CN111948697B - 一种星载中能电子探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中能电子探测器，所述探测器包括：机箱、设置在机箱外上表面的准直器和设置在机箱内的传感器系统和电子学系统；所述准直器，用于使空间粒子入射至限定探测视场范围；所述传感器系统，用于对探测能量范围以外的空间粒子进行剔除，将中能电子的电荷信号输出至电子学系统；所述探测能量范围为20KeV～600KeV；所述电子学系统，用于对传感器系统输出的电荷信号进行处理，输出具有一定宽度的脉冲信号，并输出用于启动脉冲信号采集的触发信号。本发明的探测器能够实现20KeV能量下限的中能电子测量；并具有体积小、功耗低、多方向探测，节省资源、安装位置灵活的优点。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天领域，具体涉及一种星载中能电子探测器。
背景技术
中能电子探测器(能量范围20KeV～400KeV)由于被测粒子在传感器中的沉积能量低，且在轨易受中能质子的干扰，实现难度较大。
目前国内的同类载荷主要是高能粒子探测器，包括高能质子、电子、重离子探测器等，高能质子、重离子探测能段在5MeV以上，高能电子的探测范围一般大于200KeV，该类探测器在多颗卫星上搭载过；另外我国在导航卫星实验星上搭载过中能电子探测器，受限于前端的传感器信号处理芯片，测量下限为50KeV,通道之间存在相互干扰，此外，中能质子的干扰也是一个严重的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出了一种中能质子探测器，通过优化传感器信号处理电路，探测下限达到20KeV；通过设计传感器挡光层和传感器逻辑工作方式，可以排除中能质子的干扰；通过优化探测器结构，实现了仪器的小型化。
为实现上述目的，本发明提出了一种中能电子探测器，所述探测器包括：机箱、设置在机箱外上表面的准直器和设置在机箱内的传感器系统和电子学系统；
所述准直器，用于使空间粒子入射至限定探测视场范围；
所述传感器系统，用于对探测能量范围以外的空间粒子进行剔除，将中能电子的电荷信号输出至电子学系统；所述探测能量范围为20KeV～600KeV；
所述电子学系统，用于对传感器系统输出的电荷信号进行处理，输出具有一定宽度的脉冲信号，并输出用于启动脉冲信号采集的触发信号。
作为上述装置的一种改进，所述传感器系统包括：屏蔽罩以及设置在其内的从下至上的传感器装配体、传感器遮挡装配体和屏蔽罩盖板，屏蔽罩使用屏蔽罩侧板进行封装；
所述传感器装配体包括：传感器屏蔽盒和设置在其内的从下至上的传感器托架、传感器组件和传感器挡光层组件；其中，传感器组件包括六片传感器；所述传感器挡光层组件包括三片挡光片。
作为上述装置的一种改进，在所述屏蔽罩盖板上设置屏蔽罩绝缘垫。
作为上述装置的一种改进，所述传感器为离子注入型半导体传感器，六片传感器分为三组，每组包括上下各两片传感器，实现20°×20°的探测视场，所述传感器组件的视场为20°×60°。
作为上述装置的一种改进，每组的两片传感器中，一片传感器作为脉冲幅度分析器用于能档的划分，另一片传感器用于进行脉冲幅度分析，还用于排除高能质子和高能电子的干扰。
作为上述装置的一种改进，在每组传感器的上方设置一片挡光片，两者之间设置传感器绝缘垫。
作为上述装置的一种改进，所述电子学系统包括：设置在屏蔽罩外的线路板、设置在屏蔽罩下方的放大及高压电路板以及峰保及触发电路板；
所述线路板上设置六路前放与成形电路，分别连接六片传感器；
所述放大及高压电路板上还设置6路主放电路和一路高压电路，其中，高压电路用于为六片传感器提供高压电场；
