CN113140441A - 一种高能量分辨粒子探测装置及探测方法 - Google Patents

一种高能量分辨粒子探测装置及探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于空间探测设备技术领域，具体地说，涉及一种高能量分辨粒子探测装置，包括：阻滞势分析器(1)、超环面静电分析器(2)、偏转板(3)、微通道板(4)、阳极(5)和顶盖(8)；所述顶盖(8)为圆柱盘结构，在其外圆周侧上开设环形入射口，该环形入射口处设置阻滞势分析器(1)，并在顶盖(8)内、靠近环形入射口处设置偏转板(3)，使以不同入射角度，从环形入射口射进的粒子在阻滞势分析器(1)的电压扫描下，使不同入射角度的粒子经过准直通道后，再进入狭缝通道，并经该狭缝通道的出射口入射到位于狭缝通道的出射口处的微通道板(4)上，微通道板(4)下设置阳极(5)。

Description

一种高能量分辨粒子探测装置及探测方法
技术领域
本发明属于空间探测设备技术领域，具体地说，涉及一种高能量分辨粒子探测装置及探测方法。
背景技术
对外日球层拾起离子的探测，有助于了解星际中性成分与太阳风等离子体的相互作用过程，揭示太阳风的动力学演化以及星际介质的特性，获取行星附近拾起离子分布特征以及大气逃逸率，揭示行星大气的演化的过程和机制。能量分辨率越高，探测仪器能够探测到的粒子的温度、密度和低速就更低。其中，外日球层拾起离子(PUIs)主要是通过星际介质中的中性原子与太阳风粒子之间发生光电离、电子碰撞电离或电荷交换作用而产生的，具有低速(小于25km/s)、低密度(小于1×10-3cm-3)、低温(小于6×103K)的特征。
粒子探测装置逐渐向低速、低密度、低温发展，目前，现有的探测装置中，传统具有大几何因子的静电分析器能量分辨率低、聚焦性差，并不能针对100AU以外的外日球层中的具有低速(小于25km/s)、低密度(小于1×10-3cm-3)、低温(小于6×103K)的拾起离子进行高能量分辨率探测。因此，为了实现对外日球层中的具有低速(小于25km/s)、低密度(小于1×10-3cm-3)、低温(小于6×103K)的拾起离子的高能量分辨率探测，亟需要提出一种能够进行高能量分辨粒子探测装置。
发明内容
为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种高能量分辨粒子探测装置，其特征在于，该装置包括：阻滞势分析器、超环面静电分析器、偏转板、微通道板、阳极和顶盖；
所述顶盖为圆柱盘结构，在其外圆周侧上开设环形入射口，该环形入射口处设置阻滞势分析器，并在顶盖内、靠近环形入射口处设置偏转板，使以不同入射角度，从环形入射口射进的粒子在阻滞势分析器和超环面静电分析器的组合电压扫描下，进行两次能量选择之后，并经该狭缝通道的出射口入射到位于狭缝通道的出射口处的微通道板上，微通道板下设置阳极；将阳极在空间维度上划分48个网格，利用阳极上划分的网格，获得每个入射角度的离子的能量和位置信息，进而反演得到每个入射角度的离子的速度、密度和温度信息。
作为上述技术方案的改进之一，所述阻滞势分析器为曲面圆柱环型阻滞势分析器，放置于超环面静电分析器的入射口位置，该曲面圆柱环型阻滞势分析器包括：四层曲面圆柱环形栅网，最外层的曲面圆柱环形栅网和最内层的曲面圆柱环形栅网均接地，保持零电位，中间两层的曲面圆柱环形栅网加正电压。
作为上述技术方案的改进之一，所述偏转板为环形结构，其靠近环形入射口的一端与水平方向夹角为23°，其远离环形入射口的一端水平设置。
作为上述技术方案的改进之一，所述狭缝通道中，外极板的顶部设有开口，内极板的顶部为平顶盖，外极板的两侧与内极板的两侧为弧形面，且二者之间形成狭缝通道。
作为上述技术方案的改进之一，环形入射口的口径通过以下公式确定：
Figure BDA0002963290240000021
其中，D1为环形入射口的口径；D2为内极板平面距；ΔR＝R2-R1是狭缝通道的截面宽度,R1、R2分别为静电分析器的内外极板半径；θ为内外极板弧形面张角。
本发明还提供了一种基于高能量分辨粒子探测装置的探测方法，该方法包括：
处于仪器视场探测范围内的粒子以不同的入射角度，从顶盖的外圆周侧壁上开设的环形入射口处，入射至阻滞势分析器，阻滞势分析器对不同入射角度的粒子能量进行一次能量选择，选择能量高于预先设定的阻滞阈值的粒子，并使其穿过阻滞势分析器；
