CN113514869B - 行星际能量粒子探头、探测系统及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种行星际能量粒子探头、探测系统及探测方法，行星际能量粒子探头包括两套望远镜系统，望远镜系统包括两个望远镜单元，每一个望远镜单元均具有开口的第一端及第二端，望远镜单元还包括多层并排设置的半导体探测器。望远镜单元的第一端设置有吸收箔，第二端设置有磁偏转系统，半导体探测器设置在吸收箔和磁偏转系统之间，从而在望远镜单元的两端分别探测不同能量的中高能电子、质子以及中高能离子。行星际能量粒子探测系统采用本发明所述的行星际能量粒子探头，并且进行精细的能档划分，以实现在行星际空间中对能量电子、质子和氨离子的高精度实地探测，为研究太阳系高能粒子的起源和加速提供至关重要的观测数据。
Description
技术领域
本申请涉及空间粒子观测领域，具体涉及行星际能量粒子探头、探测系统及探测方法。
背景技术
太阳系高能粒子的起源和加速一直是空间物理学的重要前沿课题之一。在行星际空间中观测到的太阳系高能粒子主要分为两类：一类是持续存在的“太阳风高能粒子”，一类是间歇性的“太阳高能粒子事件”。对于太阳高能粒子事件，人们通常认为它起源于太阳爆发活动，但是还不清楚其粒子加速过程的物理机制和本质。对于太阳风高能粒子，由于以往的粒子探测器的灵敏度局限性，导致其观测数据有限，所以人们对这类粒子的起源和加速机制还知之甚少。
太阳是一个优秀的天然粒子加速器，在各种瞬变过程中，特别是太阳耀斑和日冕物质抛射过程中，它能够把离子从几十keV加速到高达几十GeV，把电子从几十eV加速到高达数百MeV(Lin，2005)。当加速区域与开放磁力线相连时，被加速的带电粒子可以沿着开放磁力线逃逸到行星际空间中，被卫星上的粒子探测器观测到：这些带电粒子的能量远高于热等离子体能量，其通量具有明显的速度色散特征(即速度快的粒子比速度慢的粒子早到达卫星)，这种现象被称为太阳高能粒子事件。这些粒子携带着高能粒子的起源和加速过程的信息。在1AU附近观测到的太阳高能粒子事件一般分为两类：缓变型和脉冲型。
最近很多研究表明缓变型太阳高能粒子事件与日冕物质抛射的关联比早期认为的要复杂很多。此外，太阳高能粒子事件的粒子能谱通常为双幂律谱，现有的粒子加速理论和模型还无法解释这种双幂律谱的产生。因此，目前我们还不清楚缓变型太阳高能粒子事件的具体加速区域、机制和过程。行星际空间中的局地激波加速现象可为解决这些重大科学问题提过一个突破口，但是现有的行星际空间能量粒子探测器由于其能档分辨率、角度分辨率和时间分辨率的局限性，还无法观测到局地激波粒子加速过程的精细时空特征。因此，为了探索缓变型太阳高能粒子的起源和加速这一重大科学问题，我们需要在行星际空间中对能量粒子进行高精度的实地观测。
脉冲型太阳高能粒子事件(也称为“富含电子和3He”的太阳高能粒子事件)主要由～1-100keV电子组成，伴随着低强度的能量为～MeV/nucleon的离子(图4)，而且富含He离子、重原子核(例如Fe的丰度增加～10倍)和>200amu的超重原子核，离子电离态高。这类事件是在太阳上发生的最普遍的粒子加速现象。此外，最近的研究发现在脉冲型太阳高能粒子事件中，低能电子、高能电子和富含He的离子通常不是同时在太阳上加速和释放的：低能电子先被加速和释放，这些电子通过与日冕大气和太阳风等离子的相互作用产生Ⅲ型射电暴；高能电子则是在Ⅲ型射电暴开始之后约10-30分钟被加速和释放；富含3He的离子是在Ⅲ型射电暴开始之后约一个小时被加速和释放。
以往的研究提出脉冲型太阳高能粒子件是在脉冲型太阳耀斑中被加速的。然而，最近发现在1AU附近观测到的“富含氨3”的太阳高能电子事件中，只有三分之一与软X射线耀斑相关，而～60％与源自日面西侧的日冕物质抛射相关。很多观测研究还显示这些太阳能量粒子可能与太阳喷流相关。因此，脉冲型太阳高能粒子事件的起源和加速还不清楚。这很可能是因为脉冲型太阳高能粒子事件绝大多数的能量范围窄，粒子通量小，持续时间非常短(〈几分钟)，沿磁力线运动的束流角宽度小，所以现有的行星际空间能量粒子探测器由于其能档分辨率、时间分辨率和角度分辨率的局限性，还不能探测到这些小事件。因此，为了攻克脉冲型太阳高能粒子如何起源和加速这一重大科学问题，也需要在行星际空间中对能量粒子进行高精度的实地观测。
