CN113189633B - 一种中高能粒子探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中高能电子探测器，其外部结构为电子学箱和固定在其顶面上的棱台，在棱台顶面及两个侧面上分别设置一个探头，在电子学箱内设置对三个探头的电信号进行处理的电子学部分，三个探头共用一个电子学部分；三个探头按照扇形排列，每个方向的总张角为60°×60°，3个探头可测量180×60°的视场；每个探头包括3×3共9个子测量视场，每个子视场20°×20°；可形成27个测量视场，包括9个投掷角和18个方位角；探头包括入射孔、2片二维面阵硅半导体传感器(A和B)、1片单像素硅半导体传感器(C)、一组闪烁体探测器(D)及光电探测器(E)；基于小孔成像法的中能电子探测器；基于望远镜法的高能电子探测器。

Description

一种中高能粒子探测器
技术领域
本发明涉及粒子探测领域，具体涉及一种中高能粒子探测器。
背景技术
空间存在大量的不同能量的电子，中高能电子能量范围在几十keV到MeV。地球辐射带是电子辐射的重要聚集区域，辐射带电子通常由内、外辐射带两个区域组成，内辐射带区域中心位置处于1.5Re(距离地球赤道表面3000多公里)。外辐射带区域中心位于L＝4～5(距离地球赤道表面20000～250000km)。内外辐射带之间存在一个粒子辐射通量很低的槽区(Slot Region)，这一区域被认为是在轨航天器的安全区域。而实际的辐射带环境远比静态描述的复杂的多,随着太阳风行星际条件和地磁活动而动态变化，电子辐射带粒子辐射径向分布范围、中心位置和辐射带在不同时间尺度(从分钟到年)上都可能发生剧烈的变化。如：2012年9月2日空间环境扰动事件影响出现了电子辐射带新结构，4.5MeV以上高能电子外辐射带在L*(磁赤道附近可近似理解为地心距离，单位为地球半径)＝3.5左右出现一个新的槽区，外辐射带L*＝3.5以内区域高能电子通量增强，L*＝3.5以外区域通量略降低，该结构维持了约4周，期间槽区和内辐射带高能电子分布未受影响。
内外辐射带之间槽区的高能电子通量也不会总是维持在低水平，保持一贯的安全。如：2003年的一次大磁暴事件之后，高能电子槽区被填平，高能电子通量甚至超过了外辐射带高能电子最高通量。
不同能量的电子通量随能量升高而降低，较高能量的电子主要分布在外辐射带区域，MeV的电子内辐射带分布极大减少；相同能量的电子通量太阳极大年高，而太阳极小年低，太阳活动变化对较低能电子的影响大于较高能量的电子，太阳活动极大年时，外辐射带的内边界向外扩展，而内辐射带受太阳活动的影响较小。外辐射带电子表现出频繁的起伏变化，强的扰动会导致高能电子暴事件(killer电子暴)，即外辐射带中能量约为数百keV到MeV的相对论电子通量的剧烈增强。研究发现几十到几百keV低能电子与MeV高能电子通量有较强的相关性，低能电子增强通常会先于高能电子。
电子辐射带动态变化是电子注入和损失相互竞争的结果，与其所经历的加速与损失过程密切相关。外辐射带相对论电子的加速机制主要分为相内的径向扩散和局地的波粒相互作用。亚暴期间几十-几百keV的电子注入到内磁层，这些电子作为种子随后通过增强的径向扩散、波粒共振加速到更高的能量。电子的损失机制则主要包括Dst效应，磁层顶阴影效应和波粒相互作用导致的投掷角散射。
辐射带电子通量的剧烈变化会对在轨航天器和卫星的正常工作和运行造成威胁，能量小于100keV的电子，由于其能量较低不能穿越飞行器表面而与飞行器相互作用，在飞行器表面积累电荷，造成表面充电。能量处于0.1～10MeV的高能电子，能穿透航天器的屏蔽层，沉积在电介质内，造成航天器内部充电，内部充电严重时会产生静电放电，从而造成航天器某些部件的损坏，最终导致航天器完全失效，带来严重经济损失和社会影响。美国地球物理中心数据库提供的资料表明，从1989年3月7日到31日25天时间内发生的46例卫星异常中有34例被确认是由于深层充电造成的。因此开展深入的粒子传输、加速和损失的研究，揭示外辐射带相对论电子动态变化过程不仅是空间物理学的研究热点,同时也是空间天气学的一个重要课题。增进对相对论电子在辐射带中的加速和损失机制的理解和认识，有助于进一步提升预报灾害性空间天气的能力。
