CN115332044A - 一种基于金刚石探测器的空间飞行时间质谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于金刚石探测器的空间飞行时间质谱仪，包括二次电子发射薄膜、电极系统、微通道板探测器和电子学设备；所述二次电子发射薄膜用于当离子穿过时生成二次电子；所述电极系统用于将所述二次电子施加电压引导到微通道探测器上；所述微通道探测器接收所述二次电子并输出信号至电子学设备；所述金刚石探测器用于接收离子，将离子总能量转化为电荷脉冲，输出至电子学设备；所述电子学设备用于处理所述微通道探测器的输出信号和所述金刚石探测器输出的电荷脉冲，分析获得入射离子的信息。本发明将金刚石探测器应用于SEE TOF×E质谱仪中，可提升SEE TOF×E质谱仪的探测效率、长周期性能稳定性、和对恶劣空间辐射环境的适应性。

Description

一种基于金刚石探测器的空间飞行时间质谱仪
技术领域
本发明属于金刚石探测器应用技术，飞行时间质谱技术，空间带电粒子探测技术领域，具体涉及一种基于金刚石探测器的空间飞行时间质谱仪。
背景技术
飞行时间质谱仪在空间带电粒子探测领域有着十分重要的应用价值。基于二次电子飞行时间测量技术和固体探测器(Solid State Detector，SSD)的SEE TOF×E质谱仪，常用于测量空间环境中几十keV～几MeV的中能离子成分、能谱和角分布信息。SEE TOF×E质谱仪通常由二次电子发射薄膜、电极系统、微通道板探测器(Micro Channel Plate，MCP探测器)、和硅探测器(阵列)构成，但是这种传统方案具有一些不可避免的缺点。
常用于SEE TOF×E质谱仪的硅探测器对可见光敏感，空间环境中往往存在大量的可见光可能对SEE TOF×E质谱仪产生干扰，常用的光屏蔽手段是在二次电子发射薄膜上增加一定厚度的光屏蔽材料，例如polyimide、Ni、Al、Pd等。为了获得足够的光屏蔽能力，薄膜总厚度也不能太薄，一般厚度不低于几十nm。这会导致能量较低、质量数较大的入射离子穿过薄膜后发生较为严重的能量损失、能量歧离和散射，从而影响质谱仪对低能端重离子的能量分辨率、质量分辨率和探测效率。如果使用更为轻薄的二次电子发射薄膜，又会降低探测器的抗光子干扰能力，只能应用于光干扰较弱的空间环境。探测性能和抗干扰能力互相制约难以解耦。
传统SEE TOF×E质谱仪完全依靠二次电子来触发start和stop定时信号测量离子飞行时间。为保证机械强度，二次电子发射薄膜需要使用栅网支撑，透过率一般不高于90％，如使用两层薄膜，透过率不高于80％。另外，MCP对二次电子的响应效率最多不超过85％，加上电极系统对二次电子的收集效率不能保证100％，对二次电子发射效率较低的离子(质量较低、能力较高的重离子)，通过二次电子测量飞行时间的效率将会显著降低。综合两方面因素，传统SEE TOF×E质谱仪单纯依靠二次电子测量飞行时间的方案不利于提高探测效率。
在空间任务周期内，硅探测器经受大剂量空间中高能粒子照射后会发生性能衰减。其主要机制是入射粒子与硅探测器灵敏区的硅原子核发生碰撞引起的位移损伤，大量的位移损伤积累会使硅探测器的死层增厚、噪声增大、载流子收集效率降低，从而引起能量测量下限上升、输出脉冲幅度衰减、能量分辨率降低。因此，基于硅探测器的传统SEE TOF×E质谱仪在任务周期长、辐照环境恶劣的空间任务中难以保证性能长期稳定。
发明内容
本发明的目的在于克服基于硅探测器的传统SEE TOF×E质谱仪在任务周期长、辐照环境恶劣的空间任务中难以保证性能长期稳定的缺陷。
为了实现上述目的，本发明提出了一种基于金刚石探测器的空间飞行时间质谱仪，包括二次电子发射薄膜、电极系统、微通道板探测器和电子学设备；
所述二次电子发射薄膜用于当离子穿过时生成二次电子；
所述电极系统用于将所述二次电子施加电压引导到微通道探测器上；
所述微通道探测器接收所述二次电子并输出信号至电子学设备；
所述质谱仪还包括金刚石探测器；
所述金刚石探测器用于接收离子，将离子总能量转化为电荷脉冲，输出至电子学设备；
