CN117553847B - 一种数字化拾取离子探测器性能分析的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及空间探测设备技术领域，特别涉及一种数字化拾取离子探测器性能分析的方法及系统。本发明方法包括：利用离子从入射阻滞势分析器到最终打到微通道板和固体半导体探测器上的过程中的参数信息计算各项指标，并判断各项指标是否在空间科学探测任务的工程技术指标范围内，进而对离子探测器性能进行评估；所述离子探测器包括：阻滞势分析器、静电分析器和线性飞行时间系统；参数信息包括离子的坐标、能量、方位角、俯仰角和飞行时间；各项指标包括静电分析器的固有能量分辨率，阻滞势分析器和静电分析器的总能量分辨率，离子探测器的探测方位角分辨率、探测俯仰角范围、俯仰角分辨率和几何因子。本发明对评估离子探测器探测能力有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及空间探测设备技术领域，特别涉及一种数字化拾取离子探测器性能分析的方法及系统，具体而言，特别是涉及一种数字化拾取离子分析仪性能及其探测环境影响的分析方法及系统。
背景技术
等离子体是物质的第四态，在日地空间和行星际空间广泛存在。人类对等离子体的研究起源于19世纪，发展于20世纪，到20世纪中叶，随着火箭运载和人造地球卫星技术的进步，人类正式开启了对空间等离子体的探测之门。原位探测是空间等离子体探测中最常用的技术手段。随着距离太阳的增加，来自星际介质的中性原子在日地空间中所占比重不断增加。因此，由星际中性原子与太阳风相互作用而产生的拾起离子对太阳风动力学结构的影响也变得越来越重要。为了全面准确地了解外日球层环境，需要进行综合性的原位探测，特别是对拾起离子和太阳风相互作用的深入研究。
为满足拾起离子低能量、大几何因子和高能量分辨率的探测需求，New Horizons/SWAP载荷首次将外日球层拾起离子作为主要探测目标之一。它具有较大的几何因子和高能量分辨率的优点。SWAP探测目标为距离最远约30AU处的太阳风离子和拾起离子，其低端探测能量为35eV。空间等离子体质谱探测中常用的飞行时间方案包括均匀场和线性场两类。其中，线性场飞行时间系统具有更高的质谱分辨率，适用于对拾起离子的成分进行分辨，典型载荷如Cassini/IMS。Cassini/IMS主要探测较为密集的行星等离子体，而对于低密度的外日球层拾起离子，需要仪器具备较大的几何因子和高质谱分辨能力。
针对低温、低速、低密度的外日球层拾起离子，国内学者设计的探测器，实现了低能量段、高能量分辨和高质谱分辨的探测。对于现有的探测器，对其仿真的过程为，通过Simion等仿真软件对一定俯仰角范围、能量范围内离子的进行轨迹仿真，最终记录通过阻滞势分析器、静电分析器和飞行时间系统筛选后到达指定位置的离子的坐标、角度、能量等信息。但根据最终得到离子的坐标、角度、能量等信息无法直观地表现出探测器的各种性能指标，例如：能量分辨率、角度分辨率和几何因子等。为了实现基于仿真数值结果对拾起离子探测器的数字性能指标进行直观分析，以及为在轨工况下的温度变化对有效载荷的影响分析提供支持，亟需要提出一种数字化拾取离子分析仪性能及其探测环境影响的分析方法。
发明内容
本发明的目的在于为了将深空探测有效载荷的设计与性能分析过程动态关联，提供对其全流程信息的管理与应用分析能力，以MBSE(Model-Based Systems Engineering，基于模型的系统工程)理念、方法及数字化手段，实现“经验数字化、结果数字化”，提升有效载荷性能评估和趋势预测能力，提出一种能够分析拾起离子探测器数字性能指标及其探测环境影响分析的方法，该方法通过对仿真输出的数值结果进行数据处理，最终得到拾起离子探测器的探测能量范围、能量分辨率、角度分辨率和几何因子等指标，同时支持该类有效载荷在轨运行条件下的热分析，对评估拾起离子探测器的探测能力具有重要意义。
为达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现。
本发明提出一种数字化拾取离子探测器性能分析的方法，该方法包括：