随着我国航天技术的发展和军事需求的推动，军用卫星的数量在不断增加，星上电子设备集成电路的集成度越来越高，加之对高能电子辐射环境敏感的大规模新材料的使用，使得军用卫星因高能电子辐射效应引起的故障和异常次数显著增加。特别是导航、通讯卫星等所在的中高轨道区域的辐射环境恶劣，且已获得资料较少，再加上新器件、新技术的应用，使我国卫星的环境和效应问题突出，成为制约我国卫星长寿命高可靠的重要因素之一。最新探测结果表明辐射带的动态分布演化远超我们的了解，一些大尺度动态结构和现象正在陆续被发现。这些新的发现要求我们重新调整抗辐射加固的思路，充分认识辐射带高能电子的辐射危害，研究高能电子增强的物理机制，掌握高能电子事件发生、发展的特征规律，是应对高能电子辐射效应的基础。为了服务于卫星的运行安全，进行空间环境监测预报预警，以及针对性的开展抗辐射加固设计都需要对空间中的电子进行测量。
1、卫星的在轨管控需要中高能电子测量
卫星在轨运行中，在轨管控是是保障卫星安全的重要工作。因此灾害性事件的现报和警报是在轨管控重要的输入条件。
电子通量急剧变化会通过充放电效应对卫星的飞行安全造成威胁，因此通过电子通量强度及变化趋势的现报和警报可以为卫星动作时机的选择等在轨管控程序提供依据。
2、卫星的故障分析定位和防护设计需要电子数据
引起卫星故障的充放电效应的研究和定位分析需要电子测量数据。卫星飞行时将遭遇持续电子辐射影响，由这些粒子引起的卫星的充放电效应在中高轨比较突出。国外统计分析显示，在中高轨道卫星的充放电效应是导致卫星失效和故障的主要原因，导致的故障达到一半以上。
统计国内GEO轨道自2013年至2016年可获得的271起疑似充放电导致的故障现象与电子环境关联分析发现，疑似充放电现与背景电子存在显著的关联，在背景电子较强的时段，疑似充放电故障频次有所增多，在背景电子通量弱的时段，疑似充放点故障出现的频次明显减少。验证了电子对器件的充放电影响。因此需要中高能电子的能谱、通量以及空间和时间分布监测，可以对卫星的故障定位和分析提供重要的支持，并以此开展针对性的改进措施。要解决我国航天器在轨的环境故障问题，需要从环境-效应-防护研究价值体系系统地解决。首先要掌握辐射环境和效应的机理机制和特征规律，开展针对性地工程设计，并进行地面试验验证和在轨验证，最终形成设计规范、防护设计评估规范。从而确保航天器高可靠长寿命地在轨运行。高能电子的测量是这一链条中的重要环节。
3、空间环境的预报需要电子数据
同地面上的天气预报一样，空间环境或空间天气的预报也是保障卫星安全的重要因素。由于理论研究的局限，目前对辐射带高能电子加速、传输和耗散机制有不同的见解，高能电子暴研究中有很多问题悬而未决，而与高能电子暴相关的空间环境参量又很多，究竟哪些参量或参量的组合导致的高能电子暴的发生。因此需要获取更多具有丰富探测信息的电子数据服务环境预报。
4、未来的卫星任务需要资源消耗更小，功能更加丰富的粒子探测载荷。
随着我国空间技术和航天事业的快速发展，大量的军事和科学卫星任务也正在计划中，尤其是未来的微纳卫星技术，这对搭载在卫星上的载荷提出了更高的要求，需要在发展更新的粒子探测技术，在卫星提供的有限的资源条件下实现功能更加强大的粒子探测载荷。因此使用一台仪器实现多个方向、中高能电子的同时观测也是未来的发展需求和方向。
