CN115951390A - 一种基于飞行时间法的空间中能离子谱仪 - Google Patents

一种基于飞行时间法的空间中能离子谱仪 Download PDF

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张珅毅
沈国红
张焕新
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权子达
孙莹
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Abstract

本发明提供了一种基于飞行时间法的空间中能离子谱仪，包括二次电子发射薄膜、电极系统、微通道板探测器、固体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start信号和stop信号；所述固体探测器用于接收离子，将离子总能量转化为电荷信号；所述电子学设备用于处理start信号、stop信号和电荷信号，获得入射离子的信息。本发明针对国内目前在几十keV～几MeV能量范围的空间重离子成分和能谱测量技术的空缺，实现了对空间带电粒子的全要素和全能谱覆盖能力。

Description

一种基于飞行时间法的空间中能离子谱仪
技术领域
本发明属于空间带电粒子探测技术领域，具体涉及一种基于飞行时间法的空间中能离子谱仪。
背景技术
在空间环境中，一般将能量介于几十KeV到几MeV的重离子(1≤Z≤26)称为中能离子。目前，能进行离子成分分析和能量测量的空间带电粒子探测器一般采用“静电分析器+飞行时间法”和基于半导体探测器的“ΔE-E望远镜法”两种原理。
其中“静电分析器+飞行时间”法受静电分析器所施加电压的限制，最高只能实现不超过40keV/e的重离子成分分辨，更高能量的重离子难以覆盖。能量测量需要利用静电分析器的扫描电压来分级实现，无法同时测量连续能谱的入射离子，探测效率较低。“ΔE-E望远镜法”可同时实现连续能谱的离子成分分辨和能量测量，但该方法受限于第一片薄半导体探测器的厚度，以目前的技术水平，该方法可进行离子成分分辨的能量下限≥400KeV，在40～400KeV之间的能量空隙，两种原理的探测器都难以覆盖。
发明内容
本发明的目的在于克服现有设备无法对能量在40～400KeV之间的离子进行成分分析和能量测量的缺陷。
为了实现上述目的，本发明提出了一种基于飞行时间法的空间中能离子谱仪，包括二次电子发射薄膜、电极系统、微通道板探测器、固体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，包括start薄膜和stop薄膜；
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，所述电极系统包括加速电极和偏转电极；所述加速电极包括start加速电极和stop加速电极；
所述微通道探测器接收所述二次电子并输出start信号和stop信号，包括上表面、下表面、start阳极和stop阳极；
所述固体探测器用于接收离子，将离子总能量转化为电荷信号；
所述电子学设备用于处理start信号、stop信号和电荷信号，获得入射离子的信息，包括种类和离子能谱；
延离子进入方向，依次设置start薄膜、start加速电极、偏转电极、stop加速电极、stop薄膜和固体探测器；
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：
快前放，用于接收start阳极发送的start信号和stop阳极发送的stop信号，对信号进行放大，再发送至恒比定时甄别器；
恒比定时甄别器，用于对start信号和stop信号进行定时信号拾取，将定时信号发送至时间数字转换器；
时间数字转换器，用于将start信号和stop信号的定时信号转化为一个可供分析的数字量τ输出至可编程阵列逻辑；
电荷灵敏前置放大器，用于接收所述固体探测器发送的电荷信号，进行预防大，再发送至主放大器；
主放大器，用于对电荷信号进行放大和成型，发送至峰值保持电路；
峰值保持电路，用于对电荷信号进行脉冲幅度拾取，再把经过宽展的信号发送至模拟数字转换器；
模拟数字转换器，用于把电荷信号转化成可分析的数字量ESSD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，所述加速电极设置在所述二次电子发射薄膜表面处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；
通过对所述偏转电极和所述微通道板探测器表面施加不同的电压产生电势差，将所述二次电子偏转并引导到所述微通道板探测器表面。
作为上述系统的一种改进，所述二次电子薄膜、所述加速电极和所述偏转电极接负高压；所述微通道板探测器上表面接地；所述微通道板探测器下表面、start阳极和stop阳极施加正高压。
作为上述系统的一种改进，所述二次电子薄膜接地；所述加速电极接负高压；所述微通道板探测器上表面、下表面、start阳极和stop阳极均接正高压；所述偏转电极接负高压。