太阳风高能粒子的通量较低。由于以往的粒子探测器的灵敏度相对有限，必须进行长时间的数据积累才能获得足够多的粒子计数来实现对太阳风高能粒子的有效观测。有限的探测器灵敏度限制了对太阳风高能粒子的精细时空特征的获知。因此，人们对这类在行星际空间中更普遍存在的高能粒子现象的起源和加速还知之甚少。目前我国在行星际能量粒子探测器领域尚属空白。因此，开发高精度、低噪声的能量粒子仪器是攻克太阳系高能粒子的起源和加速这一重要前沿科学课题，以及填补我国在行星际空间能量粒子探测器领域空白的迫切需求。
发明内容
针对行星际空间能量粒子探测方面的上述不足，本发明提供一种行星际能量粒子探头、探测系统及探测方法。本发明的行星际能量粒子探头包括两套望远镜系统，望远镜系统包括两个望远镜单元，每一个望远镜单元均具有开口的第一端及第二端，望远镜单元还包括多层并排设置的半导体探测器。望远镜单元的第一端设置有吸收箔，第二端设置有磁偏转系统，半导体探测器设置在吸收箔和磁偏转系统之间，从而在望远镜单元的两端分别探测不同能量的中高能电子、质子以及中高能粒子。本发明的行星际能量粒子探头以及包含该探头的探测系统和探测方法能够区分电子、质子和粒子，实现精细能档观测，获得高能档分辨率。
根据本发明的第一方面，提供一种行星际能量粒子探头，其包括：安装基座以及安装在所述安装基座上的两套望远镜系统，其中：
所述望远镜系统包括两个望远镜单元以及用于支撑并固定所述望远镜单元的固定架，两个所述望远镜单元的轴线相互平行且垂直于所述固定架的平面，在所述安装基座上，两套望远镜系统中的所述望远镜单元的轴线相互垂直；
所述望远镜单元具有第一端及第二端，并且所述第一端和所述第二端均为开口，在所述固定架上，两个所述望远镜单元中的第一望远镜单元的第一端与所述第二望远镜单元的第二端位于所述固定架的同侧，所述第一望远镜单元的第二端与所述第二望远镜单元的第一端位于所述固定架的另一侧；
所述望远镜单元还包括多层并排设置的半导体探测器。
可选地，每一层所述半导体探测器均包括多个像素。
可选地，多层所述半导体探测器包括并排设置的4层半导体探测器，相邻半导体探测器之间的间距小于300μm。
可选地，每一层所述半导体探测器均包括5个像素，所述5个像素中的一个像素位于中间位置，其余像素环绕所述中间位置的像素设置。
可选地，所述望远镜单元还包括吸收箔以及磁偏转系统，其中，
所述吸收箔设置在所述望远镜单元的第一端，以阻挡能量低于400keV的质子，使得所述半导体探测器自所述望远镜单元的第一端探测中高能电子及中高能质子；
所述磁偏转系统设置在所述望远镜单元的第二端，以偏转能量低于400keV的电子，使得所述半导体探测器自所述望远镜单元的第二端探测中高能离子；
所述半导体探测器位于所述吸收箔和所述磁偏转系统之间。
可选地，所述行星际能量粒子探头探测的中高能电子的能量介于20keV～1MeV，所述中高能质子的能量介于25keV～12MeV，所述中高能离子的能量介于1.5MeV～10MeV。
可选地，所述吸收箔与靠近所述第一端的所述半导体探测器的间距小于0.5μm，所述磁偏转系统与靠近所述第二端的所述半导体探测器的间距介于5～20mm。
根据本发明的另一方面，提供了一种行星际能量粒子探测系统，该探测系统包括：
行星际能量粒子探头，所述行星际能量粒子探头为本发明提供的行星际能量粒子探头；
信号调理模块，与所述行星际能量粒子探头电连接，并将所述行星际能量粒子探头探测的入射粒子的能量信号放大并转换为入射粒子的能量和方向信息；
数据处理单元，与所述信号调理模块电连接，用于对所述信号调理模块输出的入射粒子的能量和方向信息进行处理。
可选地，信号调理模块包括两个信号调理单元，两个所述信号调理单元分别与所述行星际能量粒子探头中的两套望远镜系统连接。
可选地，所述行星际能量粒子探测系统还包括电源单元，所述电源单元包括低压电源和高压电源，所述低压电源为所述信号调理模块及所述数据处理单元供电，所述高压电源为所述行星际能量粒子探头供电。