通过上面的分析可以看到，卫星的安全运行，在轨管控和故障分析等工程应用对空间中高能电子的测量均提出了需求，通过电子的测量可提供重要的高能电子爆情况，空间分布情况等信息，服务于卫星工程应用。
目前还没有一台仪器能够实现中能和高能电子的同时测量，并实现多个方向的观测。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出了一种中高能粒子探测器，其外部结构为电子学箱和固定在其顶面上的棱台，在棱台顶面及两个侧面上分别设置一个探头，在电子学箱内设置对三个探头的电信号进行处理的电子学部分，三个探头共用一个电子学部分；
三个探头按照扇形排列，每个方向的总张角为60°×60°，3个探头可测量180×60°的视场；每个探头包括3×3共9个子测量视场，每个子视场20°×20°；可形成27个测量视场，包括9个投掷角和18个方位角；
探头包括入射孔、2片二维面阵硅半导体传感器A和B、1片单像素硅半导体传感器C、一组闪烁体探测器D及光电探测器E；
入射孔和2片二维面阵硅半导体传感器A和B形成基于小孔成像法的中能电子探测器；入射孔、2片二维面阵硅半导体传感器A和B、1片单像素硅半导体传感器C、一组闪烁体探测器D及光电探测器E联合形成基于望远镜法的高能电子探测器。
作为上述装置的一种改进，所述入射孔的面积为2mm×2mm；每组半导体传感器A和B为两片厚度为500μm，总灵敏面积为9mm×9mm的多灵敏区硅半导体传感器；包括3×3共9个灵敏区，每个灵敏区面积3×3mm；半导体探测器C为面积为20mm×20mm的单像素硅半导体；传感器闪烁体探测器D为边长为20mm，厚度为10mm的长方体，用于阻止7MeV以下的高能电子；光电器件E是灵敏区面积为18mm×18mm的光收集探测器光二极管。
作为上述装置的一种改进，所述电子学部分包括：前端探头半导体传感器信号读出单元、闪烁体传感器信号读出单元和FPGA数管系统；
所述前端探头半导体传感器信号读出单元，用于读出三片半导体传感器A，B和C的电荷信号，
所述闪烁体探测器信号读出单元，用于读出光电探测器E对闪烁体探测器D进行光电转换后的光电流信号；
所述FPGA数管系统，用于实现半导体传感器的读出配置及数据采样控制、闪烁探测器信号采样控制，科学数据缓存及转发，工程参数采集，数据注入解析、执行及转发，以及与卫星通信的控制。
作为上述装置的一种改进，所述前端探头半导体传感器信号读出单元为一片多通道信号读出专用集成ASIC芯片；ASIC芯片内部集成电荷灵敏放大器、滤波成形放大电路、峰保电路组成的64通道传感器信号读出前端电子学，64通道峰保信号采样ADC转换电路及采样结果读出控制后端接口电路；
ASIC芯片内部寄存器通过FPGA数管系统进行设置，配置信息包括信号极性、增益、成形时间、触发阈值以及芯片内部各模块工作偏置电压等参数；配置后的ASIC芯片进入正常工作状态后，将半导体传感器输入的电荷信号转换成可采样的电压脉冲信号，并在FPGA数管系统控制下进行ADC采样。
作为上述装置的一种改进，所述闪烁体传感器信号读出单元包括：电流灵敏放大器和高速采样电路；
所述电流灵敏放大器，用于读出光电探测器E的光电流信号，读出电压Vf为：
Figure GDA0003359076700000051
其中，Q(t)为t时刻收集的电荷；τf＝RfCf，电荷反馈电容Cf＝0.25pF；Id为硅光二极管漏电流，由漏电流方向及收集电荷极性决定前放输出负偏压电平和负脉冲信号；直流耦合输出比交流耦合多一个直流偏压项Id×Rf，Rf为电阻；
所述高速采样电路，用于对读出的光电流信号进行采样。
作为上述装置的一种改进，FPGA数管系统包括：半导体传感器ASCI信号采样单元、闪烁体探测器ADC信号采样单元、工程参数采集单元、科学数据及阈值存储单元、接收指令并解析执行单元、信号采样数据处理单元、RS422数据收发单元、LVDS数据发送单元、科学数据打包及发送单元；