所述电子学设备用于处理所述微通道探测器的输出信号和所述金刚石探测器输出的电荷脉冲，分析获得入射离子的信息，包括种类和离子能谱。
作为上述系统的一种改进，所述电极系统包括加速电极和偏转电极；
所述质谱仪的结构为沿离子进入方向，依次设置二次电子发射薄膜、加速电极、偏转电极、和金刚石探测器；
偏转电极的下方设置微通道板探测器。
作为上述系统的一种改进，所述电子学设备包括：
延时模块，用于接收金刚石探测器发送的电荷脉冲，将电荷脉冲分为两路，一路先进行延迟，再输出到快前放模块，一路输出到前放模块；
快前放模块，用于接收微通道探测器或延时模块发送的信号，对信号进行放大，再输出至恒比定时甄别器；
前放模块，用于对接收的信号进行预放大，再输出至主放大器；
主放大器，用于对接收的信号进行放大和成型，再输出到峰值保持电路；
峰值保持电路，用于对接收的信号进行脉冲幅度拾取，再把处理后的信号发送至模拟数字转换器；
模拟数字转换器，用于把接收的信号转化成可分析的数字量ESSD输出至可编程阵列逻辑；
恒比定时甄别器，用于对信号进行定时拾取，再发送到时间数字转换器；
时间数字转换器，用于将收到的源头分别为金刚石探测器和微通道探测器的信号进行处理，将信号的时间差转化为可分析的数字量τ，输出至可编程阵列逻辑；
可编程阵列逻辑，用于对τ和ESSD进行符合测量和分析处理，获得入射离子的信息，所述信息包括种类和离子能谱。
作为上述系统的一种改进，所述延迟为2ns。
作为上述系统的一种改进，所述质谱仪包括1个二次电子发射薄膜、1个电极系统、1个微通道探测器和1个金刚石探测器。
作为上述系统的一种改进，所述质谱仪包括1个二次电子发射薄膜、1个电极系统、1个微通道探测器和n个金刚石探测器；n>1。
作为上述系统的一种改进，所述质谱仪包括n个二次电子发射薄膜、n个电极系统、n个微通道探测器；n>1；
所述电子学设备还包括位置分辨信号处理模块，用于接收位置分辨信号，处理和分析后得到离子的入射位置信息，再发送至可编程阵列逻辑；
所述微通道探测器接收到二次电子后，输出一个用于位置分辨的信号和一个定时信号；所述位置分辨的信号输出到位置分辨信号处理模块；所述定时信号输出到快前放模块。
作为上述系统的一种改进，所述质谱仪包括的金刚石探测器为1个或多个。
作为上述系统的一种改进，可编程阵列逻辑对位置信息、τ和ESSD进行符合测量和分析处理，获得入射离子的信息，所述信息包括种类、离子能谱和角分布信息。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、金刚石探测器对可将光不敏感，降低SEE TOF×E质谱仪对可见光屏蔽的需求，二次电子薄膜上无须增加光屏蔽材料，厚度也可以减小，从而降低入射离子的能量损失、能量歧离和散射，可提高能量较低，质量较大的离子的测量效率。
2、用金刚石探测器进行飞行时间测量，可以省去一片二次电子发射薄膜，避免支撑栅网对离子透过率的影响，还可以避免二次电子发射产额、收集效率和MCP响应效率等因素造成的测量效率降低。
3、金刚石探测器抗干扰能力很强，在空间辐射环境恶劣，任务周期长的空间任务中性能稳定性更好。
附图说明
图1所示为基于金刚石探测器的SEE TOF×E质谱仪示意图；
图2所示为单方向实施方案示意图；
图3所示为多路SEE start，单金刚石方案示意图；
图4所示为单路SEE start，多金刚石方案示意图；
图5所示为多路SEE start，多金刚石方案示意图；
图6所示为单方向实施方案电子学框图；
图7所示为单SEE start，多金刚石方案电子学框图；
图8所示为多路SEE start单路金刚石探测器方案电子学框图。
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的说明。
本发明探头构成如图1所示，将SEE TOF×E质谱仪传统方案中的硅探测器替换为单晶金刚石探测器。利用一片二次电子发射薄膜提供二次电子并通过电极偏转到MCP上触发start信号，再利用离子在金刚石探测器中沉积能量并输出的脉冲同时作为stop信号和能量信号ESSD。离子飞行距离L由二次电子发射薄膜和金刚石探测器之间的距离决定，L越大质量分辨率越高。