可选地，所述行星际能量粒子探测系统还包括上位机，所述上位机与所述数据处理单元通信连接并向所述数据处理单元发送指令。
根据本发明的又一方面，提供了一种行星际能量粒子探测方法，其特征在于，包括如下步骤：
采用行星际能量粒子探头探测行星际空间的入射粒子，所述行星际能量粒子探头为本发明提供的行星际能量粒子探头；
将所述入射粒子的能量信号放大并转换为入射粒子的能量和方向信息；
根据入射粒子的能量和方向信息甄别出不同能量和不同方向的电子、质子及离子并对所述电子、质子及离子进行计数；
对所述电子、质子及离子的计数信息进行处理，完成数据打包。
可选地，根据入射粒子的能量和方向信息甄别出不同能量和不同方向的电子、质子及离子并对所述电子、质子及离子进行计数还包括如下步骤：
按照入射粒子的能谱的指数分布分别对入射粒子中的电子、质子和离子进行能档划分，将入射电子的能量划分为39个能档，将入射质子的能量划分为59个能档，将入射离子的能量划分为19个能档。
本发明的行星际能量粒子探头、探测系统及探测方法，至少具有如下有益效果：
本发明的行星际能量粒子探头包括两套望远镜系统，望远镜系统包括两个望远镜单元，每一个望远镜单元均具有开口的第一端及第二端，望远镜单元还包括多层并排设置的半导体探测器。望远镜单元的第一端设置有吸收箔，第二端设置有磁偏转系统，半导体探测器设置在吸收箔和磁偏转系统之间，从而在望远镜单元的两端分别探测不同能量的中高能电子、质子以及中高能粒子。
行星际能量粒子探测系统采用本发明所述的行星际能量粒子探头，并且进行精细的能档划分，以实现在行星际空间中对能量电子、质子和氨离子的高精度实地探测，例如本发明的探测系统能够测量能量从20keV到1MeV的电子、25keV到12MeV的质子和1.5MeV到10MeV的氦离子，总视场为180×90°，能档分辨率为△E/E<0.1，角度分辨率为<8°，时间分辨率为1秒(电子和质子)和10秒(氦离子)。在行星际空间中对能量电子、质子和氨离子的高精度实地探测能够为研究太阳系高能粒子的起源和加速提供至关重要的观测数据。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1显示为本发明实施例一提供的行星际能量粒子探头的结构示意图。
图2显示为图1中望远镜单元的俯视剖视示意图。
图3显示为图2中的半导体探测器的结构示意图。
图4显示为本发明实施例二提供的行星际能量粒子探测系统的功能模块框图。
图5显示为本发明实施例三提供的行星际能量粒子探测方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本实施例提供一种行星际能量粒子探头，如图1所示，本实施例提供的行星际能量粒子探头100包括安装基座101以及安装在所述安装基座101上的两套望远镜系统：第一望远镜系统1021和第二望远镜系统1022。在可选实施例中，上述安装基座101可以是行星际能量粒子探头的电源机箱。
每一个望远镜系统均包括两个望远镜单元以及用于支撑并固定望远镜单元的固定架，固定架的水平平面安装于安装基座101上面。如图1所示，第一望远镜系统1021包括固定架1021-1以及固定至该固定架1021-1上的第一望远镜单元1021-2和第二望远镜单元1021-3。第二望远镜系统1022包括固定架1022-1以及固定至该固定架1022-1上的第一望远镜单元1022-2和第二望远镜单元1022-3。在固定架上，第一望远镜单元和第二望远镜单元的轴线相互平行，且垂直于固定架的垂直平面安装于固定架上。
同样参照图1，第一望远镜系统1021和第二望远镜系统1022的固定架1021-1和1022-1的垂直平面相互垂直地安装在安装基座上，并且固定架1021-1和1022-1之间相互间隔。相应地，两个固定架上的望远镜单元的轴线同样相互垂直，即，第一望远镜系统1021的第二望远镜单元1021-3的轴线1021-30与第二望远镜系统1022的第二望远镜单元1022-3的轴线1022-30相互垂直且相交，同理，第一望远镜系统1021的第一望远镜单元1021-1的轴线(未示出)与第二望远镜系统1022的第一望远镜单元1022-2的轴线(未示出)相互垂直且相交。望远镜系统的安装方式能够实现近全向视场角的覆盖。