所述半导体传感器ASCI信号采样单元，用于控制ASIC芯片实现半导体传感器信号读出；
所述闪烁体探测器ADC信号采样单元：用于控制闪烁体传感器信号读出单元的高速采样电路的采样；
所述工程参数采集单元，用于控制工程参数的采集，包括探头信号噪声和电压；
所述科学数据及阈值存储单元，用于将科学数据存储在内部RAM中，将阈值信息存储在外部MRAM中；
所述接收指令并解析执行单元，用于对数据管理逻辑发送的指令进行解析，执行相应操作；
所述信号采样数据处理单元，用于对采集到的粒子数据进行寻峰、反符合处理；
所述RS422数据收发单元，用于通过RS422接收数据管理逻辑发送的指令以及通过RS422向数据管理逻辑发送科学数据包；
所述科学数据包打包与发送，用于将科学数据和工程参数按照数据包格式打包发送至卫星。
作为上述装置的一种改进，所述电子学部分还包括：电源系统，包括：电源转换单元和探头供电单元；
所述电源转换单元，用于将卫星提供的一次电源转换为±12V、±5V和3.3V二次电源供内部电路使用；
所述探头供电单元，用于将12V转换为两路探头的探测器工作高压。
本发明的优势在于：
1、本发明提出的中高能电子探测器是一台具有同时对多个方向中能电子和高能电子进行测量的空间粒子探测载荷；同时具备了多方向测量和中高能电子测量能力是仪器的典型特点；
2、本发明的中高能电子探测器体积小、重量轻、功耗低，性能指标优越，可广泛装备在装备星上，组网获取空间中高能电子辐射环境数据，为环境建模及卫星在轨保障提供数据支持；
3、本发明的中高能电子探测器适用性好，可适配大型业务卫星，也能满足维纳卫星装机要求；
4、本发明的中高能电子探测器计划应用于我国新一代气象卫星，开展空间中高能电子能谱精准测量。
附图说明
图1为本发明的中高能电子探测器整体结构图；
图2为本发明的中高能电子探测器的子探头示意图；
图3为本发明的探头结构示意图；
图4为本发明的中高能电子探测器的探头测量视场；
图5为本发明的中高能电子探测器的电子学部分示意图；
图6为本发明的闪烁体探测器信号读出单元结构示意图；
图7为本发明的电子学部分原理框图；
图8为本发明的FPGA数管系统的框图；
图9为本发明的一次电源电接口电路示意图。
具体实施方式
本发明提出了一种中高能粒子探测器，包括：把中高能电子辐射转换为电信号的探头部分，以及后端对电信号进行处理传输的电子学部分。探头部分主要是电子探测器及其支撑结构。多方向、宽能谱的中高能电子探测仪器要求使用的电子探测器数量较多，无形中会增大了探头部分体积。随着探测器数量增多，对探测器信号进行处理的电路也增加，也可能增大了仪器的体积需求。因此，对探头和探头读出电路进行集成化设计是解决仪器小型化的关键。
1、探头的集成化技术
探头的集成化设计中，首先是尽量减少电子探测器的数量，这通过三种途径来实现：一是采用了像素型探测器来测量电子的方向，每片探测器包含了9个像素，可获得9个方向的电子信息。通过3片像素型探测器获得不少于9个方向，视场角大于20°×180°°的电子。二是电子探测器的共用。中能电子探测器(A/B)同时作为高能电子探测望远镜系统的一部分，用于和望远镜后端探测器一起测量高能电子的能量和方向；D探测器设置在三个方向探头的中心，可以对27个探测方向的电子响应，实现了共用。三是高能电子探测中采用了闪烁体探测器D，闪烁体能够做得很厚，可以阻止更高能量的电子，一个闪烁体可以达到十几片硅探测器的阻止能力。并且，闪烁体探测器D为发射光信号的探测器，在仪器的固定位置预留光收集窗口，其它表面使用涂层对光信号进行反射，在收集窗口处使用光收集器件光二极管PD(Photo Dioide)。PD有较好的信噪比，较好的能量线性度；抗外界环境干扰能力强，尤其可在强磁场环境下正常工作；无需高压电源，低于100V的工作电压；产品更为紧凑小巧，便于简化系统设计等优点。