不同入射角度的粒子进入经过准直通道后，再入射至超环面静电分析器内设的狭缝通道，超环面静电分析器根据所需要探测的粒子的能量，设定对应的电压，对入射至狭缝通道的粒子进行二次能量选择；
将符合要求的粒子经狭缝通道的出射口射出，并入射至位于出射口处的微通道板上产生次级电子并进行收集；
将微通道板下方的360°空间维度的阳极划分为48个网格，通过微通道板收集次级电子，并反应在每个网格上，根据每个网格对应的空间角度来获取每个入射角度的粒子的入射方向和位置信息，进而反演得到每个入射角度的粒子的速度、密度和温度信息。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、本发明的探测装置能解决传统具有大几何因子的静电分析器能量分辨率低、聚焦性差的问题，实现低速、低密度、低温粒子的更高的能量分辨率探测；
2、本发明的装置采用大入口宽狭缝的ESA与RPA结合，使其具有低能量探测、大几何因子、高能量分辨率探测的功能特性，可实现对低速、低密度、低温粒子的高灵敏探测；
3、通过曲面圆柱环型阻滞势分析器(RPA)与超环面静电分析器(ESA)的组合式结构的粒子探测装置，能够获得大几何因子和良好的聚焦特性，通过曲面圆柱环型阻滞势分析器(RPA)、超环面静电分析器(ESA)的电压扫描，利用MCP脉冲信号高度统计粒子计数，获得高能量分辨率，并通过反演可获得离子的速度、密度、温度和能量信息，实现低速、低密度、低温粒子的高能量分辨率探测；
4、本发明的装置具有良好的聚焦特性和角度分辨率，可以进一步配合飞行时间系统，实现对离子成分的高质谱分辨率探测。
附图说明
图1是本发明的一种高能量分辨粒子探测装置的结构示意图；
图2是本发明的一种高能量分辨粒子探测装置中的离子传播路径示意图。
附图标记：
1、阻滞势分析器 2、超环面静电分析器
3、偏转板 4、微通道板
5、阳极 6、内极板
7、外极板 8、顶盖
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明提供了一种高能量分辨粒子探测装置，利用该结构可以收集打在微通道板(MCP)上产生的不同入射角度的次级电子，用于获得每个入射角度的粒子的能量、方向和位置信息。通过曲面圆柱环型阻滞势分析器(RPA)与超环面静电分析器(ESA)的电压组合扫描，利用MCP脉冲信号高度统计粒子计数，实现对不同入射角度的粒子的高能量分辨率探测；解决了现有的探测装置无法实现针对不同入射角度的低速、低密度、低温粒子的高能量分辨率探测需求。特别是对于能量低至～2eV，密度低至～0.001cm-3,温度低至～6000K的粒子，能够实现高能量分辨率探测。
如图1所示，在本实施例中，所述粒子为外日球层拾起离子；该装置包括：阻滞势分析器1、超环面静电分析器2、偏转板3、微通道板4、阳极5和顶盖8；
所述顶盖8为圆柱盘结构，在其外圆周侧上开设环形入射口，该环形入射口处设置阻滞势分析器1，并在顶盖8内、靠近环形入射口处设置偏转板3，使以不同入射角度，从环形入射口射进的外日球层拾起离子在阻滞势分析器1的电压扫描下，进行一次能量选择之后，使不同入射角度的外日球层拾起离子经过准直通道后，再进入超环面静电分析器2的外极板7与内极板6之间形成的狭缝通道，在该狭缝通道内进行二次能量选择，并经该狭缝通道的出射口入射到位于狭缝通道的出射口处的微通道板4上，微通道板4下设置阳极5；通过控制阻滞势分析器1和超环面静电分析器2的电压扫描，收集入射到微通道板4上产生的次级电子，将阳极5在空间维度上划分48个网格，利用阳极5上划分的网格，获得每个入射角度的离子的能量和位置信息，进而反演得到每个入射角度的离子的速度、密度和温度信息。
如图1所示，所述准直通道是由顶盖8与超环面静电分析器2的顶部之间的顶盖8的内部空间形成的，即顶盖8的内部空间与超环面静电分析器2的顶部之间形成准直通道。
所述阻滞势分析器1为曲面圆柱环型阻滞势分析器，放置于超环面静电分析器的入射口位置，该曲面圆柱环型阻滞势分析器包括：四层曲面圆柱环形栅网，最外层的曲面圆柱环形栅网和最内层的曲面圆柱环形栅网均接地，保持零电位，中间两层的曲面圆柱环形栅网加正电压。
所述偏转板3为环形结构，且其靠近环形入射口的一端与水平方向夹角为23°，其远离环形入射口的一端水平设置，用于扩大粒子探测视场范围。
所述阳极5为延迟线阳极，采用PCB加工制作，大大简化了制作工艺。