所述峰保及触发电路板上设置6路峰保电路和6路触发电路；
其中一路前放与成形电路、主放电路、峰保电路和触发电路形成一片传感器的电子学电路；所述前放与成形电路，用于将中能电子入射到传感器后产生的电荷信号转化为电压信号；所述主放电路，用于将电压信号进一步放大；所述峰保电路，用于形成可采集的具有一定宽度的脉冲信号；所述触发电路，用于当信号幅度超出设置的阈值时，输出一个触发信号。
作为上述装置的一种改进，所述探测器通过电缆与空间环境数据采集系统连接，所述空间环境数据采集系统接收到任一触发电路输出的触发信号后，启动其内的A/D采集器，对该触发电路对应的峰保电路输出的脉冲信号高度进行采集，根据脉冲信号高度确定入射粒子的类型和能量。
作为上述装置的一种改进，所述机箱使用屏蔽壳体封闭，通过5M欧姆电阻接信号地。
本发明的优势在于：
1、本发明通过传感器和前放电路的设计，降低了系统噪声，首次实现20KeV能量下限的中能电子测量；
2、本发明通过传感器系统的设计，消除了其它粒子特别是空间中能质子的污染；
3、本发明的探测器具有体积小、功耗低、多方向探测，节省资源、安装位置灵活的优点；
4、本发明设计的中能电子探测器已经搭载于导航M20卫星在轨飞行。
附图说明
图1为本发明的中能电子探测器结构剖视图；
图2为本发明的传感器系统的结构及装配明细；
图3为本发明的传感器装配体的示意图；
图4为本发明的中能电子探测器外形图；
图5为本发明的中能电子探测器三视图；
图6为本发明的中能电子探测器连接关系意图；
图7为本发明的中能电子探测器原理框图；
图8为本发明的中能电子探测器前放电路原理图。
附图标识
1、屏蔽罩侧板 2、屏蔽罩 3、传感器装配体
4、探测器遮挡装配体 5、屏蔽罩盖板 6、屏蔽罩绝缘垫
7、线路板 8、传感器挡光层组件
9、传感器绝缘垫 10、传感器 11、传感器托架
12、传感器屏蔽盒 13、准直器 14、放大及高压电路板
15、峰保及触发电路板
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
对于能量下限问题，现有技术中存在的问题主要是传感器信号处理电路电磁兼容设计不足，探测器的本底噪声已经达到30KeV以上。本发明从传感器和前放电路选型、传感器与前放电路的匹配、高压电路设计几个方面入手，使得探测器的本底噪声控制在10KeV左右。
对于中能质子的干扰问题，本发明中未使用偏转磁铁分离质子和电子，因为需要的磁场较强且体积较大。通过设计合适的挡光层，可以将大部分的同能段的中能质子排除在外，结合传感器的逻辑工作方式，可以去除探测能量范围以外的粒子。
另外，为了节省卫星资源，对探测器结构和内部电路进行了优化设计，将传感器组件、前端电子学线路、放大电路、峰保电路、触发电路、高压电路等所有模拟电路部分独立出来，对外通过一个接插件输出传感器信号和输入电源与数据采集单元连接，使得探测器的体积和功耗均大幅减小，同时在卫星上搭载位置更加灵活。
1.产品指标说明
表1中能电子探测器指标汇总
2.组成及连接关系
如图1所示，本发明提供了一种中能电子探测器，主要包括机箱、准直器13、传感器遮挡装配体4、传感器挡光层组件8、六片传感器10组成的传感器组件、放大及高压电路板14和峰保及触发电路板15，其中，准直器1设置在机箱外的上表面，以保证传感器的探测视场；
如图2所示，将传感器装配体3、传感器遮挡装配体4、屏蔽罩盖板5和屏蔽罩绝缘垫6从下至上依次放置在屏蔽罩2内，然后用屏蔽罩侧板1固定，在屏蔽罩的与屏蔽罩侧板1的相对一侧设置线路板7。
传感器挡光层组件8包括三片挡光片；六片传感器分为三组，每组上下各2片传感器，实现20°×20°的探测视场，因此整个探测器的视场为20°×60°。三组传感器10放置在传感器托架11上，每组传感器6上设置一片挡光片，两者之间放置传感器绝缘垫9，然后传感器托架11整体放置在与之形状匹配的传感器屏蔽盒12内，组成传感器装配体3，如图3所示。