在这里需要说明的是使用多个灵敏区的硅半导体探测器也正好解决了上文提出的高通量和高动态范围的问题。由于A和B的灵敏面积较小，探测效率也低，几何因子也小只有0.0015cm2sr左右，适合于高通量的中能电子测量。ABCD组合起来对高能电子进行测量，几何因子约为0.012cm2sr左右，适合于高能电子的测量。此外将中能和高能电子分开测量也正好将原本的高动态范围分成了更容易实现的两个部分，仪器也更容易实现。
2、探头读出电路的集成化技术
通过对探头的集成化设计，减少了多方向、宽能谱中高能探测所需的探测器数量，然而使用了3片像素探测器，探头输出信号共有32路(A探测器27路，B探测器3路，C探测器1路，E探测器1路)，传统的电子学设计采用独立的电子器件来对每一路信号进行处理，尽管在功能上可以实现设计的需求，但已不能满足仪器小型化的要求。
探测读出电路采用专用集成电路ASIC，以实现仪器的小型化。ASIC芯片内部集成了前置放大、主放、峰保等功能，可以同时对多路信号进行处理，并且体积仅为一个硬币大小，可以显著减少探头读出电路所需的空间。
目前已有航天用的ASIC芯片。然而，这些ASIC在应用于本项目的多探测器系统是存在一些不足。一是动态范围无法满足同时测量中能和高能电子的要求。二是这些ASIC不能安装在像素型探测器A附近，不利于降低噪声。目前的ASIC把探测器产生的信号处理后输出为高频模数转换信号，设计中通常把这些ASIC芯片靠近信号处理单元(FPGA或CPU)，以减少信号的干扰和失真。然而，本项目中高能电子探测测量的能量低至30keV，需要把含前放电路的ASIC尽可能靠近探头外围测量中能电子的像素型探测器A，以减少探测器输出的极弱信号受到干扰。
本项目需要使用新的探头信号读出ASIC芯片，芯片具有前置放大、主放和峰保功能，每个芯片可同时对各路探测器信号进行处理，然后把放大后的模拟信号传输至后端的数据采集系统。这样的ASIC芯片设计可以使减少探测器信号受到干扰，实现对30keV能量电子的测量，并提高仪器的能量分辨率。通过采用ASIC对探头读出信号的集成化设计，进一步减小仪器的体积。
3、数据采集系统的小型化技术
探测器信号经过探头信号读出ASIC芯片后，输出为放大后的32路模拟信号，这些模拟信号需要转换为数字信号，这部分由数据采集系统完成。传统的数据采集需要使用多个模数转换ADC芯片来对32路模拟信号采集，不利于仪器的小型化。
本发明设计可同时对多路模拟信号进行处理的数据采集ASIC芯片，该芯片在后端FPGA的控制下，把探头信号读出ASIC芯片输出的模拟信号转换为数字信号，然后传输给信号处理单元，从而实现数据采集系统的小型化设计。
4、中高能电子综合探测载荷原理样机研制
目前对中能电子的主要测量方法为小孔成像法，望远镜法和磁偏转法，由于磁偏转法的测量方向有限，因此不考虑使用。本发明使用小孔成像和望远镜测量结合的形式，结合两者的优点实现测量功能的最优化利用。
下面结合附图对本发明的中高能电子探测器进行详细说明。
本发明提出的中高能电子探测器是一台具有同时对多个方向中能电子和高能电子进行测量的空间粒子探测载荷。同时具备了多方向测量和中高能电子测量能力是仪器的典型特点。中高能电子探测器的整机结构如图1所示。外部结构为电子学箱和固定在其顶面上的棱台，在棱台顶面及两个侧面上分别设置一个探头。
中高能电子探测器包括3个方向测量探头，3个探头分布在一个梯形截面的装置上，按照扇形排列，如图2所示。每个方向的总张角为60°×60°，3个探头可测量180×60°的视场。
其中每个探头又包括3×3共9个子测量视场，每个子视场20°×20°。因此总计可形成27个测量视场。不仅测量到了9个投掷角，还测量到了18个方位角。