利用离子从入射阻滞势分析器到最终打到微通道板和固体半导体探测器上的过程中的参数信息计算各项指标，并判断各项指标是否在空间科学探测任务的工程技术指标范围内，进而对离子探测器性能进行评估；所述离子探测器包括：阻滞势分析器、静电分析器和线性飞行时间系统；所述线性飞行时间系统包括：碳膜、微通道板和固体半导体探测器；
所述参数信息包括：离子的坐标、能量、方位角、俯仰角和飞行时间；
所述各项指标包括：静电分析器的固有能量分辨率，阻滞势分析器和静电分析器的总能量分辨率，离子探测器的探测方位角分辨率、探测俯仰角范围、俯仰角分辨率和几何因子。
作为上述技术方案的改进之一，所述碳膜，用于在离子进入线性场飞行时间系统后产生二次电子；
所述微通道板，用于接收产生的二次电子，形成起始脉冲信号；
所述固体半导体探测器，用于接收被碳膜反射的离子，并产生终止脉冲信号。作为上述技术方案的改进之一，静电分析器的固有能量分辨率η1计算式为：
η1＝Halfwidth1/μ1
静电分析器和阻滞势分析器的总能量分辨率η2计算式为：
η2＝Halfwidth2/xi
方位角分辨率α定义为次级电子在微通道板上形成的光斑与旋转中心构成的圆心角的大小，计算式为：
O为中心点坐标，A'和B'是半高宽上的两个点；
离子探测器的俯仰角分辨率η3计算式为：
η3＝Halfwidth3
离子探测器的俯仰角范围为：
粒子探测器的几何因子G的计算式为：
其中，Halfwidth1、Halfwidth2和Halfwidth3分别为相应高斯拟合能谱分布半高宽，μ为中心能量；xi为对单一能量的离子得到的归一化微分计数进行拟合得到的拟合函数fi(x)最大值对应的横坐标值；俯仰角范围的最小值为施加偏转板电压绝对值最小时计算出的左零点，俯仰角范围的最大值/>为施加偏转板电压绝对值最大时计算出的右零点；χ、β、E、Aact分别为通道方位角、俯仰角、能量和探测有效面积。
作为上述技术方案的改进之一，Halfwidth1、Halfwidth3和的获取过程包括：
对获取的粒子参数信息进行筛选，选出第一数据集和第二数据集，其中第一数据集表示入射时离子的参数信息，第二数据集表示离子穿出静电分析器时的参数信息；两个数据集中的参数信息都包含离子的编号、能量和俯仰角；
对第一数据集和第二数据集进行遍历，如果第二数据集离子的编号等于第一数据集离子的编号，则记录该编号的离子在第一数据集中的能量值和俯仰角值，最终得到能够穿出静电分析器的离子入射时的能量信息KE和俯仰角信息Elv；
对能量信息KE和俯仰角信息Elv分别进行高斯拟合，分别计算出高斯拟合能谱分布半高宽Halfwidth1和Halfwidth3；
统计偏转板加不同电压时有效离子入射俯仰角分布，俯仰角范围的最小值为施加偏转板电压绝对值最小时计算出的左零点俯仰角范围的最大值为施加偏转板电压绝对值最大时计算出的右零点/>从而得到离子探测器的俯仰角范围为：/>
作为上述技术方案的改进之一，Halfwidth2的获取过程包括：
固定静电分析器的电压，统计每组阻滞势分析器电压下，射入不同单能量离子时，飞出静电分析器的离子数，与阻滞势分析器电压未加电压时的离子计数做比值进行归一化处理，最终获得关于阻滞势分析器电压、入射离子能量和归一化比例的面板数据；进行如下差分计算：
其中，表示在第i组阻滞势分析器电压下，射入第j种能量离子时的归一化微分计数；ni,j和ni+1,j分别表示表示在第i组阻滞势分析器电压下，射入第j种能量离子时的离子计数；
对各种单一能量的离子下得到的归一化微分计数进行拟合，得到拟合函数fi(x)，假设函数的最大值Ai的横坐标值为xi，根据下面模型计算半高宽：
求解上述模型的零点分别为计算出每条曲线的半高宽和总半高宽分别为：
Halfwidth2＝mean{Halfwidthi}
mean{}表示求均值函数。
作为上述技术方案的改进之一，和/>的获取过程包括：
在阻滞势分析器左端的入口处发射离子，在穿出静电分析器后、打到碳膜前位置处统计并记录离子信息，包括编号、俯仰角、能量和位置，并将除能量以外的信息作为二次电子的初始位置信息，二次电子能量设置为低能量；
在碳膜处发射二次电子，在微通道板处记录二次电子的信息，包括编号、俯仰角、能量和位置，绘制在微通道板处二次电子的x-z平面的计数分布，通过对这些数据的处理和分析得到拾起离子探测器的探测方位角分辨率，处理过程包括：