作为上述系统的一种改进，所述二次电子薄膜、所述加速电极、所述偏转电极、所述微通道板探测器上表面、所述微通道板探测器下表面均接负高压；所述微通道板探测器start阳极和stop阳极接地。
作为上述系统的一种改进，所述二次电子发射薄膜包括n个start薄膜和1个stop薄膜；所述加速电极包括n个start加速电极和1个stop加速电极；所述微通道探测器包括n个start阳极和1个stop阳极；n>1；
start阳极接收到二次电子，输出用于位置分辨的信号和用于定时的start信号。
作为上述系统的一种改进，所述二次电子发射薄膜包括1个start薄膜和n个stop薄膜；所述加速电极包括1个start加速电极和n个stop加速电极；所述微通道探测器包括1个start阳极和n个stop阳极；n>1；每个stop薄膜对应一个固体探测器；
stop阳极接收到二次电子，输出用于位置分辨的信号和用于定时的stop信号。
作为上述系统的一种改进，所述二次电子发射薄膜包括n个start薄膜和n个stop薄膜；所述加速电极包括n个start加速电极和n个stop加速电极；n>1；每个stop薄膜对应一个固体探测器；
start阳极接收到二次电子，输出用于位置分辨的信号和用于定时的start信号；
stop阳极接收到二次电子，输出用于位置分辨的信号和用于定时的stop信号。
作为上述系统的一种改进，所述电子学设备还包括位置分辨信号处理模块，用于接收start阳极或stop阳极发送的位置分辨信号，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；
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：
本发明针对国内目前在几十keV～几MeV能量范围的空间重离子成分和能谱测量技术的空缺。我国目前已具备空间低能电子、低能离子、中能电子、中能质子、高能电子、和高能离子测量技术，加上本发明具备的中能重离子测量能力，我国将实现对空间带电粒子的全要素和全能谱覆盖能力。
附图说明
图1所示为TOF×E方法原理图；
图2所示为探头基本构成示意图；
图3所示为电极系统和MCP探测器构建内部电场引导二次电子示意图；
图4所示为单方向实施方式示意图；
图5所示为多start，单stop，单SSD实施方案示意图；
图6所示为单start，多stop，多SSD实施方案示意图；
图7所示为多start，多stop，多SSD实施方案示意图；
图8所示为单方向实施方案电子学框图；
图9所示为多方向实施方案电子学框图。
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。
(1)TOF×E方法原理
中能离子的能量E、速度v和质量m符合动能公式关系，
Figure BDA0003767277260000041
通过相距L的两片定时探测器start和stop测量出入射离子距离L之间的飞行时间τ，可获得离子的飞行速度v＝L/τ，然后再通过固体探测器(Solid State Detector，SSD)测量离子的剩余能量ESSD。不同种类的离子，由于质量不同，测得的τ和ESSD的对应关系取决于离子的质量m，通过对τ和ESSD进行分析即可区分离子种类。
获得离子种类信息后，可通过两种方式获得离子的入射能量E。对于能量较高的离子，在飞行时间探测器中的能量损失ΔE较少，ESSD的测量精度较高，通过修正可获得离子入射能量E＝ΔE+ESSD。能量较低的离子，既可以使用上述方法修正离子能量，也可以利用飞行时间τ和离子质量m计算出离子在飞行过程中的能量ETOF，再通过修正离子在start定时探测器中的能量损失ΔEstart，即可获得离子入射能量E＝ΔEstart+ETOF。
(2)探头组成
本发明基于TOF×E方法实现中能离子成分和能量测量。探头由两片二次电子发射薄膜(start和stop薄膜)，电极系统(加速电极和偏转电极)，微通道板探测器(MicroChannel Plate，MCP探测器)，和SSD构成。
本发明探头基本构成如图2所示。离子通过入口处的准直器进入探头，先后穿过start薄膜和stop薄膜，产生的二次电子通过电极系统施加电压引导到MCP探测器上，并分别通过start阳极和stop阳极接收增益电子，产生定时信号start和stop。最后离子进入SSD灵敏区，并将全部能量沉积在SSD灵敏区中并转化为电荷信号ESSD输出。
离子飞行距离L由两片二次电子薄膜的距离决定，L越长质量分辨率越高，可根据质量分辨率要求调整。
(3)二次电子发射薄膜
二次电子发射薄膜分别位于离子光路的入射端(start)和末端(stop)，主要作用是提供飞行时间测量所需的二次电子，可采用C、Al、Ni等二次电子发射产额较高的材料，还可根据需要在薄膜上增加polyimide、Pd等光吸收材料层降低光污染。
触发stop信号的二次电子一般通过stop薄膜发射，也可直接利用硅半导体探测器表面电极材料，或者在硅半导体探测器表面镀二次电子发射材料提供。
(4)内部电场构建