视场测量原理：中能电子探测系统中入射孔和A/B探测器的每个灵敏区形成固定的测量视场或测量方向。高能电子探测系统中利用中能电子形成的视场，只是在后面增加新的探测器进行高能电子测量，如图3所示。
如图4所示，探头包括入射孔、2片二维面阵硅半导体传感器A/B、1片单像素硅半导体传感器C、一组闪烁体探测器D及光电探测器E；
A1/B1、A2/B2和A3/B3三组探测器呈扇形分布，每组上方开一个小孔作为入射孔，入射口的面积为2mm×2mm。电子从这些入射孔分别入射到电子探测系统(A/B/C/D/E)，因此在每个方向上可以认为是一个独立的望远镜测量系统。其中入射孔和具有多个灵敏区的A/B探测器可以认为是基于小孔成像法的中能电子探测系统。如果同时使用A/B/C/D/E则可以认为是基于望远镜方法的高能电子探测系统。
每组A/B为两片厚度为500μm，总灵敏面积为9mm×9mm的多灵敏区硅半导体传感器。共包括3×3共9个灵敏区，每个灵敏区面积3×3mm。半导体传感器C为面积为20mm×20mm的硅半导体传感器，闪烁体探测器D为边长为20mm，厚度为10mm的长方体，用于阻止7MeV以下的高能电子。在探测器D后面还有电探测器E，它是灵敏区面积为18mm×18mm的光收集探测器光二极管PD。
A和B的每个灵敏区面积只有9mm2，与开口形成的几何因子较小，可以用于测量空间中通量很高的中能电子，它们组成的测量系统相对独立不会受到其它测量的影响。高能电子则需要使用A，B，C，D和E探测器联合进行测量，由于这些探测器的总灵敏区面积较大，几何因子也较大，适用于通量较低的高能电子测量，使用闪烁体E探测器可以阻止住更高能量的电子，适合于高能电子的测量，E探测器的功能用于收集闪烁体探测器D发出的光信号。
中高能电子探测器电子学部分如图5所示，由前端探头半导体传感器信号读出单元、闪烁体传感器信号读出单元、FPGA数管系统及电源管理系统四部分组成。
前端探头半导体传感器信号读出单元
两组3*3的二维面阵硅半导体传感器A/B及C单像素硅半导体传感器共用一片多通道信号读出专用集成电路(ASIC)进行读出。
ASIC内部集成由电荷灵敏放大器、滤波成形放大电路、峰保电路组成的64通道传感器信号读出前端电子学，64通道峰保信号采样ADC转换电路及采样结果读出控制后端接口电路组成，具有集成度高、噪声低、体积功耗小等优点，可以满足两片位置灵敏探测器及单像素硅半导体探测器共19路信号读出需求。
ASIC芯片内部寄存器通过FPGA进行设置，配置信息包括信号极性、增益、成形时间、触发阈值以及芯片内部各模块工作偏置电压等参数。配置后的ASIC芯片进入正常工作状态后，可将半导体传感器输入的电荷信号转换成可采样的电压脉冲信号，并在FPGA控制下进行ADC采样，采样结束后由ADC控制后端接口电路进行采样结果读出。
三组探头前端半导体传感器信号读出电路独立设计，减小探头间信号串扰影响测量精度。
闪烁体传感器信号读出单元
如图6所示，闪烁体探测器D采用光电探测器E进行光电转换，转换的光电流信号通过电流灵敏放大器进行读出。光电流转换电路输出放大器读出电压为：
Figure GDA0003359076700000101
其中，τf＝RfCf，Id为硅光二极管漏电流，由漏电流方向及收集电荷极性决定前放输出负偏压电平，负脉冲信号。直流耦合输出比交流耦合多一个直流偏压项Id×Rf，在电路工作点建立后，只需考虑交流小信号传递函数。
前端放大器采用AMPTEK公司的A250F，前端放大器电荷增益4mV/fC，是目前所能选用883B等级以上增益最大的前端放大器。其电荷反馈电容Cf＝0.25pF，每fC电荷注入能产生4mV的脉冲电压信号输出。
FPGA数管系统