统计的数据点的x轴坐标集合和z轴坐标集合；选出两个端点A、B的纵坐标z的最大值和最小值记为z1＝max{Z},z2＝min{Z}；得到A、B两个点的坐标分别为：A(x1,z1)，B(x2,z2)；
半高宽上的两个点A'和B'的坐标分别为：进而得到向量/>和/>
作为上述技术方案的改进之一，方位角χ、俯仰角β、能量E和探测有效面积Aact获取过程包括：
在阻滞势分析器左端的入口处发射离子，在离子穿出静电分析器处统计并记录离子的信息，包括：编号、俯仰角、能量和位置，通过能够穿过静电分析器的离子的编号反向追溯到入射时这些离子的信息；基于获取的信息建立第三数据集和第四数据集，其中第三数据集表示入射时离子的参数信息，第四数据集表示离子穿出静电分析器时的参数信息，两个数据集中都包含离子的编号俯仰角、能量和位置坐标；
对第三数据集和第四数据集进行遍历，如果第四数据集离子的编号等于第三数据集离子的编号，则记录该编号的离子在第三数据集中的俯仰角、能量和位置坐标，最终得到能够穿出静电分析器的离子入射时的俯仰角β、能量E和位置坐标信息(X,Y,Z)，根据这些信息可绘制离子束E-β相空间分布图和离子在左视图y-z平面的几何探测区域的计数分布图；探测有效面积Aact为几何探测面积和探测效率的乘积；根据离子在左视图y-z平面的几何探测区域的计数分布图计算出该区域围成的几何探测面积；探测效率为探测面积内的离子个数与总发射离子个数的比值；
通道方位角D为通道数。
作为上述技术方案的改进之一，所述方法还包括：对在轨运行条件下的离子探测器进行热分析；热分析过程包括：
基于卫星在轨运行时的能量守恒关系，计算卫星平台的温度波动，进而分析对离子探测器性能的影响；
开展温度效应影响建模与分析：基于卫星三维物理模型和卫星运行的空间环境，计算到达卫星表面的外热流；基于卫星结构和物性参数，模拟离子探测器周围的温度分布和热变形。
本发明还提出了一种数字化拾取离子探测器性能分析的系统，包括：数据处理模块，用于利用离子从入射阻滞势分析器到最终打到微通道板和固体半导体探测器上的过程中的参数信息计算各项指标，并判断各项指标是否在空间科学探测任务的工程技术指标范围内，进而对离子探测器性能进行评估；所述离子探测器包括：阻滞势分析器、静电分析器和线性飞行时间系统；
所述参数信息包括：离子的坐标、能量、方位角、俯仰角和飞行时间；
所述各项指标包括：静电分析器的固有能量分辨率，阻滞势分析器和静电分析器的总能量分辨率，离子探测器的探测方位角分辨率、探测俯仰角范围、俯仰角分辨率和几何因子。
作为上述技术方案的改进之一，所述系统还包括：热分析模块，用于对在轨运行条件下的离子探测器进行热分析；热分析过程包括：
基于卫星在轨运行时的能量守恒关系，计算卫星平台的温度波动，进而分析对离子探测器性能的影响；
开展温度效应影响建模与分析：基于卫星三维物理模型和卫星运行的空间环境，计算到达卫星表面的外热流；基于卫星结构和物性参数，模拟离子探测器周围的温度分布和热变形。
本发明与现有技术相比优点在于：
1.本方法以MBSE理念、方法及数字化为手段，以有效载荷的SysML(SystemModeling Language，系统建模语言)模型为基础实现了“经验数字化、结果数字化”，将深空探测有效载荷的设计与性能分析过程动态关联，提供对其全流程信息的管理与应用分析能力；
2.本方法可以基于SIMION有限元模拟仿真分析得到数值结果，计算出可以直观地表现出拾起离子探测器的各种性能指标，例如探测能量分辨率、方位角分辨率、俯仰角范围和角度分辨率以及几何因子等，拓展了仿真分析的方式，对评估拾起离子探测器的探测能力具有重要意义；
3.本方法是一种数字化拾取离子分析仪性能及其探测环境影响分析方法，同类粒子探测器也能用本方法开展类似地仿真计算，能够更直观地判断当前仪器设计方案实现的技术指标能否满足空间科学任务探测的技术指标需求，支持该类有效载荷设计及其性能参数的设置和优化。
附图说明
图1是拾起离子探测原理及坐标系图；
图2是能量分辨率计算方法流程图；
图3是方位角分辨率计算示意图；
图4是ESA仿真离子能谱图；
图5是RPA加电压时离子计数率微分曲线图；
图6是次级电子在MCP上的计数分布图；
图7是有效离子入射俯仰角分布图；
图8(a)到图8(d)是偏转板加不同电压时有效离子入射俯仰角分布图，其中，图8(a)到图8(d)的半高宽依次分别为3.29、3.40、3.69、3.54；
