CN112130192B - 一种用于空间中性原子成分分析仪器的抗干扰方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于空间中性原子成分分析仪器的抗干扰方法及系统，该空间中性原子成分分析仪器包括飞行时间测量模块和MCP探测器，所述方法包括：接收进入空间中性原子成分分析仪器的待测粒子；基于飞行时间阈值限制，从待测粒子中甄别出高能带电粒子；基于MCP脉冲高度阈值限制，从待测粒子中甄别出单个紫外光子或单个极紫外光子；基于符合二次电子的位置对应关系以及飞行时间的约束条件，从待测粒子中甄别出多个同时进入的紫外光子和或极紫外光子；从而得到待测的中性原子。采用本发明方法，空间中性原子成分分析仪器可以在空间中性原子通量很小，干扰源通量很大的情况下测量到中性原子事件。
Description
技术领域
本发明涉及空间探测技术领域，尤其涉及能量范围在数百eV到数百KeV的中性原子成像装置以及具有飞行时间测量结构的用于中性原子成分分析的仪器，具体涉及一种用于空间中性原子成分分析仪器的抗干扰方法及系统。
背景技术
中性原子成分分析仪器包括飞行时间测量模块和MCP探测器。飞行时间测量模块用于测量粒子的飞行时间；MCP是一种具有二维位置分辨能力的电子倍增器件，通过使用MCP探测器来测量中性原子穿过碳膜的二次电子，对其进行定时定位。但是空间中另外两种主要的粒子：带电粒子以及紫外、极紫外光子，同样会被MCP探测器捕捉到，这些背景源产生的信号会被系统认为是二次电子，因此会使仪器错误分析中性原子成分。目前在入口处添加偏转板，在偏转板上加高压使带电粒子偏转，使其无法沿直线射入仪器内部来排除带电粒子的影响，但是这个电压有一个上限，超过电压所能偏转的最大能量带电粒子会射入仪器内部。
目前的中性原子成分分析仪器均是是在入口碳膜处添加透射光栅或加大碳膜厚度来过滤紫外光子的影响，但是较厚的碳膜会对低能量中性原子也产生阻碍作用，从而缩小仪器探测能量范围，还会增大粒子的角度散射。透射光栅会影响仪器灵敏度，影响时间分辨率和信号噪声比。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种用于空间中性原子成分分析仪器的抗干扰方法及系统，不依赖于较厚碳膜和透射光栅来排除空间中的高能带电粒子以及紫外、极紫外光子对仪器的影响。
为了实现上述目的，本发明提出了一种用于空间中性原子成分分析仪器的抗干扰方法，该空间中性原子成分分析仪器包括飞行时间测量模块和MCP探测器，所述方法包括：
接收进入空间中性原子成分分析仪器的待测粒子；
基于飞行时间阈值限制，从待测粒子中甄别出高能带电粒子；
基于MCP脉冲高度阈值限制，从待测粒子中甄别出单个紫外光子或单个极紫外光子；
基于符合二次电子的位置对应关系以及飞行时间的约束条件，从待测粒子中甄别出多个同时进入的紫外光子和或极紫外光子；从而得到待测的中性原子。
作为上述方法的一种改进，所述基于飞行时间阈值限制，从待测粒子中甄别出高能带电粒子；具体为：
读取空间中性原子成分分析仪器的飞行时间测量模块测量得到的待测粒子飞行时间；
将预先测量好的所述空间中性原子成分分析仪器最大量程对应的中性原子的飞行时间作为时间阈值；
将待测粒子飞行时间与时间阈值进行比较，如果待测粒子飞行时间小于时间阈值，则该待测粒子为高能带电粒子。
作为上述方法的一种改进，所述待测粒子飞行时间的测量过程为：
由所述空间中性原子成分分析仪器的飞行时间测量模块分别测量待测粒子在空间中性原子成分分析仪器内的起始位置和终止位置的对应时刻，由此计算得到待测粒子飞行时间。
作为上述方法的一种改进，所述基于MCP脉冲高度阈值限制，从待测粒子中甄别出单个紫外光子或单个极紫外光子；具体包括：
读取待测粒子发射到空间中性原子成分分析仪器的MCP探测器上的脉冲高度；
将预先测量好的单电子脉冲高度作为高度阈值；
将脉冲高度与高度阈值进行比较，如果脉冲高度小于高度阈值，则该待测粒子为单个紫外光子或单个极紫外光子。
作为上述方法的一种改进，所述基于符合二次电子的位置对应关系以及飞行时间的约束条件，从待测粒子中甄别出多个同时进入的紫外光子和或极紫外光子；具体包括：