中高能电子探测器FPGA数据管理系统主要实现前端探头ASIC配置及数据采样控制、闪烁探测器信号采样控制，科学数据缓存、转发功能，工程参数采集功能，数据注入解析、执行及转发功能，与卫星通信控制等功能。如图7所示。
中高能电子探测器采用FPGA进行控制，FPGA配置项共分为探头信号采样、工程参数采集、科学数据及阈值存储、接收指令并解析执行、信号采样数据处理功能、RS422数据收发、LVDS数据发送、科学数据打包及发送等9个功能子模块，如图8所示。
半导体传感器ASCI信号采样：控制ASIC芯片实现半导体传感器信号读出；
闪烁体探测器ADC信号采样：控制RHF1201采集闪烁体探测器输出高能电子信号采样。
信号采样数据处理功能：对采集到的粒子数据进行寻峰、反符合等处理。
接收指令并解析执行：对数据管理逻辑发送的指令进行解析，执行相应操作。
科学数据包打包与发送：将科学数据和工程参数按照数据包格式打包发送至数据管理模块。
工程参数采样：控制B128S102W进行工程参数的采集，包括传感器信号噪声，12V、5V、3.3V、1.5V电压等。
科学数据及阈值存储：科学数据存储在内部RAM中，阈值信息存储在外部MRAM中。
RS422数据收发：通过RS422接收数据管理逻辑发送的指令以及通过RS422向数据管理逻辑发送科学数据包。
中高能电子探测器FPGA逻辑选用772所BQR2V3000-SRAM型FPGA进行设计，软件代码约8000行，FPGA资源占用率不超80％，满足降额要求。
FPGA开发环境选用XILINX公司兼容的ISE9.2开发环境进行设计及仿真，同时ISE9.2支持XILINX公司三模冗余工具TMR9.2，方便后期代码进行三模冗余设计，提高系统可靠性。
电源管理系统
卫星给单机供电电压为28V±3V，功耗≤3W。单机采用DCDC将一次电源转换为±12V、±5V、3.3V等二次电源共内部电路使用。如图9所示。
电源系统还实现12V转换为传感器工作高压。由于二维面阵半导体传感器和单像素半导体传感器厚度不同，其工作电压不同，因此电源系统需要输出两路高压。
机械接口设计
本项目针对中能电子-高能电子探头进行一体化设计，高能电子探测复用中能电子探测位置灵敏探测器，实现更高的角分辨率。传感器单元安装在梯形台顶面及两个侧面上，传感器的前放电路放置在结构的后部，由统一的电连接器输出。
电接口设计
中高能电子探测器采用一次电源电压28.0±3.0V，纹波≤450mV，总功耗≤3W。为了防止浪涌过大，在电源输入端采用浪涌抑制电路，一次电源输入后接口电路如图9所示。
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)

1.一种中高能电子探测器，其特征在于，其外部结构为电子学箱和固定在其顶面上的棱台，在棱台顶面及两个侧面上分别设置一个探头，在电子学箱内设置对三个探头的电信号进行处理的电子学部分，三个探头共用一个电子学部分；
三个探头按照扇形排列，每个方向的总张角为60°×60°，3个探头可测量180×60°的视场；每个探头包括3×3共9个子测量视场，每个子视场20°×20°；可形成27个测量视场，包括9个投掷角和18个方位角；
探头包括入射孔、2片二维面阵硅半导体传感器(A和B)、1片单像素硅半导体传感器(C)、一组闪烁体探测器(D)及光电探测器(E)；
入射孔和2片二维面阵硅半导体传感器(A和B)形成基于小孔成像法的中能电子探测器；入射孔、2片二维面阵硅半导体传感器(A和B)、1片单像素硅半导体传感器(C)、一组闪烁体探测器(D)及光电探测器(E)联合形成基于望远镜法的高能电子探测器；
所述入射孔的面积为2mm×2mm；每组2片二维面阵硅半导体传感器(A和B)为两片厚度为500μm，总灵敏面积为9mm×9mm的多灵敏区硅半导体传感器；包括3×3共9个灵敏区，每个灵敏区面积3×3mm；1片单像素硅半导体探测器(C)为面积为20mm×20mm的单像素硅半导体；传感器闪烁体探测器(D)为边长为20mm，厚度为10mm的长方体，用于阻止7MeV以下的高能电子；光电器件(E)是灵敏区面积为18mm×18mm的光收集探测器光二极管。