图9是离子束E-β相空间分布图；
图10是离子在左视图y-z平面的几何探测区域的计数分布图；
图11是拾起的离子探测器热分析图；
图12是数字化拾取离子分析仪性能及其探测环境影响分析方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
1.拾起离子探测器基本探测原理
拾起离子分析仪属于空间热等离子体探测仪器，需要开展拾起离子的能量分析、方向分析、通量分析和离子成分分析。仪器的基本探测原理如图1所示，主要包括阻滞势分析器、静电分析器和线性场飞行时间系统。
阻滞势分析器工作时加正电压VRPA，对于质量为M、电荷为q、能量为E的离子，只有能量E>q·VRPA的离子才能穿过阻滞势分析器，并进入静电分析器。静电分析器由内外同心半球形极板组成，内球加负电压V，外球接地，离子在静电分析器狭缝中由径向电场的引导穿过静电分析器狭缝，能够穿过静电分析器的离子能量电荷比值E/q应满足：E/q＝k·V，其中k为静电分析器常数，仅与静电分析器常数有关，与入射离子能量和电压无关。离子飞出静电分析器之后被后端-15kV的加速电场加速至15keV以上，并轰击超薄碳膜，产生二次电子，产生飞行时间起始脉冲信号，离子在线性场飞行时间系统内经过一次反射飞行，最终打在顶部的固体半导体探测器上，产生飞行时间终止脉冲信号，并测量剩余能量。由飞行时间、剩余能量等信息并结合静电分析器的E/q分析结果，即可得出离子的质量M、电荷q和能量E。
2.拾起离子探测器仿真流程
仿真是仪器设计过程中一个比较重要的环节，与技术指标之间存在一个优化迭代的过程。通过仿真可以判断当前仪器设计方案实现的技术指标能否满足技术指标需求，指导仪器方案设计及其性能参数的设置和优化。针对拾起离子探测器的模拟仿真，采用有限元仿真软件SIMION进行性能参数的全面仿真。基于SIMION软件对拾起离子探测器仿真的步骤如下所示：
步骤一：在拾起离子探测器仿真过程中，首先应通过Creo、Comsol或者AutoCAD等软件来构建出探测器的三维模型，并将该三维模型文件转化为.stl的文件格式，在.stl文件格式下才能通过SIMION软件将其转化为.PA文件进行仿真。
步骤二：SIMION仿真软件根据建立的探测器三维结构进行有限元划分和各电极电压计算探测器内部电场，具体包括阻滞势分析器、偏转板、超环面静电分析器以及线性场飞行时间系统等电极的电压设置。
步骤三：仿真所用输入离子源模型采用蒙特卡洛方法建立，针对不同性能参数进行仿真时，入射离子的能量以单能量或采用随机均匀抽样方法建立，位置、方向等信息采用随机均匀抽样方法建立，共产生N个离子作为入射源。SIMION根据入射离子源和探测器内部电场计算离子在电场中的运行轨迹，根据需要可统计离子在任意目标位置处的能量、方位角、俯仰角、飞行时间等信息。
3.性能指标分析方法
运用这种拾起离子探测器数字性能指标的分析方法，根据在SIMION中离子参数的统计信息可以获得拾起离子探测器的相应技术指标。下面针对拾起离子探测器的探测能量分辨率、方位角分辨率、俯仰角范围和角度分辨率以及几何因子等性能指标，介绍本方法的技术方案。
性能指标1：能量分辨率。对于静电分析器的固有能量分辨率，其仿真方法：在阻滞势分析器左端的入口处发射离子，在离子穿出静电分析器处统计并记录离子的编号、俯仰角、能量、位置等信息，通过能够穿过静电分析器的离子的编号反向追溯到入射时这些离子的能量等信息，通过对这些数据的处理和分析可得到拾起离子探测器的探测能量范围和能量分辨率。
如图2所示，为能量分辨率计算方法流程图，包括：
首先对统计的数据进行筛选，分为数据集data1,data2，其中data1表示入射时离子的参数信息，data2表示离子穿出静电分析器时的参数信息，两个数据集中都包含离子的编号和能量。对数据集data1,data2进行遍历，如果data2离子的编号等于data1离子的编号，则记录该编号的离子在data1中的能量值，最终得到能够穿出静电分析器的离子入射时的能量信息KE。然后对数据集KE进行高斯拟合，拟合出如下高斯函数：
其中均值μ为中心能量，A为高斯曲线的高。根据下面模型计算半高宽：
求解上述模型的零点分别为计算出高斯拟合能谱分布半高宽为：
从而计算出静电分析器的固有能量分辨率为：η＝Halfwidth/μ。