为了进一步说明望远镜单元在固定架上的安装方式，图2以第一望远镜系统1021为例示出了望远镜系统中望远镜单元的安装方式。如图2所示，每一个望远镜单元(第一望远镜单元1021-2及第二望远镜单元1021-3)均具有开口的第一端103就第二端104。在固定架上，第一望远镜单元1021-2的第一端103和第二望远镜单元1021-3的第二端104位于固定架1021-1的同侧，第一望远镜单元1021-2的第二端104和第二望远镜单元1021-3的第一端103位于固定架1021-1的另一侧。
同样参照图2，每一个望远镜单元中均设置有多层并排的半导体探测器105，半导体探测器设置在第一端103和第二端104之间的中间区域。在可选实施例中，如图3所示，每一个望远镜单元均包括4层并排的半导体探测器105，为了减小其他高能粒子可能造成的信号噪声，相邻的两层半导体探测器之间的间距尽可能小，在本实施例中，相邻的两层半导体探测器之间的间距小于300μm。每一层半导体探测器105均包括5个像素，即，第一像素1051、第二像素1052、第三像素1053、第四像素1054及第五像素1055，优选地，这5个像素为高灵敏度硅半导体探测器。该硅半导体探测器为小型(3mm*3mm)低电容探测器，其窗口死层只有能够探测能量低于2keV的电子，其能量阈值远低于静电硅半导体探测器的阈值，不低于20～30keV。在本实施例中，每一层半导体探测器包括固定壳1050，该固定壳1050优选为圆形的中空壳体，半导体探测器中的5个像素以中间设置一个，其余四个围绕中间的像素呈圆形分布并固定在中空壳体1050中。另外，半导体探测器105还设置有数据传输接口1056，以与外界数据处理单元进行数据交互。本实施例的半导体探测器采用上述4层×5像素的排列设计，能够获得小于8°的角分辨率。
仍然参照图2，在望远镜单元的第一端103，设置有吸收箔106，该吸收箔106位于半导体探测器105的外侧，用于阻挡能量低于400keV的质子，可选实施例中，该吸收箔为聚碳酸酯箔。该吸收箔与靠近所述第一端的所述半导体探测器的间距小于1μm，优选地，小于0.5μm，最优选地，吸收箔与半导体探测器紧密贴合。吸收箔使得自望远镜单元的第一端入射的高能粒子中能量低于400keV的质子以及其他离子被阻挡，由此半导体探测器则探测自望远镜单元的第一端入射的中高能(20keV到1MeV)电子及中高能(25keV到12MeV)质子。望远镜单元的第二端104靠近望远镜单元中间区域的位置设置有磁偏转系统107，该磁偏转系统107同样位于半导体探测器105的外侧，由此形成半导体探测器105位于吸收箔106和磁偏转系统之间的结构。磁偏转系统与靠近所述第二端的所述半导体探测器的间距是可调的，具体根据探测器大小，及磁铁的开口尺寸、厚度、磁场强度等参数综合确定，目的是最大化仪器的几何因子；在可选实施例中，磁偏转系统与靠近所述第二端的所述半导体探测器的间距介于5～20mm。在可选实施例中，该磁偏转系统可以是磁铁产生的磁偏转系统，其能够偏转能量低于400keV的电子，而不影响中高能离子，由此半导体探测器105能够探测自望远镜单元的第二端入射的中高能离子，在优选实施例中半导体探测器探测到的中高能离子为能量介于1.5MeV～10MeV的氦离子。本实施例半导体探测器及吸收箔和磁偏转系统的设计，使得望远镜系统能够分别探测不同类型的高能粒子，便于后续对不同粒子的计数和分类。
如上所述，本实施例的行星际能量粒子探头能够测量能量从20keV到1MeV的电子、25keV到12MeV的质子和1.5MeV到10MeV的氦离子，总视场为180×90°，角度分辨率为小于8°，时间分辨率为1秒(电子和质子)和10秒(氨离子)，实现不同带电粒子的精确探测。
实施例二
本实施例提供一种行星际能量粒子探测系统，如图4所示，行星际能量粒子探测系统包括行星际粒子探头，信号调理模块及数据处理单元。