离子注入型半导体传感器具有很好的能量分辨率，是目前使用的主流传感器。传感器的具体指标如表2所示。传感器厚度均为300μm，面积均为8×8mm。
表2每组传感器特性参数
| 传感器 | 厚度 | 尺寸 | 传感器死层 | 挡光层厚度 |
| D1 | 300μm | 8×8mm | 100nm | 3μm |
| D1 | 300μm | 8×8mm | 100nm | 3μm |
每组的两个传感器D1和D2均接单独的前放与成形电路，D1传感器作为脉冲幅度分析器用于能档的划分，D2传感器用作反符合探测器，同时也进行脉冲幅度分析，用于排除高能质子和高能电子的干扰。
整个探测器的外形为图4和图5所示。空间粒子通过准直器射入传感器系统时，在各组传感器内沉积能量，以电离方式产生相应的电子空穴对，这些电子空穴对在高压电场的作用下，汇集到输出端并产生电荷脉冲。该电荷脉冲高度与粒子在该半导体探测器中沉积的能量成正比，通过分析入射粒子在每片传感器中沉积能量产生的脉冲信号幅度，即能判断入射粒子种类及其能量。
其中对中能电子探测影响最大的中能质子，在挡光层中损失大部分能量，而不能被探测，相对高能的质子在挡光层损失能量后在传感器中的沉积能量与中能电子相当，但由于数量比中能电子大幅减少可以忽略。更高能量的质子和电子通过其在两片传感器中的沉积能量与中能电子不同而被剔除。
设置在屏蔽罩2外的线路板7、设置在屏蔽罩2下方的放大及高压电路板14以及峰保及触发电路板15属于电子学系统；
线路板7上设置六路前放与成形电路，分别连接六片传感器；放大及高压电路板14上还设置6路主放电路和一路高压电路，其中，高压电路用于为六片传感器提供高压电场；峰保及触发电路板15上设置6路峰保电路和6路触发电路；
其中一路前放与成形电路、主放电路、峰保电路和触发电路形成一片传感器的电子学电路；前放与成形电路，用于将中能电子入射到传感器后产生的电荷信号转化为电压信号；主放电路，用于将电压信号进一步放大；峰保电路，用于形成可采集的具有一定宽度的脉冲信号；触发电路，用于当信号幅度超出设置的阈值时，输出一个触发信号。
放大及高压电路板14以及峰保及触发电路板15对三组传感器的输出信号进行处理，同时负责对外接口，包括与外部设备进行数据传输和电源输入。
电子学系统的功能是对各片传感器输出的信号进行处理，以方便后续采集设备进行数据采集。基本流程为中能电子入射到传感器后产生电荷信号，经过前放与成形电路转化为电压信号，主放电路将信号进一步放大，然后通过峰保电路形成可采集的具有一定宽度的脉冲信号，同时，触发电路输出触发信号以启动空间环境采集系统的A/D采集器对脉冲高度进行采集，空间环境数据采集系统分析各片传感器的脉冲高度来确定入射粒子和能量，如图6所示。
电子学系统的基本功能和信号处理过程如图7所示。使用的主要电子元器件如表3所示。
表3：主要电子元器件清单
| 序号 | 元器件名称 | 规格型号 |
| 1 | 电荷灵敏前放 | A225F |
| 2 | 主放 | OP467 |
| 3 | 触发 | LC9806 |
| 4 | 峰保 | MLT9821 |
| 5 | 变压器(高压电路) | HYL6267 |
传感器及其前端电路形式如图8所示，前放芯片A225F的本底噪声只有280eV，放大倍数为240mV/MeV，内部含有成形电路，20KeV的中能电子产生的信号在前放的输出达到4.8mV，信噪比大于2：1。能量下限指标实现的关键是对传感器及其前放电路进行二次屏蔽，即除了外部机箱机壳，需要额外对其进行屏蔽，屏蔽壳体封闭，且需要连接信号地。机箱与卫星平台之间直接安装，通过5M欧姆电阻接信号地；机箱通过电缆与空间环境数据采集系统相连，对本机进行供电输入和数据输出，两端均为26芯接插件。