对于静电分析器和阻滞势分析器总能量分辨率的仿真，固定静电分析器的电压，统计每组阻滞势分析器电压下，射入不同单能量离子(该能量范围在上述拟合高斯函数的3σ范围内)时，飞出静电分析器的离子数，与阻滞势分析器电压未加电压时的离子计数做比值进行归一化处理，最终获得关于阻滞势分析器电压、入射离子能量和归一化比例的面板数据。进行如下差分计算：
其中表示在第i组阻滞势分析器电压下，射入第j种能量离子时的归一化微分计数。对各种单一能量的离子下得到的归一化微分计数进行拟合，得到拟合函数fi(x)，根据假设函数的最大值为Ai＝max(fi(x))，此时对应的横坐标值为/>下面模型计算半高宽：
求解上述模型的零点分别为计算出每条曲线的半高宽和总半高宽分别为：
Halfwidth＝mean{Halfwidthi}(7)
从而计算出静电分析器和阻滞势分析器总能量分辨率为：
性能指标2：方位角分辨率。仿真方法：在阻滞势分析器左端的入口处发射离子，在穿出静电分析器后、打到碳膜前位置处统计并记录离子的编号、俯仰角、能量，位置等信息，并将除能量以外的信息作为二次电子的初始位置信息，二次电子能量设置为低能量。在碳膜处发射二次电子，在微通道板处记录二次电子的编号、俯仰角、能量，位置等信息，绘制在微通道板处二次电子的x-z平面的计数分布，通过对这些数据的处理和分析可得到拾起离子探测器的探测方位角分辨率。
方位角分辨率定义为次级电子在微通道板上形成的光斑与旋转中心构成的圆心角的大小，中心点O坐标为(ox,oz)。示意图如图3所示。假设统计到的数据点的x轴坐标集合为X＝{x1,x2,…,xn}，z轴坐标集合为Z＝{z1,z2,…,zn}。A，B两个端点的纵坐标的最大值和最小值为z1＝max{Z},z2＝min{Z}，从而得到两个点的坐标分别为：A(x1,z1)，B(x2,z2)，A'和B'是半高宽上的两个点，进一步得到A'和B'的坐标分别为：用向量夹角的余弦公式计算角α如下：
从而计算出方位角分辨率为：α。
性能指标3：俯仰角范围和角度分辨率。对于角度分辨率，其仿真方法：偏转板未加电压时，在阻滞势分析器左端的入口处发射离子，在离子穿出静电分析器处统计并记录离子的编号、俯仰角、能量，位置等信息，通过能够穿过静电分析器的离子的编号反向追溯到入射时这些离子的俯仰角等信息，通过对这些数据的处理和分析可得到拾起离子探测器的探测俯仰角范围和角度分辨率。
首先对统计的数据进行筛选，分为数据集data1,data2，其中data1表示入射时离子的参数信息，data2表示离子穿出静电分析器时的参数信息，两个数据集中都包含离子的编号和俯仰角。对数据集data1,data2进行遍历，如果data2离子的编号等于data1离子的编号，则记录该编号的离子在data1中的俯仰角值，最终得到能够穿出静电分析器的离子入射时的俯仰角信息Elv。然后对数据集Elv进行高斯拟合，拟合出如下高斯函数：
其中均值μ为俯仰角中心值，A为高斯曲线的高。根据下面模型计算半高宽：
求解上述模型的零点分别为计算出高斯拟合俯仰角分布半高宽为：
该半高宽即为拾起离子探测器的俯仰角分辨率：η＝Halfwidth。
对于拾起离子探测器俯仰角范围的仿真，同上述方法，统计偏转板加不同电压时有效离子入射俯仰角分布，俯仰角范围的最小值为施加偏转板电压绝对值最小时计算出的左零点俯仰角范围的最大值为施加偏转板电压绝对值最大时计算出的右零点/>故拾起离子探测器的俯仰角范围为：/>
性能指标4：几何因子。仿真方法：在阻滞势分析器左端的入口处发射离子，在离子穿出静电分析器处统计并记录离子的编号、俯仰角、能量，位置等信息，通过能够穿过静电分析器的离子的编号反向追溯到入射时这些离子的位置等信息，
对统计的数据进行筛选，分为数据集data1,data2，其中data1表示入射时离子的参数信息，data2表示离子穿出静电分析器时的参数信息，两个数据集中都包含离子的编号俯仰角、能量和位置坐标。对数据集data1,data2进行遍历，如果data2离子的编号等于data1离子的编号，则记录该编号的离子在data1中的俯仰角、能量和位置坐标，最终得到能够穿出静电分析器的离子入射时的俯仰角β、能量E和位置坐标信息(X,Y,Z)，根据这些信息可绘制离子束E-β相空间分布图和离子在左视图y-z平面的几何探测区域的计数分布图。对于具有旋转对称结构的静电分析器，几何因子计算方法如下：