本实施例中，行星际粒子探头为实施例一所述的行星际粒子探头，可参见实施例一的相关描述，在此不再详细描述。
参见图4，本实施例中，信号调理模块主要包括两个信号调理单元，该信号调理单元优选为ASIC芯片和FPGA芯片。这两组ASIC芯片和FPGA芯片分别与行星际粒子探头的第一望远镜单元和第二望远镜单元通信连接，用于接收望远镜单元中的半导体探测器输出的微弱信号并将该微弱限号放大。半导体探测器输出的微弱信号包含入射粒子能量信息，ASIC芯片和FPGA芯片接收并放大上述微弱信号之后将其转换为粒子的能量和方向信息，并且完成对不同方向和能量的电子、质子及氦离子的甄别和计数累计，便于后续粒子数据的处理。数据处理单元与信号调整模块通信连接，接收来自信号调整模块的数据信息，并对接收的数据信息进行处理，完成数据的打包、存储和发送。
在本实施例中，上述信号调理模块和数据处理模块设置在电子学机箱内，此时该电子学机箱便可作为图1所示的行星际粒子探头的安装基座101。
同样参照图4，本实施例中行星际能量粒子探测系统还包括上位机，该上位机与数据处理单元通信连接，可以向数据处理单元发送指令，数据处理单元接收并执行该指令。另外，虽然未示出，该行星际能量粒子探测系统还包括电源单元，电源单元包括高压电源和低压电源，高压电源用于为行星际能量粒子探头供电，高压电源用于为信号处理模块、数据处理模块等电子线路部分供电。优选地，电源单元设置在电源机箱内。
如上所述，本实施例的行星际能量粒子探测系统采用低噪声的多路集成前置放大器技术，能够实现精细能档观测，并获得高能档分辨率(ΔE/E＜0.1)。
实施例三
本实施例提供一种行星际能量粒子探测方法，如图5所示，该方法包括如下步骤：
步骤S101：采用行星际能量粒子探头探测行星际空间的入射粒子，所述行星际能量粒子探头为本发明实施例一提供的行星际能量粒子探头；
如实施例一所描述的，在望远镜单元的第一端和第二端分别设置吸收箔和磁偏转系统，由此使得探测器自望远镜单元的第一端探测中高能(能量介于20keV～1MeV)电子及中高能质子(能量介于25keV～12MeV)，自望远镜单元的第二端探测中高能(离子能量介于1.5MeV～10MeV的氦离子)。
步骤S102：将所述入射粒子的能量信号放大并转换为入射粒子的能量和方向信息；
步骤S103：根据入射粒子的能量和方向信息甄别出不同能量和不同方向的电子、质子及离子并对所述电子、质子及离子进行计数；
步骤S104：对所述电子、质子及离子的计数信息进行处理，完成数据打包。
本实施例中，采用实施例二所述的信号调理模块对入射粒子的能量信号放大并转换为入射粒子的能量和方向信息。如实施例二所述，信号调理模块主要包括两个信号调理单元，该信号调理单元优选为ASIC芯片和FPGA芯片。这两组ASIC芯片和FPGA芯片分别与行星际粒子探头的第一望远镜单元和第二望远镜单元通信连接，用于接收望远镜单元中的半导体探测器输出的微弱信号并将该微弱限号放大。半导体探测器输出的微弱信号包含入射粒子能量信息，ASIC芯片和FPGA芯片接收并放大上述微弱信号之后将其转换为粒子的能量和方向信息，并且完成对不同方向和能量的电子、质子及氦离子的甄别和计数累计，便于后续粒子数据的处理。同样采用实施例二所述的数据处理单元对所述电子、质子及离子的计数信息进行处理，完成数据打包、存储和发送。
为了更加精细地对电子、质子及离子进行计数，本实施例的方法还包括按照入射粒子的能谱的指数分布分别对入射粒子中的电子、质子和离子进行能档划分，优选地，如下表1所示，将入射电子的能量划分为39个能档；如下表2所示，将入射质子的能量划分为59个能档；如下表3所示，将入射离子的能量划分为19个能档。本实施例采用指数分布对能档进行精细划分的主要原因在于空间粒子的能谱分布为指数形式。如果采用线性能量区间，则低能档通量可能要比最高能档通量高一个量级以上，这将严重影响高能档数据的有效性。因此按照能谱的指数分布规律划分能档，即能档间隔与通量成正比，更符合空间辐射环境的实际情况，有利于探测和分析研究。
表1入射电子的能档划分
| E1 | 20.0～22.1keV | E21 | 148.7～164.4keV |