中能电子的探测范围低至20KeV，向上(600KeV)与高能电子的探测能段相衔接，向下与等离子体的探测能段存在部分重合，可以实现空间电子的全能谱无缝测量、精细能谱、高方向分辨率测量，从而监测空间电子的能量传递和分布状态改变，对研究磁尾地向能量输运、全球辐射环境建模具有重要意义，同时可以对高能电子暴预警、现报。
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)
1.一种中能电子探测器，其特征在于，所述探测器包括：机箱、设置在机箱外上表面的准直器和设置在机箱内的传感器系统和电子学系统；
所述准直器，用于使空间粒子入射至限定探测视场范围；
所述传感器系统，用于对探测能量范围以外的空间粒子进行剔除，将中能电子的电荷信号输出至电子学系统；所述探测能量范围为20KeV～600KeV；
所述电子学系统，用于对传感器系统输出的电荷信号进行处理，输出具有一定宽度的脉冲信号，并输出用于启动脉冲信号采集的触发信号；
所述传感器系统包括：屏蔽罩(2)以及设置在其内的从下至上的传感器装配体(3)、传感器遮挡装配体(4)和屏蔽罩盖板(5)，屏蔽罩(2)使用屏蔽罩侧板(1)进行封装；
所述传感器装配体(3)包括：传感器屏蔽盒(12)和设置在其内的从下至上的传感器托架(11)、传感器组件和传感器挡光层组件(8)；其中，传感器组件包括六片传感器；所述传感器挡光层组件(8)包括三片挡光片；
所述电子学系统包括：设置在屏蔽罩(2)外的线路板(7)、设置在屏蔽罩(2)下方的放大及高压电路板(14)以及峰保及触发电路板(15)；
所述线路板上(7)设置六路前放与成形电路，分别连接六片传感器；
所述放大及高压电路板(14)上还设置6路主放电路和一路高压电路，其中，高压电路用于为六片传感器提供高压电场；
所述峰保及触发电路板(15)上设置6路峰保电路和6路触发电路；
其中一路前放与成形电路、主放电路、峰保电路和触发电路形成一片传感器的电子学电路；所述前放与成形电路，用于将中能电子入射到传感器后产生的电荷信号转化为电压信号；所述主放电路，用于将电压信号进一步放大；所述峰保电路，用于形成可采集的具有一定宽度的脉冲信号；所述触发电路，用于当信号幅度超出设置的阈值时，输出一个触发信号。
2.根据权利要求1所述的中能电子探测器，其特征在于，在所述屏蔽罩盖板(5)上设置屏蔽罩绝缘垫(6)。
3.根据权利要求1所述的中能电子探测器，其特征在于，所述传感器为离子注入型半导体传感器，六片传感器分为三组，每组包括上下各两片传感器，实现20°×20°的探测视场，所述传感器组件的视场为20°×60°。
4.根据权利要求3所述的中能电子探测器，其特征在于，每组的两片传感器中，一片传感器作为脉冲幅度分析器用于能档的划分，另一片传感器用于进行脉冲幅度分析，还用于排除高能质子和高能电子的干扰。
5.根据权利要求3所述的中能电子探测器，其特征在于，在每组传感器的上方设置一片挡光片，两者之间设置传感器绝缘垫(9)。
6.根据权利要求1所述的中能电子探测器，其特征在于，所述探测器通过电缆与空间环境数据采集系统连接，所述空间环境数据采集系统接收到任一触发电路输出的触发信号后，启动其内的A/D采集器，对该触发电路对应的峰保电路输出的脉冲信号高度进行采集，根据脉冲信号高度确定入射粒子的类型和能量。
7.根据权利要求1所述的中能电子探测器，其特征在于，所述机箱使用屏蔽壳体封闭，通过5M欧姆电阻接信号地。
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