其中，χ、β、E、Aact为方位角、俯仰角、能量和有效面积。一个圆周360°，一般情况下分为24个通道，取单个通道的方位角χ＝15°。有效面积为几何探测面积和探测效率的乘积，根据离子在左视图y-z平面的几何探测区域的计数分布图可以计算出该区域围成的几何探测面积，探测效率为探测面积内的离子个数与总发射离子个数的比值：
Aact＝Sdetector·ηdetector (13)
其中，Sdetector表示几何探测面积、ηdetector表示探测效率，nS表示探测面积内的离子个数，N表示总发射离子个数。
根据上述方法计算出各个性能指标的具体数值，比较这些数值是否满足空间科学探测任务的工程技术指标，即判断η或α等各数值是否在相应的指标范围之内。当所有指标在空间科学探测任务的工程技术指标范围内时，则说明离子探测器性能达标，满足任务需求；当其中任意一个指标不在空间科学探测任务的工程技术指标范围内时，则说明离子探测器性能未达标，不满足任务需求，则需要进一步改进。
4.热分析
热分析:(1)基于卫星在轨运行时的能量守恒关系，计算卫星平台的温度波动，进而分析对有效载荷性能的影响；(2)开展温度效应影响建模与分析，首先基于卫星三维物理模型和卫星运行的空间环境，计算到达卫星表面的外热流；随后基于卫星结构和物性参数，通过有限元建模等方法模拟仪器周围的温度分布和热变形。
仿真过程中，入射离子的位置、方向、能量等信息，采用随机均匀抽样方法建立，俯仰角范围-11°～0°，能量范围830eV～1200eV，共产生1000000个离子作为入射源。
能量分辨率：图4给出了静电分析器内极板电压V1＝-234.6V，阻滞势分析器不加电压时，静电分析器的能谱响应，能谱近似高斯分布，中心能量μ＝1011.85eV则静电分析器常数K＝1011.85/234.6＝4.31。静电分析器固有能量分辨率η是高斯拟合能谱分布半高宽(Full width at half maximum，FWHM)与中心能量E0的比值，即η＝FWHM/E0＝139.88/1011.85＝0.1382。
以阻滞势分析器电压和离子束能量的比值作为横坐标，可得到如图5所示的曲线，曲线展宽表征了阻滞势分析器和静电分析器相结合后的能量分辨率。计算出静电分析器和阻滞势分析器总能量分辨率为：
方位角分辨率：根据仿真过程，统计微通道板上的数据，图6为阻滞势分析器未加电压时次级电子在微通道板上的计数分布。根据该分布计算方位角分辨率为4.1769°。
俯仰角范围和角度分辨率：图7给出的是偏转板未加电压时，仪器的俯仰角响应。采用高斯拟合，俯仰角中心约为-4.72°，半高宽(俯仰角分辨率)为4.35°。
图8(a)到图8(d)给出了E0＝1000keV时，偏转板加不同电压时有效离子入射俯仰角分布。当偏转板电压由0V加至-170V时，俯仰角视场中心值变化范围为-4.72°～-8.37°，半高宽变化范围为-6.9°～3.6°，图8(a)到图8(d)的半高宽依次分别为3.29、3.40、3.69、3.54，即俯仰角范围为-6.9°～3.6°。
几何因子：最终能够穿出静电分析器的离子入射时的俯仰角β、能量E和位置坐标信息(X,Y,Z)，根据这些信息可绘制离子束E-β相空间分布图和离子在左视图y-z平面的几何探测区域的计数分布图如图9-图10所示：
取单个通道的方位角视场α＝15°，利用上述公式对图9所示的E-β相空间进行积分，可获得一个方位角通道的几何因子，为2.788×10-1cm2·sr·eV/eV。
热分析：为在轨工况下的温度变化对有效载荷的影响分析提供支持，运用本方法开展温度效应影响建模与分析，基于卫星三维物理模型和卫星运行的空间环境，计算到达卫星表面的外热流，并基于卫星结构和物性参数，通过有限元建模等方法模拟仪器周围的温度分布和热变形，效果图如图11所示。
实施例2
本发明实施例2设计了一种数字化拾取离子探测器性能的系统，该系统包括：数据处理模块和热分析模块，
数据处理模块用于利用粒子从入射阻滞势分析器到最终打到微通道板和固体半导体探测器上的过程中的参数信息计算各项指标，并判断各项指标是否在各自科学指标范围内；所述离子探测器包括：阻滞势分析器和静电分析器；
粒子参数信息包括：粒子的能量、方位角、俯仰角和飞行时间；