需要通过对start和stop薄膜、电极系统、MCP探测器表面施加特定的电压，构建内部电场，将离子触发的二次电子加速、偏转并引导到MCP表面特定位置，触发定时信号。
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start和stop薄膜之间，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。只要控制好薄膜、电极、MCP之间的电势差，以下三种加电方式可以构建出相同的内部电场：
a、二次电子薄膜、加速电极和偏转电极接负高压，MCP上表面接地，下表面和阳极施加正高压；
b、二次电子薄膜接地，加速电极、MCP上表面、下表面和阳极均接正高压，偏转电极接负高压；
c、二次电子薄膜、加速电极、偏转电极、MCP上表面、MCP下表面均接负高压，阳极接地。
具体的电压数值，需要根据薄膜、电极和MCP的形态关系和探测器的性能需求设置。
(5)MCP探测器
本发明中通过MCP探测器接收二次电子并输出start和stop信号，可以由一组MCP探测器的两个阳极实现，也可以分别由两组不同MCP探测器实现。
(6)SSD
SSD原则上可以使用半导体探测器、闪烁探测器等可将离子总能量转化为可分析电信号的探测器，可根据具体性能需求选择。SSD选择的原则为厚度需足够完全沉积离子全部剩余能量。
(7)单方向和多方向实施方案
本发明可采用单方向和多方向实施方案。
单方向实施方案包括一路start测量，一路stop测量，以及一路SSD(图4)。start测量由start薄膜配合对应的电极和MCP阳极实现，stop测量由stop薄膜(或SSD表面材料)配合对应的电极和MCP阳极实现。
多方向实施方案大体上可以分为三种：
a.多路start测量，单路stop测量，单路SSD(图5)；
b.单路start测量，多路stop测量，多路SSD(图6)；
c.多路start测量，多路stop测量，多路SSD(图7)。
多路start测量和多路stop测量需要使用MCP的位置灵敏阳极实现。示意图均以3个方向的情况进行展示，以同样的方式可以实现更多方向的测量。
1)单方向实施方案
本发明的单方向实施方案探头构成如图2所示，按离子入射方向包括准直器，start薄膜，stop薄膜，电极系统，MCP探测器，和SSD。利用高压电源对电极系统、MCP探测器和SSD施加供电。如图8所示，离子穿过start薄膜和stop薄膜会发射出二次电子，通过构建的内部电场偏转引导到MCP探测器表面，并触发两个定时信号start和stop。利用两个快前放对定时信号进行放大，再通过两个恒比定时甄别器(Constant FractionDiscriminator，CFD)进行定时信号拾取，再输入到时间数字转换器(Time to DigitalConverter，TDC)中，将start和stop信号的时间差转化为一个可供分析的数字量τ输出。离子穿过薄膜后进入SSD的灵敏区，将全部能量沉积于其中并转化为电荷信号输出，通过电荷灵敏前置放大器对信号进行预防大，再通过主放大器对信号进行放大和成型，利用峰值保持电路进行脉冲幅度拾取，然后把经过宽展的信号通过模拟数字转换器(AD)转化成可分析的数字量ESSD输出。再通过可编程阵列逻辑(Field Programmable Gate Array，FPGA)对τ和ESSD进行符合测量和分析处理，可以获得入射离子的种类和能量信息。
2)多方向实施方案
以多路start，单路stop，单路SSD的实施方案为例。MCP探测器的start阳极采用一维位置灵敏设计。如图9所示，当离子从某一方向入射，start阳极接收到该方向对应的start薄膜发射出的二次电子，会输出若干个用于位置分辨的信号(取决于位置灵敏阳极的具体形式)，和一个用于定时的start信号。离子穿过stop薄膜发射出的二次电子会被单个stop阳极接收，并输出stop信号。然后再被SSD接收输出电荷脉冲。对位置分辨信号进行相应的处理和分析可以得到离子的入射位置信息。start和stop信号通过快前放放大和CFD拾取后输入到TDC中，将时间差转化成数字量τ。SSD输出的电荷脉冲经过前放、主放、峰保和AD后转化为数字量ESSD。再通过FPGA对位置信息、τ和ESSD进行符合测量和逻辑分析，即可获得离子种类、离子能谱和角分布信息。
另两种多方向实施方案也是采取类似方式。“单start多stop多SSD”方案需对stop信号进行位置分析，“多start多stop多SSD”方案需对start和stop都进行位置分析，SSD电子学从单组改为多组，符合测量和逻辑分析方法会进行相应调整。
本发明结合基于二次电子和MCP探测器的飞行时间测量系统和基于SSD的能量测量系统，通过TOF×E方法实现几十keV～几MeV的离子种类分辨和能谱测量。针对国内目前在几十keV～几MeV能量范围的空间重离子成分和能谱测量技术的空缺。我国目前已具备空间低能电子、低能离子、中能电子、中能质子、高能电子、和高能离子测量技术，加上本发明具备的中能重离子测量能力，我国将实现对空间带电粒子的全要素和全能谱覆盖能力。
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 (10)