| E2 | 22.1～24.4keV | E22 | 164.4～181.7keV |
| E3 | 24.4～27.0keV | 23 | 181.7～200.9keV |
| E4 | 27.0～29.9keV | E24 | 200.9～222.1keV |
| E5 | 29.9～33.0keV | E25 | 222.1～245.5keV |
| E6 | 33.0～36.5keV | E26 | 245.5～271.4keV |
| E7 | 36.5～40.4keV | E27 | 271.4～300.1keV |
| E8 | 40.4～44.6keV | E28 | 300.1～331.7keV |
| E9 | 44.6～49.3keV | 29 | 331.7～366.8keV |
| E10 | 49.3～54.5keV | E30 | 366.8～405.4keV |
| E11 | 54.5～60.3keV | E31 | 405.4～448.2keV |
| E12 | 60.3～66.7keV | E32 | 448.2～495.5keV |
| E13 | 66.7～73.7keV | E33 | 495.5～547.8keV |
| E14 | 73.7～81.5keV | E34 | 547.8～605.6keV |
| E15 | 81.5～90.1keV | E35 | 605.6～669.5keV |
| E16 | 90.1～99.6keV | E36 | 669.5～740.1keV |
| E17 | 99.6～110.1keV | E37 | 740.1～818.2keV |
| E18 | 110.1～121.7keV | E38 | 818.2～904.6keV |
| E19 | 121.7～134.5keV | E39 | 904.6～1000keV |
| E20 | 134.5～148.7keV | E40 |
表2入射质子的能档划分
| P1 | 25.0-27.8keV | P21 | 202.7-225.1keV | P41 | 1643.4-1824.6keV |
| P2 | 27.8-30.8keV | P22 | 225.1-249.9keV | P42 | 1824.6-2025.9keV |
| P3 | 30.8-34.2keV | P23 | 249.9-277.4keV | P43 | 2025.9-2249.4keV |
| P4 | 34.2-38.0keV | P24 | 277.4-308.0keV | P44 | 2249.4-2497.5keV |
| P5 | 38.0-42.2keV | P25 | 308.0-342.0keV | P45 | 2497.5-2773.0keV |
| P6 | 42.2-46.8keV | P26 | 342.0-379.8keV | P46 | 2773.0-3078.9keV |
| P7 | 46.8-52.0keV | P27 | 379.8-421.6keV | P47 | 3078.9-3418.6keV |
| P8 | 52.0-57.7keV | P28 | 421.6-468.2keV | P48 | 3418.6-3795.7keV |
| P9 | 57.7-64.1keV | P29 | 468.2-519.8keV | P49 | 3795.7-4214.4keV |
| P10 | 64.1-71.2keV | P30 | 519.8-577.1keV | P50 | 4214.4-4679.3keV |
| P11 | 71.2-79.0keV | P31 | 577.1-640.8keV | P51 | 4679.3-5195.4keV |
| P12 | 79.0-87.8keV | P32 | 640.8-711.5keV | P52 | 5195.4-5768.6keV |
| P13 | 87.8-97.4keV | P33 | 711.5-790.0keV | P53 | 5768.6-6404.9keV |
