传感器和第二硅微条传感器分别包括若干个微条探测单元。

作为上述装置的一种改进，所述微条探测单元包括一个独立的电荷输出通道，用于输出电荷脉冲。

作为上述装置的一种改进所述第一硅微条传感器的微条探测单元数量为6，所述第二硅微条传感器与所述第一硅微条传感器的微条探测单元数量相同；第一硅微条传感器和第二硅微条传感器构成一个6x6的位置探测单元阵列，每个位置探测单元尺寸为2mmx2mm。

作为上述装置的一种改进，所述第一硅微条传感器和第二硅微条传感器采用上下横纵交叉的方式组合；第一硅微条传感器和第二硅微条传感器上下紧密贴合，其中第一硅微条传感器在第二硅微条传感器的上面，用于实现Y方向定位，第二硅微条传感器紧贴被测芯片7，用于实现X方向定位；当带电粒子穿过上下两片硅微条传感器时，在任何一个传感器上，只有粒子穿过的微条探测单元有信号输出。

作为上述装置的一种改进，所述后端电路分析处理模块包括电荷测量单元、模数转换单元和数据处理单元；

所述电荷测量单元，包括专用电荷测量芯片，所述专用电荷测量芯片用于逐一将每个微条探测单元输出的电荷脉冲信号读出，再按照顺序逐一输出至模数转换单元；

带电粒子穿过的微条探测单元输出的电荷脉冲信号值有变化，其余微条探测单元输出电荷脉冲信号输出为0；

所述模数转换单元，包括模数转换器ADC，用于逐一完成12路探测信号的模数转换，然后将探测数据依序输出；

所述数据处理单元，用于对探测数据进行处理和保存；根据探测数据输出的顺序进行识别，根据不为0的探测数据的所对应顺序号来确定带电粒子入射位置所在的微条探测单元的序号，从而确定入射位置；还用于根据探测数据计算入射带电粒子的能量。

基于所述探测器本发明还提出一种空间带电粒子入射位置及能量的探测方法，所述方法包括：

步骤1)在所述位置探测单元阵列两端施加高压，捕获空间粒子入射后在其内部沉积能量所产生的电荷，形成电荷脉冲，通过入射位置所在微条探测单元的输出通道输出；

步骤2)所述后端电路分析处理模块的电荷测量单元对所述位置探测单元阵列的多条输出通道进行逐一扫描，采集所述电荷脉冲信号；

步骤3)所述电荷测量单元将采集到的电荷脉冲信号逐一输出；

所述模数转换单元对每一条通道的电荷脉冲信号进行模数转换，得到探测数据逐一输出到数据处理单元；

步骤4)所述数据处理单元根据探测数据输出的顺序进行识别，确定入射位置；根据探测数据值计算入射带电粒子的能量。

作为上述方法的一种改进，所述步骤3)包括：

步骤3-1)所述电荷测量单元的将12个通道的电荷脉冲信号逐一输出，输出为差分电流信号；

步骤3-2)将12个通道的差分电流逐一输出接到同一对电阻网路中，并逐一转换为成正比的差分电压信号；

步骤3-3)所述电荷测量单元逐一将每个通道的差分电压信号进行放大，并将放大的差分信号转换为单端模拟电压信号进行逐一输出；

步骤3-4)所述模数转换器ADC采集所述单端模拟电压信号，转换成数字电压信号，并进行输出。

作为上述方法的一种改进，所述步骤4)包括：

步骤4-1)所述数据处理单元逐一接收数字电压信号；

步骤4-2)根据数字电压信号输出的顺序进行识别，根据不为0的电荷脉冲信号的所对应顺序号来确定带电粒子入射位置所在的微条探测单元的序号，确定入射位置；

步骤4-3)通过数字电压信号输出的电压U大小，得到入射电子的数量：

Q＝U/C (1)

Q为电荷量，单位为库伦；U为电压，即检测出的脉冲峰值电压；C为已知的电容，单位为法拉第；

步骤4-4)根据产生1个电子需要的能量为3.62eV，计算入射点带电粒子的能量值E：

E＝3.62*Q (2)

本发明的优势在于：本发明的探测器可以实现对空间带电粒子入射位置的探测，甄别FPGA发生的SEU是否由空间带电粒子引起，并对该空间带电粒子的能量进行检测，为在轨排故提供更加明确的数据支持。

附图说明

图1(a)为本发明的探测器的第一硅微条传感器结构图；

图1(b)为本发明的探测器的第二硅微条传感器结构图；

图2为本发明的探测器的空间带电粒子入射位置及能量探测器结构拆解图；

图3为本发明的探测器的空间带电粒子入射位置及能量探测器结构示意图；

图4为本发明的探测方法的原理图；

图5为本发明的入射带电粒子能量测量原理图。

附图标识：

1、第一硅微条传感器 2、第二硅微条传感器

3、第一前置放大器板 4、第二前置放大器板

5、板间接插件 6、信号转接板

7、被测芯片

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

本发明采用不同于传统单粒子效应的研究方式，在FPGA(被测芯片7)上方放置半导体传感器，可以针对入射到FPGA上的粒子能谱进行监测，实现针对具体电路系统的SEU与高能粒子的关联性的研究。