在空间中性原子成分分析仪器内部设置符合MCP探测器；所述符合MCP探测器用于收集由待测粒子产生的符合二次电子并获得符合二次电子的位置信息；所述符合MCP探测器包括延迟线阳极；
读取所述空间中性原子成分分析仪器的MCP探测器测量得到的符合二次电子的出射位置；
读取符合MCP探测器测量得到的符合二次电子的到达位置信息；
读取空间中性原子成分分析仪器的飞行时间测量模块测量得到的符合二次电子飞行时间；
通过符合二次电子出射位置和到达位置的对应关系以及飞行时间的约束条件，从待测粒子中甄别出多个同时进入的紫外光子和或极紫外光子。
一种用于空间中性原子成分分析仪器的抗干扰系统，该空间中性原子成分分析仪器包括飞行时间测量模块和MCP探测器，其特征在于，所述系统包括：待测粒子接收模块、高能带电粒子甄别模块、单个紫外光子甄别模块和多个紫外光子甄别模块；其中，
所述待测粒子接收模块，用于接收进入空间中性原子成分分析仪器的待测粒子；
所述高能带电粒子甄别模块，用于基于飞行时间阈值限制，从待测粒子中甄别出高能带电粒子；
所述单个紫外光子甄别模块，用于基于MCP脉冲高度阈值限制，从待测粒子中甄别出单个紫外光子或单个极紫外光子；
所述多个紫外光子甄别模块，用于基于符合二次电子的位置对应关系以及飞行时间的约束条件，从待测粒子中甄别出多个同时进入的紫外光子和或极紫外光子；从而得到待测的中性原子。
作为上述系统的一种改进，所述高能带电粒子甄别模块的具体实现过程为：
读取空间中性原子成分分析仪器的飞行时间测量模块测量得到的待测粒子飞行时间；
将预先测量好的所述空间中性原子成分分析仪器最大量程对应的中性原子的飞行时间作为时间阈值；
将待测粒子飞行时间与时间阈值进行比较，如果待测粒子飞行时间小于时间阈值，则该待测粒子为高能带电粒子。
作为上述系统的一种改进，所述待测粒子飞行时间的测量过程为：
由所述空间中性原子成分分析仪器的飞行时间测量模块分别测量待测粒子在空间中性原子成分分析仪器内的起始位置和终止位置的对应时刻，由此计算得到待测粒子飞行时间。
作为上述系统的一种改进，所述单个紫外光子甄别模块的具体实现过程为：
读取待测粒子发射到空间中性原子成分分析仪器的MCP探测器上的脉冲高度；
将预先测量好的单电子脉冲高度作为高度阈值；
将脉冲高度与高度阈值进行比较，如果脉冲高度小于高度阈值，则该待测粒子为单个紫外光子或单个极紫外光子。
作为上述系统的一种改进，所述多个紫外光子甄别模块的具体实现过程为：
在空间中性原子成分分析仪器内部设置符合MCP探测器；所述符合MCP探测器用于收集由待测粒子产生的符合二次电子并获得符合二次电子的位置信息；所述符合MCP探测器包括延迟线阳极；
读取所述空间中性原子成分分析仪器的MCP探测器测量得到的符合二次电子的出射位置；
读取符合MCP探测器测量得到的符合二次电子的到达位置信息；
读取空间中性原子成分分析仪器的飞行时间测量模块测量得到的符合二次电子飞行时间；
通过符合二次电子出射位置和到达位置的对应关系以及飞行时间的约束条件，从待测粒子中甄别出多个同时进入的紫外光子和或极紫外光子。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、利用本发明的抗干扰方法，在空间中，针对中性原子通量很小，干扰源通量很大的情况仍可测量到中性原子事件，这对一些空间物理现象的分析具有重大意义；
2、本发明的方法针对紫外和极紫外光子等，首次提出了在仪器内部通过符合的方式克服干扰，而不是现有技术所采用的在入口处通过物理设置进行屏蔽的方法；
3.采用本方法，中性原子分析仪器可以使用超薄碳膜，因此可以测量到KeV以下能量的中性原子，大幅提高现有中性原子分析仪器的能量探测范围。
附图说明
图1是现有技术的空间中性原子成分分析仪器的结构示意图；
图2是本发明用于空间中性原子成分分析仪器的抗干扰方法的流程图。
具体实施方式
如图1所示，为现有技术的空间中性原子成分分析仪器的结构示意图。本发明提供了一种用于中性原子成分分析仪器的抗干扰方法，以此排除空间中高能带电粒子和紫外、极紫外光子对仪器的影响。对于超过偏转板最大偏转能量的带电粒子，通过判定其飞行时间来进行排除。对于紫外、极紫外光子，通过提高MCP脉冲阈值以及符合区域对符合二次电子的判定来进行排除。以此实现空间中性原子的成分鉴别的准确实现。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