所述狭缝通道中，外极板7的顶部设有开口，内极板6的顶部为水平顶，外极板7的两侧与内极板6的两侧为弧形面，且二者之间形成狭缝通道，则狭缝通道的横截面的径向长度，即狭缝通道的宽度ΔR优选为大于或等于5mm。
其中，如图1所示，狭缝通道的顶部为半开口式大环面通道，降低焦点位置，提高角度分辨率。
如图2所示，环形入射口的口径通过以下公式确定：
Figure BDA0002963290240000051
其中，D1为环形入射口的口径；D2为内极板平面距；ΔR＝R2-R1是狭缝通道的截面宽度,R1、R2分别为静电分析器的内外极板半径；θ为内外极板弧形面张角。对D2的解释如下：如图2所示，图2为探测装置最大剖面截面图，点O是内极板圆弧的圆心，点E是内极板弧形部分和平面部分的交点，点F是EO延长线与中轴线的交点，点G是内极板平面部分与中轴线的交点，FG即为D2的长度。由于几何因子越大，则探测装置可探测到的离子的密度就越低，其灵敏度就越高，因此，通过上述公式计算得出的入射口的口径，结合狭缝通道的截面宽度，就能够使本发明的探测装置的几何因子最大，能够实现对能量低至～2eV，密度低至～0.001cm-3的粒子探测需求，同时结合阻滞势分析器的使用，实现对温度低至6000K的粒子探测需求。本发明以大入射口径、平顶盖、宽狭缝的静电分析器为基本设计方案，配合阻滞势分析器和偏转板电压扫描，具有低能量响应、大几何因子、高能量分辨、大视场范围的优点，实现对低速、低密度、低温粒子的高能量分辨探测。
本发明还提供了一种基于高能量分辨粒子探测装置的探测方法，该方法包括：
处于仪器视场探测范围内的外日球层拾起离子以不同的入射角度，从顶盖8的外圆周侧壁上开设的入射口处，入射至阻滞势分析器1，阻滞势分析器1对不同入射角度的离子能量进行一次能量选择，选择能量高于预先设定的阻滞阈值的离子，并使其穿过阻滞势分析器1，而低于预先设定的阻滞阈值的离子将被阻挡，不能穿过阻滞势分析器1；
不同入射角度的离子进入经过偏转板3进入准直通道，再入射至超环面静电分析器2内设的狭缝通道，超环面静电分析器根据所需要探测的离子的能量，设定对应的电压，对入射至狭缝通道的离子进行二次能量选择，符合要求的离子经狭缝通道的出射口射出，并入射至位于出射口处的微通道板4上产生次级电子并进行收集；
其中，不同入射角度的离子在依次经过阻滞势分析器1和超环面静电分析器2后，打在微通道板4上的离子轨迹如图1所示的带箭头的虚线路径；
微通道板4下方的360°空间维度的阳极划分为48个网格，通过微通道板4产生次级电子，并将其反应在每个网格上，可根据每个网格对应的空间角度来获取每个入射角度的离子的入射方向和位置信息，进而反演得到每个入射角度的离子的速度、密度和温度信息。
为了更好地说明本发明的探测装置的探测方法，特给出一个具体的实验环境，假设入射的粒子为1.28eV-6keV的离子，则该离子以不同的入射角度入射至阻滞势分析器1，阻滞势分析器加正电压940eV，进行一次能量选择，940eV-6000eV的离子可穿过阻滞势分析器，并在偏转板3入射至准直通道，再入射至狭缝通道，超环面静电分析器2的内极板6再根据设定的-235V电压，进行二次能量选择，保证940eV-1200eV的离子可以从超环面静电分析器的出射口射出，打在微通道板4上产生次级电子，进而利用阳极进行收集并计数。重复上述过程，将阻滞势分析器1的正电压设置为950V-1040V(每10V为一次电压增量)，超环面静电分析器的内极板电压保持-235V不变，用阳极对940eV-1200eV的离子进行收集并计数，得到离子的入射方向、离子能量和对应的位置信息；并绘制一条关于计数数值与离子能量的计数曲线，再对该计数曲线进行微分，进而得到符合高斯分布的能谱，利用公式ΔE/E0即可计算出能量分辨率为5％，再根据该高斯分布的能谱反演出该离子的温度、密度和速度。
对阳极板划分的48个网格进行1-48编号，得到1-48个位置编号，离子的位置和入射方向根据打在阳极板的位置编号以及探测装置的位置姿态反推得到的。
其中，离子的速度通过以下公式获得：
E/q＝KV，
其中，E是离子能量，q是离子电荷量，K是静电分析器常数，V是静电分析器内极板电压绝对值.根据高斯分布的能谱峰值E0与对应内极板电压V的比值计算出静电分析器常数K：
Figure BDA0002963290240000061
其中，Rp＝(R1+R2)/2；ΔR＝R2-R1；R1、R2分别为分析器的内外极板半径。