如图1(a)和1(b)所示，本发明的一种空间带电粒子入射位置及能量探测器由2片硅微条传感器和后端电路分析处理模块组成，每片硅微条传感器有6个硅微条探测单元(12mm×2mm)。这两片硅微条传感器采用上下横纵交叉的方式构成一个6x6的位置探测单元阵列，每个位置探测单元尺寸为2mmx2mm，每个位置探测单元可以独立输出信号。

如图2和图3所示，探测器的整体结构，包括两片硅微条传感器：第一硅微条传感器和第二硅微条传感器，其中第一硅微条传感器在第二硅微条传感器的上面，实现Y方向定位，第二硅微条传感器紧贴被测芯片FPGA，实现X方向定位。

本发明使用的是厂家标准封装形式的硅微条传感器，在工程实践中，选用微条宽度更小，列数更多的传感器，上下两片硅微条传感器间距应尽可能小，可以进一步提高位置的分辨率；还可以定制所述硅微条传感器，进一步减小两片硅微条传感器的间距，有利于减少入射粒子带来的计算误差。

本发明的原理为由于空间带电粒子辐射的电离作用，在所述硅微条传感器内部形成了电子-空穴对，所述电子-空穴对在第一硅微条传感器和第二硅微条传感器内部高压电场的作用下被收集到传感器的输出端并产生电荷输出信号。通过后端电路分析处理模块该电荷信号即可得到粒子沉积能量信息，并结合所述传感器的厚度、粒子入射方向信息可计算获得辐射粒子的LET谱。同时所述硅微条第一硅微条传感器与第二硅微条传感器结合，在Y方向和X方向上各得到输出电流信号，用于区分粒子入射位置。当带电粒子穿过上下两片硅微条传感器时，在任何一个传感器上，只有粒子穿过的那个位置探测单元有信号输出，其它微条没有信号输出，通过检测到该信号，以及判断出该信号所在微条的序号，即可实现位置识别；实现位置灵敏探测。

所述后端电路分析处理模块包括电荷测量单元、模数转换单元和数据处理单元。

由于硅微条传感器输出路数较多，因此采用航天领域广泛使用的多通道、高集成度专用电荷测量芯片—VA32ASIC(以下简称VA32)实现电荷的测量。

所述电荷的测量单元包含1片所述VA32，实现12个通道的探测器信号读出，通过外部控制所述VA32输出，实现在同一时刻仅使一路输出有效，其余处于高阻状态；所述VA32的12路输出可以受控，根据需要逐一输出，当输出其中一路时，其它路保持高阻。以保证输出的电荷信号有效，并能够根据输出的电荷信号识别出入射位置所在微条探测单元的序号；从而实现位置的识别；

所述模数转换单元采用一片模数转换器ADC，即可以完成12路信号的模数变换。

如图4所示，本发明还包括空间带电粒子入射位置探测方法，所述方法的原理为：空间粒子入射所述位置探测单元阵列后，在内部沉积能量，产生电荷，并被第一硅微条传感器和第二硅微条传感器两端高压所捕获，形成电荷脉冲。

硅半导体的电离能为3.62eV，即一个能量为3.62eV的带电粒子入射到硅半导体内，并且完全沉积下来，会激发出一个电子，也就是每产生一个电子需要消耗3.62eV的能量。

如图5所示，当带电粒子射入硅半导体内，并且产生大量电荷，这些电荷被一个已知容量的电容收集，形成一个脉冲，通过后端电路检测出这个脉冲的峰值，即可知道有多少个电子，然后反推出有多少能量。

Q＝U/C(1)

Q：电荷量，库伦；U：电压，即检测出的脉冲峰值电压；C：电容，法拉第，已知量；

根据上式可以求出Q，然后根据产生1个电子需要3.62eV能量，可以求出能量值E：

E＝3.62*Q(2)。

所述方法通过后端电路分析处理模块来完成电荷脉冲的测量和入射位置的探测，所述后端电路分析处理模块包括电荷的测量单元、模数转换单元和数据处理单元；

由于所述VA32输出差分电流信号，需要将其转换成电压信号。电流-电压(I-V)信号转换的具体方法是将VA32的差分电流输出接到同一对电阻网路中，将其转换为成正比的电压信号，然后将此差分电压信号传输到模拟调理电路进行放大，并将差分信号转换为单端信号，供所述模数转换器ADC采样。最终的采集数据传输到数据处理单元进行处理和保存，得到粒子入射位置和能量级。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种空间带电粒子入射位置及能量探测器，其特征在于，所述探测器包括位置探测单元阵列和后端电路分析处理模块；