如图2所示，本发明的实施例1提出了一种用于空间中性原子成分分析仪器的抗干扰方法。
首先测量该空间中性原子成分分析仪器最大量程对应的中性原子的飞行时间，将该飞行时间作为时间阈值；测量单电子的脉冲高度，将该脉冲高度作为高度阈值。
1、超过偏转板最大所能偏转能量的带电粒子进入中性原子成分分析仪器后，与中性原子相同，在穿越碳膜时也会产生二次电子。中性原子成分分析仪器通过飞行时间测量模块计算中性原子的飞行时，飞行时间测量模块通过中性原子在起始和停止位置产生的二次电子来计算飞行时间。同样，飞行时间测量模块通过高能带电粒子在起始和停止位置产生的二次电子能够计算高能带电粒子的飞行时间。由于能够通过偏转板进入中性原子成分分析仪器的带电粒子能量很高，根据
质量一定时能量越大速度越快。因此，进入仪器的高能带电粒子飞行速度极快，飞行时间远远小于中性原子的飞行时间。将预先测量的该空间中性原子成分分析仪器最大量程对应的中性原子的飞行时间作为时间阈值，记为t1；与待测粒子的飞行时间进行比较，那么仪器测得所有飞行时间小于t1的可认为是进入的高能带电粒子，FPGA不将其判断为一次中性原子入射事件。
2、紫外和极紫外光子一个单光子打在MCP探测器上产生一个单电子脉冲或者比一个单电子脉冲更小。将预先测量的单电子的脉冲高度作为高度阈值，与脉冲高度进行比较，当脉冲高度小于高度阈值时，FPGA不将其判断为MCP探测器被触发，这样就排除了大部分单光子的影响。
3、对于有多个光子同时触发MCP探测器的情况，添加了符合的方式，添加一个符合MCP探测器。将中性原子在碳膜上产生的反向二次电子作为符合二次电子使用。符合二次电子在仪器内部电场作用下引导至专门的符合MCP探测器，符合MCP探测组件中的延迟线阳极对符合二次电子进行定位，同时通过飞行时间测量模块对符合二次电子飞行时间进行测量。由于仪器内部尺寸是一定的，符合二次电子的飞行速度也是一定的，因此符合二次电子的飞行时间是在一定范围的。
符合二次电子的起始位置由停止MCP组件测得，仪器内部电场是一定的，不考虑符合二次电子的出射角，那么一个位置出射的符合二次电子应该与到达符合MCP组件上的位置是对应关系。即某一出射位置对应某一到达位置。
因此通过符合二次电子的时间和位置关系约束，可以排除多个光子同时射入MCP探测器的情况。
综上所述，基于飞行时间限制、MCP脉冲阈值限制以及符合二次电子的时间和空间限制，可以鉴别空间中非中性原子在仪器内部产生的信号，从而实现抗干扰的目的，实现对中性原子成分的准确分析。
实施例2
基于上述方法，本发明的实施例2提出了一种用于空间中性原子成分分析仪器的抗干扰系统。系统包括：待测粒子接收模块、高能带电粒子甄别模块、单个紫外光子甄别模块和多个紫外光子甄别模块；其中，
所述待测粒子接收模块，用于接收进入空间中性原子成分分析仪器的待测粒子；
所述高能带电粒子甄别模块，用于基于飞行时间阈值限制，从待测粒子中甄别出高能带电粒子；
所述单个紫外光子甄别模块，用于基于MCP脉冲高度阈值限制，从待测粒子中甄别出单个紫外光子或单个极紫外光子；
所述多个紫外光子甄别模块，用于基于符合二次电子的位置对应关系以及飞行时间的约束条件，从待测粒子中甄别出多个同时进入的紫外光子和或极紫外光子；从而得到待测的中性原子。
具体的实现过程详见实施例1。
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 (4)
1.一种用于空间中性原子成分分析仪器的抗干扰方法，该空间中性原子成分分析仪器包括飞行时间测量模块和MCP探测器，所述方法包括：
接收进入空间中性原子成分分析仪器的待测粒子；
基于飞行时间阈值限制，从待测粒子中甄别出高能带电粒子；
基于MCP脉冲高度阈值限制，从待测粒子中甄别出单个紫外光子或单个极紫外光子；
基于符合二次电子的位置对应关系以及飞行时间的约束条件，从待测粒子中甄别出多个同时进入的紫外光子和或极紫外光子；从而得到待测的中性原子；
所述基于飞行时间阈值限制，从待测粒子中甄别出高能带电粒子；具体为：
读取空间中性原子成分分析仪器的飞行时间测量模块测量得到的待测粒子飞行时间；