1.一种基于飞行时间法的空间中能离子谱仪，包括二次电子发射薄膜、电极系统、微通道板探测器、固体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，包括start薄膜和stop薄膜；
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，所述电极系统包括加速电极和偏转电极；所述加速电极包括start加速电极和stop加速电极；
所述微通道探测器接收所述二次电子并输出start信号和stop信号，包括上表面、下表面、start阳极和stop阳极；
所述固体探测器用于接收离子，将离子总能量转化为电荷信号；
所述电子学设备用于处理start信号、stop信号和电荷信号，获得入射离子的信息，包括种类和离子能谱；
沿离子进入方向，依次设置start薄膜、start加速电极、偏转电极、stop加速电极、stop薄膜和固体探测器；
偏转电极的下方设置微通道板探测器。
2.根据权利要求1所述的基于飞行时间法的空间中能离子谱仪，其特征在于，所述电子学设备包括：
快前放，用于接收start阳极发送的start信号和stop阳极发送的stop信号，对信号进行放大，再发送至恒比定时甄别器；
恒比定时甄别器，用于对start信号和stop信号进行定时信号拾取，将定时信号发送至时间数字转换器；
时间数字转换器，用于将start信号和stop信号的定时信号转化为一个可供分析的数字量τ输出至可编程阵列逻辑；
电荷灵敏前置放大器，用于接收所述固体探测器发送的电荷信号，进行预防大，再发送至主放大器；
主放大器，用于对电荷信号进行放大和成型，发送至峰值保持电路；
峰值保持电路，用于对电荷信号进行脉冲幅度拾取，再把经过宽展的信号发送至模拟数字转换器；
模拟数字转换器，用于把电荷信号转化成可分析的数字量ESSD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。
3.根据权利要求1所述的基于飞行时间法的空间中能离子谱仪，其特征在于，所述加速电极设置在所述二次电子发射薄膜表面处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；
通过对所述偏转电极和所述微通道板探测器表面施加不同的电压产生电势差，将所述二次电子偏转并引导到所述微通道板探测器表面。
4.根据权利要求3所述的基于飞行时间法的空间中能离子谱仪，其特征在于，所述二次电子薄膜、所述加速电极和所述偏转电极接负高压；所述微通道板探测器上表面接地；所述微通道板探测器下表面、start阳极和stop阳极施加正高压。
5.根据权利要求3所述的基于飞行时间法的空间中能离子谱仪，其特征在于，所述二次电子薄膜接地；所述加速电极接负高压；所述微通道板探测器上表面、下表面、start阳极和stop阳极均接正高压；所述偏转电极接负高压。
6.根据权利要求3所述的基于飞行时间法的空间中能离子谱仪，其特征在于，所述二次电子薄膜、所述加速电极、所述偏转电极、所述微通道板探测器上表面、所述微通道板探测器下表面均接负高压；所述微通道板探测器start阳极和stop阳极接地。
7.根据权利要求2所述的基于飞行时间法的空间中能离子谱仪，其特征在于，所述二次电子发射薄膜包括n个start薄膜和1个stop薄膜；所述加速电极包括n个start加速电极和1个stop加速电极；所述微通道探测器包括n个start阳极和1个stop阳极；n>1；
start阳极接收到二次电子，输出用于位置分辨的信号和用于定时的start信号。
8.根据权利要求2所述的基于飞行时间法的空间中能离子谱仪，其特征在于，所述二次电子发射薄膜包括1个start薄膜和n个stop薄膜；所述加速电极包括1个start加速电极和n个stop加速电极；所述微通道探测器包括1个start阳极和n个stop阳极；n>1；每个stop薄膜对应一个固体探测器；
stop阳极接收到二次电子，输出用于位置分辨的信号和用于定时的stop信号。
9.根据权利要求2所述的基于飞行时间法的空间中能离子谱仪，其特征在于，所述二次电子发射薄膜包括n个start薄膜和n个stop薄膜；所述加速电极包括n个start加速电极和n个stop加速电极；n>1；每个stop薄膜对应一个固体探测器；
start阳极接收到二次电子，输出用于位置分辨的信号和用于定时的start信号；
stop阳极接收到二次电子，输出用于位置分辨的信号和用于定时的stop信号。
10.根据权利要求7-9任一所述的基于飞行时间法的空间中能离子谱仪，其特征在于，所述电子学设备还包括位置分辨信号处理模块，用于接收start阳极或stop阳极发送的位置分辨信号，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；
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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