各项指标，包括：静电分析器的固有能量分辨率，静电分析器和阻滞势分析器的总能量分辨率，离子探测器的探测方位角分辨率、探测俯仰角范围、俯仰角分辨率、有效探测面积和探测效率。
热分析模块，用于对在轨运行条件下的离子探测器进行热分析；热分析过程包括：
基于卫星在轨运行时的能量守恒关系，计算卫星平台的温度波动，进而分析对离子探测器性能的影响；
开展温度效应影响建模与分析：基于卫星三维物理模型和卫星运行的空间环境，计算到达卫星表面的外热流；基于卫星结构和物性参数，模拟离子探测器周围的温度分布和热变形。
图12为数字化拾取离子分析仪性能及其探测环境影响分析系统的处理过程流程图。
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)
1.一种数字化拾取离子探测器性能分析的方法，该方法包括：
利用离子从入射阻滞势分析器到最终打到微通道板和固体半导体探测器上的过程中的参数信息计算各项指标，并判断各项指标是否在空间科学探测任务的工程技术指标范围内，进而对离子探测器性能进行评估；所述离子探测器包括：阻滞势分析器、静电分析器和线性飞行时间系统；所述线性飞行时间系统包括：碳膜、微通道板和固体半导体探测器；
所述参数信息包括：离子的坐标、能量、方位角、俯仰角和飞行时间；
所述各项指标包括：静电分析器的固有能量分辨率，阻滞势分析器和静电分析器的总能量分辨率，离子探测器的探测方位角分辨率、探测俯仰角范围、俯仰角分辨率和几何因子；
所述碳膜，用于在离子进入线性场飞行时间系统后产生二次电子；
所述微通道板，用于接收产生的二次电子，形成起始脉冲信号；
所述固体半导体探测器，用于接收被碳膜反射的离子，并产生终止脉冲信号；
静电分析器的固有能量分辨率η1计算式为：
η1＝Halfwidth1/μ1
静电分析器和阻滞势分析器的总能量分辨率η2计算式为：
η2＝Halfwidth2/xi
方位角分辨率α定义为次级电子在微通道板上形成的光斑与旋转中心构成的圆心角的大小，计算式为：
O为中心点坐标，A'和B'是半高宽上的两个点；
离子探测器的俯仰角分辨率η3计算式为：
η3＝Halfwidth3
离子探测器的俯仰角范围为：
粒子探测器的几何因子G的计算式为：
其中，Halfwidth1、Halfwidth2和Halfwidth3分别为静电分析器的固有能量分辨率、静电分析器和阻滞势分析器的总能量分辨率、以及离子探测器的俯仰角分辨率的高斯拟合能谱分布半高宽，μ1为中心能量；xi为对单一能量的离子得到的归一化微分计数进行拟合得到的拟合函数fi(x)最大值对应的横坐标值；俯仰角范围的最小值为施加偏转板电压绝对值最小时计算出的左零点，俯仰角范围的最大值/>为施加偏转板电压绝对值最大时计算出的右零点；χ、β、E、Aact分别为通道方位角、俯仰角、能量和探测有效面积；
Halfwidth1、Halfwidth3和的获取过程包括：
对获取的粒子参数信息进行筛选，选出第一数据集和第二数据集，其中第一数据集表示入射时离子的参数信息，第二数据集表示离子穿出静电分析器时的参数信息；两个数据集中的参数信息都包含离子的编号、能量和俯仰角；
对第一数据集和第二数据集进行遍历，如果第二数据集离子的编号等于第一数据集离子的编号，则记录该编号的离子在第一数据集中的能量值和俯仰角值，最终得到能够穿出静电分析器的离子入射时的能量信息KE和俯仰角信息Elv；
对能量信息KE和俯仰角信息Elv分别进行高斯拟合，分别计算出高斯拟合能谱分布半高宽Halfwidth1和Halfwidth3；
统计偏转板加不同电压时有效离子入射俯仰角分布，俯仰角范围的最小值为施加偏转板电压绝对值最小时计算出的左零点俯仰角范围的最大值为施加偏转板电压绝对值最大时计算出的右零点/>从而得到离子探测器的俯仰角范围为：/>
Halfwidth2的获取过程包括：
固定静电分析器的电压，统计每组阻滞势分析器电压下，射入不同单能量离子时，飞出静电分析器的离子数，与阻滞势分析器电压未加电压时的离子计数做比值进行归一化处理，最终获得关于阻滞势分析器电压、入射离子能量和归一化比例的面板数据；进行如下差分计算：
其中，表示在第i组阻滞势分析器电压下，射入第j种能量离子时的归一化微分计数；ni,j和ni+1,j分别表示在第i组和第i+1组阻滞势分析器电压下，射入第j种能量离子时的离子计数；