二次电子发射薄膜位于离子光路的入射端，主要作用是提供飞行时间测量所需的二次电子。
电极系统一般包含加速电极和偏转电极两个部分。加速电极设置在二次电子发射表面处1-2mm，通过对薄膜和加速电极施加的电压差产生电势差，将二次电子加速并引导向偏转电极。偏转电极位于加速电极和金刚石探测器之间，通过对偏转电极和MCP表面施加不同的电压产生电势差，将二次电子偏转并引导到MCP表面。
基于金刚石探测器的SEE TOF×E质谱仪可以采取单方向和多方向实施方案。
单方向实施方案如图2所示，使用一路SEE start定时测量，一片金刚石探测器提供stop和ESSD信号。
多方向实施方案有三种方式：
1、多路SEE start测量，单路金刚石探测器测量stop和ESSD；
2、单路SEE start测量，多路金刚石探测器测量stop和ESSD；
3、多路SEE start测量，多路金刚石探测器测量stop和ESSD。
如图2和图6所示，本发明的实施例1提出了一种基于金刚石探测器的空间飞行时间质谱仪：
探头由准直器、一组SEE时间测量系统和一片金刚石探测器构成，SEE时间测量系统包括一片二次电子发射薄膜，电极系统和MCP探测器。通过给电极系统和MCP探测器施加合适的电压构建内部电场，将离子穿过时发射的二次电子偏转到MCP上触发start定时信号。离子将能量沉积在金刚石探测器中，转化为电荷脉冲输出。start信号通过快前放放大，恒比定时甄别器(Constant Fraction Discriminator，CFD)进行定时拾取，再输入到时间数字转换器(Time to Digital Converter，TDC)中。金刚石探测器输出的电荷脉冲通过电荷灵敏前放进行预防大，输出的脉冲分为两路，一路先进行约2ns延迟，再进入CFD进行定时拾取，再作为stop信号输入到TDC中，TDC将start信号和stop信号的时间差转化为可分析的数字量τ。金刚石探测器输出脉冲的另一路进入电荷灵敏前放进行预防大，再通过主放大器进行放大和成型，再利用峰值保持电路进行脉冲幅度拾取，然后通过模拟数字转换器(AD)转化成可分析的数字量ESSD输出。通过可编程阵列逻辑(Field Programmable GateArray，FPGA)对τ和ESSD进行符合测量和逻辑分析，可以获得入射离子的种类和能量等信息。
如图4和图7所示，本发明的实施例2提出了一种基于金刚石探测器的空间飞行时间质谱仪：
单路SEE start配合多路金刚石探测器的多方向实施方案电子学框图如图7所示，单路SEE start的电子学和单方向方案一致。多路金刚石探测器的电子学和单方向方案类似，每一路金刚石输出的信号都一分为二，一路作为stop信号处理，另一路作为ESSD信号处理。每一个入射离子可以触发一组start，stop和ESSD，且stop和ESSD由同一路金刚石探测器输出。通过FPGA对信号进行符合测量和逻辑分析，即可得到入射离子的种类、能谱和角分布等信息。
如图3和图8所示，本发明的实施例3提出了一种基于金刚石探测器的空间飞行时间质谱仪：
多路SEE start配合单路金刚石探测器的多方向实施方案电子学框图如图8所示，多路SEE start需要采用位置灵敏阳极进行位置识别，当MCP接收到薄膜发出的二次电子，会触发位置灵敏阳极输出若干个用于位置分辨的信号(取决于位置灵敏阳极的类型)和一个定时信号start。金刚石探测器的电子学和单方向方案类似，每一路金刚石输出的信号都一分为二，一路作为stop信号处理，另一路作为ESSD信号处理。每一个入射离子可以触发一组阳极位置，start，stop和ESSD，通过FPGA对这些信号进行符合测量和逻辑分析，即可得到入射离子的种类、能谱和角分布等信息。
如图5所示，本发明的实施例4提出了一种基于金刚石探测器的空间飞行时间质谱仪：
多路SEE start配合多路金刚石探测器的电子学框图可结合(3)和(4)的形式。多路SEE start由位置灵敏阳极配合相应的电子学输出，可获得离子入射位置信息和start定时信号，如图8。多路金刚石探测器电子学如图7的形式，可输出多个stop信号和ESSD信号。当一个离子入射时，会获得一组阳极位置，start，stop和ESSD，且stop和ESSD由同一路金刚石探测器输出，通过FPGA对这些信息进行符合测量和逻辑分析，即可获得入射离子的种类、能谱和角分布等信息。