通过调节内极板的电压值，可以得到探测器可以探测的能量范围，低端能量可以控制在2eV以下。结合阻滞势分析器电压上限6kV，可得到探测能量范围2eV～6keV，根据能量范围可以计算出对应的H+的速度范围20km/s～1073km/s，满足25km/s的粒子探测需求(低速)。
离子的温度通过以下公式获得：
Figure BDA0002963290240000071
其中，mi、vth、ΔE分别为离子质量、热运动速度和能谱分布半高宽，kB为玻尔兹曼常数。根据阻滞势分析器和静电分析器结合时的能量分辨率，计算得到低端能量的半高宽，从而可以得到离子温度在2000K左右(低温)。
离子的几何因子通过以下公式获得：
Figure BDA0002963290240000072
其中，C、v、G分别为离子计数率、速度和几何因子。
根据以上公式计算得到探测最小密度小于0.0001cm-3(低密度)。
传统的静电分析器无法同时实现低速、低温、低密度粒子的探测，采用阻滞势分析器和静电分析器相结合的方案，可以实现这些探测需求，这就是本项专利的独特之处。同时，超环面平顶盖的设计，大大提高了探测装置的聚焦特性以及方位角分辨率，对粒子在空间中的分布有更精确的解析，后端也可配合飞行时间系统实现高质谱分辨率探测。
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 (6)

1.一种高能量分辨粒子探测装置，其特征在于，该装置包括：阻滞势分析器(1)、超环面静电分析器(2)、偏转板(3)、微通道板(4)、阳极(5)和顶盖(8)；
所述顶盖(8)为圆柱盘结构，在其外圆周侧上开设环形入射口，该环形入射口处设置阻滞势分析器(1)，并在顶盖(8)内、靠近环形入射口处设置偏转板(3)，使以不同入射角度，从环形入射口射进的粒子在阻滞势分析器(1)和超环面静电分析器(2)的组合电压扫描下，进行两次能量选择之后，并经该狭缝通道的出射口入射到位于狭缝通道的出射口处的微通道板(4)上，微通道板(4)下设置阳极(5)；将阳极(5)在空间维度上划分48个网格，利用阳极(5)上划分的网格，获得每个入射角度的离子的能量和位置信息，进而反演得到每个入射角度的离子的速度、密度和温度信息。
2.根据权利要求1所述的高能量分辨粒子探测装置，其特征在于，所述阻滞势分析器(1)为曲面圆柱环型阻滞势分析器，放置于超环面静电分析器的入射口位置，该曲面圆柱环型阻滞势分析器包括：四层曲面圆柱环形栅网，最外层的曲面圆柱环形栅网和最内层的曲面圆柱环形栅网均接地，保持零电位，中间两层的曲面圆柱环形栅网加正电压。
3.根据权利要求1所述的高能量分辨粒子探测装置，其特征在于，所述偏转板(3)为环形结构，其靠近环形入射口的一端与水平方向夹角为23°，其远离环形入射口的一端水平设置。
4.根据权利要求1所述的高能量分辨粒子探测装置，其特征在于，所述狭缝通道中，外极板(7)的顶部设有开口，内极板(6)的顶部为平顶盖，外极板(7)的两侧与内极板(6)的两侧为弧形面，且二者之间形成狭缝通道。
5.根据权利要求1所述的高能量分辨粒子探测装置，其特征在于，环形入射口的口径通过以下公式确定：
Figure FDA0002963290230000011
其中，D1为环形入射口的口径；D2为内极板平面距；ΔR＝R2-R1，ΔR是狭缝通道的截面宽度；R1、R2分别为静电分析器的内外极板半径；θ为内外极板弧形面张角。
6.一种基于权利要求1-5中任一所述的高能量分辨粒子探测装置的探测方法，该方法包括：
处于仪器视场探测范围内的粒子以不同的入射角度，从顶盖(8)的外圆周侧壁上开设的环形入射口处，入射至阻滞势分析器(1)，阻滞势分析器(1)对不同入射角度的粒子能量进行一次能量选择，选择能量高于预先设定的阻滞阈值的粒子，并使其穿过阻滞势分析器(1)；
不同入射角度的粒子进入经过准直通道后，再入射至超环面静电分析器(2)内设的狭缝通道，超环面静电分析器根据所需要探测的粒子的能量，设定对应的电压，对入射至狭缝通道的粒子进行二次能量选择；
将符合要求的粒子经狭缝通道的出射口射出，并入射至位于出射口处的微通道板(4)上产生次级电子并进行收集；
将微通道板(4)下方的360°空间维度的阳极划分为48个网格，通过微通道板(4)收集次级电子，并反应在每个网格上，根据每个网格对应的空间角度来获取每个入射角度的粒子的入射方向和位置信息，进而反演得到每个入射角度的粒子的速度、密度和温度信息。
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