| P14 | 97.4-108.2keV | P34 | 790.0-877.1keV | P54 | 6404.9-7111.4keV |
| P15 | 108.2-120.1keV | P35 | 877.1-973.9keV | P55 | 7111.4-7895.9keV |
| P16 | 120.1-133.4keV | P36 | 973.9-1081.3keV | P56 | 7895.9-8766.9keV |
| P17 | 133.4-148.1keV | P37 | 1081.3-1200.6keV | P57 | 8766.9-9734.0keV |
| P18 | 148.1-164.4keV | P38 | 1200.6-1333.0keV | P58 | 9734.0-10807.8keV |
| P19 | 164.4-182.6keV | P39 | 1333.0-1480.1keV | P59 | 10807.8-12000.0keV |
| P20 | 182.6-202.7keV | P40 | 1480.1-1643.4keV |
表3入射离子的能档划分
| He1 | 1500.0-1657.5keV | He11 | 4071.2-4498.7keV |
| He2 | 1657.5-1831.5keV | He12 | 4498.7-4971.1keV |
| He3 | 1831.5-2023.9keV | He13 | 4971.1-5493.1keV |
| He4 | 2023.9-2236.4keV | Hel4 | 5493.1-6069.9keV |
| He5 | 2236.4-2471.2keV | He15 | 6069.9-6707.3keV |
| He6 | 2471.2-2730.7keV | He16 | 6707.3-7411.6keV\ |
| He7 | 2730.7-3017.4keV | He17 | 7411.6-8189.8keV |
| He8 | 3017.4-3334.3keV | He18 | 8189.8-9049.7keV |
| He9 | 3334.3-3684.4keV | He19 | 9049.7-10000.0keV |
| He10 | 3684.4-4071.2keV |
本发明的行星际能量粒子探头、探测系统及探测方法，至少具有如下有益效果：
本发明的行星际能量粒子探头包括两套望远镜系统，望远镜系统包括两个望远镜单元，每一个望远镜单元均具有开口的第一端及第二端，望远镜单元还包括多层并排设置的半导体探测器。望远镜单元的第一端设置有吸收箔，第二端设置有磁偏转系统，半导体探测器设置在吸收箔和磁偏转系统之间，从而在望远镜单元的两端分别探测不同能量的中高能电子、质子以及中高能粒子。
行星际能量粒子探测系统采用本发明所述的行星际能量粒子探头，并且进行精细的能档划分，以实现在行星际空间中对能量电子、质子和氨离子的高精度实地探测，例如本发明的探测系统能够测量能量从20keV到1MeV的电子、25keV到12MeV的质子和1.5MeV到10MeV的氦离子，总视场为180×90°，能档分辨率为△E/E<0.1，角度分辨率为<8°，时间分辨率为1秒(电子和质子)和10秒(氦离子)。在行星际空间中对能量电子、质子和氨离子的高精度实地探测能够为研究太阳系高能粒子的起源和加速提供至关重要的观测数据。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (13)
1.一种行星际能量粒子探头，其特征在于，包括安装基座以及安装在所述安装基座上的两套望远镜系统，其中：
所述望远镜系统包括两个望远镜单元以及用于支撑并固定所述望远镜单元的固定架，所述固定架的水平平面安装于所述安装基座上，两个所述望远镜单元的轴线相互平行且垂直于所述固定架的垂直平面，在所述安装基座上，两套望远镜系统中的第一望远镜单元的轴线相互垂直且相交，第二望远镜单元的轴线相互垂直且相交；