本发明将金刚石探测器应用于SEE TOF×E质谱仪中，同时用于飞行时间测量和能量测量，利用金刚石探测器对可见光不敏感、时间响应快、抗辐照能力强等优点，可提升SEETOF×E质谱仪的探测效率、长周期性能稳定性、和对恶劣空间辐射环境的适应性。
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 (9)

1.一种基于金刚石探测器的空间飞行时间质谱仪，包括二次电子发射薄膜、电极系统、微通道板探测器和电子学设备；
所述二次电子发射薄膜用于当离子穿过时生成二次电子；
所述电极系统用于将所述二次电子施加电压引导到微通道探测器上；
所述微通道探测器用于接收所述二次电子并输出信号至电子学设备；
其特征在于，所述质谱仪还包括金刚石探测器；
所述金刚石探测器用于接收离子，将离子总能量转化为电荷脉冲，输出至电子学设备；
所述电子学设备用于处理所述微通道探测器的输出信号和所述金刚石探测器输出的电荷脉冲，分析获得入射离子的信息，包括种类和离子能谱。
2.根据权利要求1所述的基于金刚石探测器的空间飞行时间质谱仪，其特征在于，
所述电极系统包括加速电极和偏转电极；
所述质谱仪的结构为沿离子进入方向，依次设置二次电子发射薄膜、加速电极、偏转电极、和金刚石探测器；
偏转电极的下方设置微通道板探测器。
3.根据权利要求2所述的基于金刚石探测器的空间飞行时间质谱仪，其特征在于，
所述电子学设备包括：
延时模块，用于接收金刚石探测器发送的电荷脉冲，将电荷脉冲分为两路，一路先进行延迟，再输出到快前放模块，一路输出到前放模块；
快前放模块，用于接收微通道探测器或延时模块发送的信号，对信号进行放大，再输出至恒比定时甄别器；
前放模块，用于对接收的信号进行预放大，再输出至主放大器；
主放大器，用于对接收的信号进行放大和成型，再输出到峰值保持电路；
峰值保持电路，用于对接收的信号进行脉冲幅度拾取，再把处理后的信号发送至模拟数字转换器；
模拟数字转换器，用于把接收的信号转化成可分析的数字量ESSD输出至可编程阵列逻辑；
恒比定时甄别器，用于对信号进行定时拾取，再发送到时间数字转换器；
时间数字转换器，用于将收到的源头分别为金刚石探测器和微通道探测器的信号进行处理，将信号的时间差转化为可分析的数字量τ，输出至可编程阵列逻辑；
可编程阵列逻辑，用于对τ和ESSD进行符合测量和分析处理，获得入射离子的信息，所述信息包括种类和离子能谱。
4.根据权利要求3所述的基于金刚石探测器的空间飞行时间质谱仪，其特征在于，所述延迟为2ns。
5.根据权利要求3所述的基于金刚石探测器的空间飞行时间质谱仪，其特征在于，
所述质谱仪包括1个二次电子发射薄膜、1个电极系统、1个微通道探测器和1个金刚石探测器。
6.根据权利要求3所述的基于金刚石探测器的空间飞行时间质谱仪，其特征在于，
所述质谱仪包括1个二次电子发射薄膜、1个电极系统、1个微通道探测器和n个金刚石探测器；n>1。
7.根据权利要求3所述的基于金刚石探测器的空间飞行时间质谱仪，其特征在于，
所述质谱仪包括n个二次电子发射薄膜、n个电极系统、n个微通道探测器；n>1；
所述电子学设备还包括位置分辨信号处理模块，用于接收位置分辨信号，处理和分析后得到离子的入射位置信息，再发送至可编程阵列逻辑；
所述微通道探测器接收到二次电子后，输出一个用于位置分辨的信号和一个定时信号；所述位置分辨的信号输出到位置分辨信号处理模块；所述定时信号输出到快前放模块。
8.根据权利要求7所述的基于金刚石探测器的空间飞行时间质谱仪，其特征在于，
所述质谱仪包括的金刚石探测器为1个或多个。
9.根据权利要求6～8任一所述的基于金刚石探测器的空间飞行时间质谱仪，其特征在于，
可编程阵列逻辑对位置信息、τ和ESSD进行符合测量和分析处理，获得入射离子的信息，所述信息包括种类、离子能谱和角分布信息。
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