对各种单一能量的离子下得到的归一化微分计数进行拟合，得到拟合函数fi(x)，假设函数的最大值Ai的横坐标值为xi，根据下面模型计算半高宽：
求解上述模型的零点分别为计算出每条曲线的半高宽和总半高宽分别为：
Halfwidth2＝mean{Halfwidthi}
mean{}表示求均值函数。
2.根据权利要求1所述的数字化拾取离子探测器性能分析的方法，其特征在于，和的获取过程包括：
在阻滞势分析器左端的入口处发射离子，在穿出静电分析器后、打到碳膜前位置处统计并记录离子信息，包括编号、俯仰角、能量和位置，并将除能量以外的信息作为二次电子的初始位置信息，二次电子能量设置为低能量；
在碳膜处发射二次电子，在微通道板处记录二次电子的信息，包括编号、俯仰角、能量和位置，绘制在微通道板处二次电子的x-z平面的计数分布，通过对这些数据的处理和分析得到拾起离子探测器的探测方位角分辨率，处理过程包括：
统计的数据点的x轴坐标集合和z轴坐标集合；选出两个端点A、B的纵坐标z的最大值和最小值记为z1＝max{Z},z2＝min{Z}；得到A、B两个点的坐标分别为：A(x1,z1)，B(x2,z2)；
半高宽上的两个点A'和B'的坐标分别为：进而得到向量/>和/>
3.根据权利要求1所述的数字化拾取离子探测器性能分析的方法，其特征在于，方位角χ、俯仰角β、能量E和探测有效面积Aact获取过程包括：
在阻滞势分析器左端的入口处发射离子，在离子穿出静电分析器处统计并记录离子的信息，包括：编号、俯仰角、能量和位置，通过能够穿过静电分析器的离子的编号反向追溯到入射时这些离子的信息；基于获取的信息建立第三数据集和第四数据集，其中第三数据集表示入射时离子的参数信息，第四数据集表示离子穿出静电分析器时的参数信息，两个数据集中都包含离子的编号俯仰角、能量和位置坐标；
对第三数据集和第四数据集进行遍历，如果第四数据集离子的编号等于第三数据集离子的编号，则记录该编号的离子在第三数据集中的俯仰角、能量和位置坐标，最终得到能够穿出静电分析器的离子入射时的俯仰角β、能量E和位置坐标信息(X,Y,Z)，根据这些信息可绘制离子束E-β相空间分布图和离子在左视图y-z平面的几何探测区域的计数分布图；探测有效面积Aact为几何探测面积和探测效率的乘积；根据离子在左视图y-z平面的几何探测区域的计数分布图计算出该区域围成的几何探测面积；探测效率为探测面积内的离子个数与总发射离子个数的比值；
通道方位角D为通道数。
4.根据权利要求1-3任一所述的数字化拾取离子探测器性能分析的方法，其特征在于，所述方法还包括：对在轨运行条件下的离子探测器进行热分析；热分析过程包括：
基于卫星在轨运行时的能量守恒关系，计算卫星平台的温度波动，进而分析对离子探测器性能的影响；
开展温度效应影响建模与分析：基于卫星三维物理模型和卫星运行的空间环境，计算到达卫星表面的外热流；基于卫星结构和物性参数，模拟离子探测器周围的温度分布和热变形。
5.一种数字化拾取离子探测器性能分析的系统，基于权利要求1-4任一所述的方法实现，其特征在于，该系统包括：数据处理模块，用于利用离子从入射阻滞势分析器到最终打到微通道板和固体半导体探测器上的过程中的参数信息计算各项指标，并判断各项指标是否在空间科学探测任务的工程技术指标范围内，进而对离子探测器性能进行评估；所述离子探测器包括：阻滞势分析器、静电分析器和线性飞行时间系统；所述线性飞行时间系统包括：碳膜、微通道板和固体半导体探测器；
所述参数信息包括：离子的坐标、能量、方位角、俯仰角和飞行时间；
所述各项指标包括：静电分析器的固有能量分辨率，阻滞势分析器和静电分析器的总能量分辨率，离子探测器的探测方位角分辨率、探测俯仰角范围、俯仰角分辨率和几何因子。
6.根据权利要求5所述的数字化拾取离子探测器性能分析的系统，其特征在于，所述系统还包括：热分析模块，用于对在轨运行条件下的离子探测器进行热分析；热分析过程包括：
基于卫星在轨运行时的能量守恒关系，计算卫星平台的温度波动，进而分析对离子探测器性能的影响；
开展温度效应影响建模与分析：基于卫星三维物理模型和卫星运行的空间环境，计算到达卫星表面的外热流；基于卫星结构和物性参数，模拟离子探测器周围的温度分布和热变形。
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