2.根据权利要求1所述的中高能电子探测器，其特征在于，所述电子学部分包括：前端探头半导体传感器信号读出单元、闪烁体传感器信号读出单元和FPGA数管系统；
所述前端探头半导体传感器信号读出单元，用于读出三片半导体传感器(A，B和C)的电荷信号，
所述闪烁体探测器信号读出单元，用于读出光电探测器(E)对闪烁体探测器(D)进行光电转换后的光电流信号；
所述FPGA数管系统，用于实现半导体传感器的读出配置及数据采样控制、闪烁探测器信号采样控制，科学数据缓存及转发，工程参数采集，数据注入解析、执行及转发，以及与卫星通信的控制。
3.根据权利要求2所述的中高能电子探测器，其特征在于，所述前端探头半导体传感器信号读出单元为一片多通道信号读出专用集成ASIC芯片；ASIC芯片内部集成电荷灵敏放大器、滤波成形放大电路、峰保电路组成的64通道传感器信号读出前端电子学，64通道峰保信号采样ADC转换电路及采样结果读出控制后端接口电路；
ASIC芯片内部寄存器通过FPGA数管系统进行设置，配置信息包括信号极性、增益、成形时间、触发阈值以及芯片内部各模块工作偏置电压；配置后的ASIC芯片进入正常工作状态后，将半导体传感器输入的电荷信号转换成可采样的电压脉冲信号，并在FPGA数管系统控制下进行ADC采样。
4.根据权利要求3所述的中高能电子探测器，其特征在于，所述闪烁体传感器信号读出单元包括：电流灵敏放大器和高速采样电路；
所述电流灵敏放大器，用于读出光电探测器E的光电流信号，读出电压Vf为：
Figure FDA0003339806200000021
其中，Q(t)为t时刻收集的电荷；τf＝RfCf，电荷反馈电容Cf＝0.25pF；Id为硅光二极管漏电流，由漏电流方向及收集电荷极性决定前放输出负偏压电平和负脉冲信号；直流耦合输出比交流耦合多一个直流偏压项Id×Rf，Rf为电阻；
所述高速采样电路，用于对读出的光电流信号进行采样。
5.根据权利要求4所述的中高能电子探测器，其特征在于，FPGA数管系统包括：半导体传感器ASCI信号采样单元、闪烁体探测器ADC信号采样单元、工程参数采集单元、科学数据及阈值存储单元、接收指令并解析执行单元、信号采样数据处理单元、RS422数据收发单元、LVDS数据发送单元、科学数据打包及发送单元；
所述半导体传感器ASCI信号采样单元，用于控制ASIC芯片实现半导体传感器信号读出；
所述闪烁体探测器ADC信号采样单元：用于控制闪烁体传感器信号读出单元的高速采样电路的采样；
所述工程参数采集单元，用于控制工程参数的采集，包括探头信号噪声和电压；
所述科学数据及阈值存储单元，用于将科学数据存储在内部RAM中，将阈值信息存储在外部MRAM中；
所述接收指令并解析执行单元，用于对数据管理逻辑发送的指令进行解析，执行相应操作；
所述信号采样数据处理单元，用于对采集到的粒子数据进行寻峰、反符合处理；
所述RS422数据收发单元，用于通过RS422接收数据管理逻辑发送的指令以及通过RS422向数据管理逻辑发送科学数据包；
所述科学数据包打包与发送，用于将科学数据和工程参数按照数据包格式打包发送至卫星。
6.根据权利要求1所述的中高能电子探测器，其特征在于，所述电子学部分还包括：电源系统，包括：电源转换单元和探头供电单元；
所述电源转换单元，用于将卫星提供的一次电源转换为±12V、±5V和3.3V二次电源供内部电路使用；
所述探头供电单元，用于将12V转换为两路探头的探测器工作高压。
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