所述位置探测单元阵列在Y方向和X方向上有若干独立的电荷输出通道，每个电荷输出通道用于在空间带电粒子入射后，在入射位置点的Y方向和X方向上输出不同的电流信号；

所述后端电路分析处理模块，用于对若干电荷输出通道输出的电流信号进行采集，将采集到的电流信号转化为差分电压信号，并将此差分电压信号转换为单端信号进行采集，从而得到带电粒子入射位置、能量和LET谱；

所述位置探测单元阵列包括：第一硅微条传感器和第二硅微条传感器，所述第一硅微条传感器和第二硅微条传感器分别包括若干个微条探测单元；

所述第一硅微条传感器和第二硅微条传感器采用上下横纵交叉的方式组合；第一硅微条传感器和第二硅微条传感器上下紧密贴合，其中第一硅微条传感器在第二硅微条传感器的上面，用于实现Y方向定位，第二硅微条传感器紧贴被测芯片(7)，用于实现X方向定位；当带电粒子穿过上下两片硅微条传感器时，在任何一个传感器上，只有粒子穿过的位置探测单元有信号输出；在被测芯片(7)上方放置半导体传感器，用于针对入射到被测芯片(7)上的粒子能谱进行监测。

2.根据权利要求1所述的空间带电粒子入射位置及能量探测器，其特征在于，所述微条探测单元包括一个独立的电荷输出通道，用于输出电荷脉冲。

3.根据权利要求2所述的空间带电粒子入射位置及能量探测器，其特征在于，所述第一硅微条传感器的微条探测单元数量为6，所述第二硅微条传感器与所述第一硅微条传感器的微条探测单元数量相同；构成一个6x6的位置探测单元阵列，每个位置探测单元尺寸为2mmx2mm。

4.根据权利要求3所述的空间带电粒子入射位置及能量探测器，其特征在于，所述后端电路分析处理模块包括电荷测量单元、模数转换单元和数据处理单元；

所述电荷测量单元，包括电荷测量芯片，所述电荷测量芯片用于逐一将每个微条探测单元输出的电荷脉冲信号读出，再按照顺序逐一输出至模数转换单元；

带电粒子穿过的微条探测单元输出的电荷脉冲信号值有变化，其余微条探测单元输出电荷脉冲信号输出为0；

所述模数转换单元，包括模数转换器ADC，用于逐一完成12路探测信号的模数转换，然后将探测数据依序输出；

所述数据处理单元，用于对探测数据进行处理和保存；根据探测数据输出的顺序进行识别，根据不为0的探测数据的所对应顺序号来确定带电粒子入射位置所在的微条探测单元的序号，从而确定入射位置；还用于根据探测数据计算入射带电粒子的能量。

5.基于权利要求4所述探测器实现的一种空间带电粒子入射位置及能量探测方法，所述方法包括：

步骤1)在所述位置探测单元阵列两端施加高压，捕获空间粒子入射后在其内部沉积能量所产生的电荷，形成电荷脉冲，通过入射位置所在微条探测单元的输出通道输出；

步骤2)所述后端电路分析处理模块的电荷测量单元对所述位置探测单元阵列的多条输出通道进行逐一扫描，采集所述电荷脉冲信号；

步骤3)所述电荷测量单元将采集到的电荷脉冲信号逐一输出；

所述模数转换单元对每一条通道的电荷脉冲信号进行模数转换，得到探测数据逐一输出到数据处理单元；

步骤4)所述数据处理单元根据探测数据输出的顺序进行识别，确定入射位置；根据探测数据值计算入射带电粒子的能量和LET谱。

6.根据权利要求5所述的空间带电粒子入射位置及能量探测方法，其特征在于，所述步骤3)包括：

步骤3-1)所述电荷测量单元的将12个通道的电荷脉冲信号逐一输出，输出为差分电流信号；

步骤3-2)将12个通道的差分电流逐一输出接到同一对电阻网路中，并逐一转换为成正比的差分电压信号；

步骤3-3)所述电荷测量单元逐一将每个通道的差分电压信号进行放大，并将放大的差分信号转换为单端模拟电压信号进行逐一输出；

步骤3-4)所述模数转换器ADC采集所述单端模拟电压信号，转换成数字电压信号，并进行输出。

7.根据权利要求6所述的空间带电粒子入射位置及能量探测方法，其特征在于，所述步骤4)包括：

步骤4-1)所述数据处理单元逐一接收数字电压信号；

步骤4-2)根据数字电压信号输出的顺序进行识别，根据不为0的数字电压信号对应的顺序号来确定带电粒子入射位置所在的微条探测单元的序号，确定入射位置；

步骤4-3)通过数字电压信号输出的电压U大小，得到入射电子的数量：

Q＝U/C (1)

Q为电荷量，单位为库伦；U为电压，即检测出的脉冲峰值电压；C为已知的电容，单位为法拉第；

步骤4-4)根据产生1个电子需要的能量为3.62eV，计算入射点带电粒子的能量值E：

E＝3.62*Q (2)。

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