所述望远镜单元具有第一端及第二端，并且所述第一端和所述第二端均为开口，在所述固定架上，两个所述望远镜单元中的第一望远镜单元的第一端与第二望远镜单元的第二端位于所述固定架的同侧，所述第一望远镜单元的第二端与所述第二望远镜单元的第一端位于所述固定架的另一侧；
所述望远镜单元还包括多层并排设置的半导体探测器，所述半导体探测器设置在所述望远镜单元的所述第一端和所述第二端的中间区域。
2.根据权利要求1所述的行星际能量粒子探头，其特征在于，每一层所述半导体探测器均包括多个像素。
3. 根据权利要求1所述的行星际能量粒子探头，其特征在于，多层所述半导体探测器包括并排设置的4层半导体探测器，相邻半导体探测器之间的间距小于300 μm。
4.根据权利要求1~3中任意一项所述的行星际能量粒子探头，其特征在于，每一层所述半导体探测器均包括5个像素，所述5个像素中的一个像素位于中间位置，其余像素环绕所述中间位置的像素设置。
5.根据权利要求1所述的行星际能量粒子探头，其特征在于，所述望远镜单元还包括吸收箔以及磁偏转系统，其中，
所述吸收箔设置在所述望远镜单元的第一端，以阻挡能量低于400 keV的质子，使得所述半导体探测器自所述望远镜单元的第一端探测中高能电子及中高能质子；
所述磁偏转系统设置在所述望远镜单元的第二端，以偏转能量低于400 keV的电子，使得所述半导体探测器自所述望远镜单元的第二端探测中高能离子；
所述半导体探测器位于所述吸收箔和所述磁偏转系统之间。
6. 根据权利要求5所述的行星际能量粒子探头，其特征在于，所述行星际能量粒子探头探测的中高能电子的能量介于20 keV~1 MeV，所述中高能质子的能量介于25 keV~12MeV，所述中高能离子的能量介于1.5 MeV~10 MeV。
7. 根据权利要求5所述的行星际能量粒子探头，其特征在于，所述吸收箔与靠近所述第一端的所述半导体探测器的间距小于0.5 μm，所述磁偏转系统与靠近所述第二端的所述半导体探测器的间距介于5~20 mm。
8.一种行星际能量粒子探测系统，其特征在于，包括：
行星际能量粒子探头，所述行星际能量粒子探头为权利要求1~6中任意一项所述的行星际能量粒子探头；
信号调理模块，与所述行星际能量粒子探头电连接，并将所述行星际能量粒子探头探测的入射粒子的能量信号放大并转换为入射粒子的能量和方向信息；
数据处理单元，与所述信号调理模块电连接，用于对所述信号调理模块输出的入射粒子的能量和方向信息进行处理。
9.根据权利要求8所述的行星际能量粒子探测系统，其特征在于，信号调理模块包括两个信号调理单元，两个所述信号调理单元分别与所述行星际能量粒子探头中的两套望远镜系统连接。
10.根据权利要求8所述的行星际能量粒子探测系统，其特征在于，还包括电源单元，所述电源单元包括低压电源和高压电源，所述低压电源为所述信号调理模块及所述数据处理单元供电，所述高压电源为所述行星际能量粒子探头供电。
11.根据权利要求8所述的行星际能量粒子探测系统，其特征在于，还包括上位机，所述上位机与所述数据处理单元通信连接并向所述数据处理单元发送指令。
12.一种行星际能量粒子探测方法，其特征在于，包括如下步骤：
采用行星际能量粒子探头探测行星际空间的入射粒子，所述行星际能量粒子探头为权利要求1~6中任意一项所述的行星际能量粒子探头；
将所述入射粒子的能量信号放大并转换为入射粒子的能量和方向信息；
根据入射粒子的能量和方向信息甄别出不同能量和不同方向的电子、质子及离子并对所述电子、质子及离子进行计数；
对所述电子、质子及离子的计数信息进行处理，完成数据打包。
13.根据权利要求12所述的行星际能量粒子探测方法，其特征在于，根据入射粒子的能量和方向信息甄别出不同能量和不同方向的电子、质子及离子并对所述电子、质子及离子进行计数还包括如下步骤：
按照入射粒子的能谱的指数分布分别对入射粒子中的电子、质子和离子进行能档划分，将入射电子的能量划分为39个能档，将入射质子的能量划分为59个能档，将入射离子的能量划分为19个能档。
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