将预先测量好的所述空间中性原子成分分析仪器最大量程对应的中性原子的飞行时间作为时间阈值；
将待测粒子飞行时间与时间阈值进行比较，如果待测粒子飞行时间小于时间阈值，则该待测粒子为高能带电粒子；
所述基于MCP脉冲高度阈值限制，从待测粒子中甄别出单个紫外光子或单个极紫外光子；具体包括：
读取待测粒子发射到空间中性原子成分分析仪器的MCP探测器上的脉冲高度；
将预先测量好的单电子脉冲高度作为高度阈值；
将脉冲高度与高度阈值进行比较，如果脉冲高度小于高度阈值，则该待测粒子为单个紫外光子或单个极紫外光子；
所述基于符合二次电子的位置对应关系以及飞行时间的约束条件，从待测粒子中甄别出多个同时进入的紫外光子和或极紫外光子；具体包括：
在空间中性原子成分分析仪器内部设置符合MCP探测器；所述符合MCP探测器用于收集由待测粒子产生的符合二次电子并获得符合二次电子的位置信息；所述符合MCP探测器包括延迟线阳极；
读取所述空间中性原子成分分析仪器的MCP探测器测量得到的符合二次电子的出射位置；
读取符合MCP探测器测量得到的符合二次电子的到达位置信息；
读取空间中性原子成分分析仪器的飞行时间测量模块测量得到的符合二次电子飞行时间；
通过符合二次电子出射位置和到达位置的对应关系以及飞行时间的约束条件，从待测粒子中甄别出多个同时进入的紫外光子和或极紫外光子。
2.根据权利要求1所述的用于空间中性原子成分分析仪器的抗干扰方法，其特征在于，所述待测粒子飞行时间的测量过程为：
由所述空间中性原子成分分析仪器的飞行时间测量模块分别测量待测粒子在空间中性原子成分分析仪器内的起始位置和终止位置的对应时刻，由此计算得到待测粒子飞行时间。
3.一种用于空间中性原子成分分析仪器的抗干扰系统，该空间中性原子成分分析仪器包括飞行时间测量模块和MCP探测器，其特征在于，所述系统包括：待测粒子接收模块、高能带电粒子甄别模块、单个紫外光子甄别模块和多个紫外光子甄别模块；其中，
所述待测粒子接收模块，用于接收进入空间中性原子成分分析仪器的待测粒子；
所述高能带电粒子甄别模块，用于基于飞行时间阈值限制，从待测粒子中甄别出高能带电粒子；
所述单个紫外光子甄别模块，用于基于MCP脉冲高度阈值限制，从待测粒子中甄别出单个紫外光子或单个极紫外光子；
所述多个紫外光子甄别模块，用于基于符合二次电子的位置对应关系以及飞行时间的约束条件，从待测粒子中甄别出多个同时进入的紫外光子和或极紫外光子；从而得到待测的中性原子；
所述高能带电粒子甄别模块的具体实现过程为：
读取空间中性原子成分分析仪器的飞行时间测量模块测量得到的待测粒子飞行时间；
将预先测量好的所述空间中性原子成分分析仪器最大量程对应的中性原子的飞行时间作为时间阈值；
将待测粒子飞行时间与时间阈值进行比较，如果待测粒子飞行时间小于时间阈值，则该待测粒子为高能带电粒子；
所述单个紫外光子甄别模块的具体实现过程为：
读取待测粒子发射到空间中性原子成分分析仪器的MCP探测器上的脉冲高度；
将预先测量好的单电子脉冲高度作为高度阈值；
将脉冲高度与高度阈值进行比较，如果脉冲高度小于高度阈值，则该待测粒子为单个紫外光子或单个极紫外光子；
所述多个紫外光子甄别模块的具体实现过程为：
在空间中性原子成分分析仪器内部设置符合MCP探测器；所述符合MCP探测器用于收集由待测粒子产生的符合二次电子并获得符合二次电子的位置信息；所述符合MCP探测器包括延迟线阳极；
读取所述空间中性原子成分分析仪器的MCP探测器测量得到的符合二次电子的出射位置；
读取符合MCP探测器测量得到的符合二次电子的到达位置信息；
读取空间中性原子成分分析仪器的飞行时间测量模块测量得到的符合二次电子飞行时间；
通过符合二次电子出射位置和到达位置的对应关系以及飞行时间的约束条件，从待测粒子中甄别出多个同时进入的紫外光子和或极紫外光子。
4.根据权利要求3所述的用于空间中性原子成分分析仪器的抗干扰系统，其特征在于，所述待测粒子飞行时间的测量过程为：
由所述空间中性原子成分分析仪器的飞行时间测量模块分别测量待测粒子在空间中性原子成分分析仪器内的起始位置和终止位置的对应时刻，由此计算得到待测粒子飞行时间。
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