一种分布式空间高能质子的多方向探测装置

摘要

一种基于多个卫星的分布式的多方向的高能质子探测装置，包括：卫星数量匹配的多个子探测装置，每个子探测装置包含方向传感器、电子学部件及机壳部分，其中：方向传感器包括：不少于一片半导体传感器，当空间粒子进入该半导体传感器时由于损失能量而在其两侧电极激起电信号脉冲；电子学部件，用于对方向传感器提供的电信号进行处理，以提供反映空间粒子在半导体传感器内沉积能量的信号；且每个方向传感器所包含的半导体传感器的法向在卫星经过同一个位置时处于同一个平面，每个传感器的法向在经过同一位置时不重叠，并且至少其中的一个法向指向朝天面。

权利要求

1.一种基于多个卫星的分布式的多方向的高能质子探测装置，其特征在于包括：与卫星数量匹配的多个子探测装置，各个子探测装置分别安装在卫星蒙皮以内，每个子探测装置包含方向传感器、电子学部件及机壳部分，其中：方向传感器包括：不少于一片半导体传感器，当空间粒子进入该半导体传感器时由于损失能量而在其两侧电极激起电信号脉冲；

所述方向传感器包括两片半导体传感器(5)；其中，所述半导体传感器还配置有：准直器(3)，将空间散射高能质子约束为所需要测量范围角度之内；金属挡光层(4)，用于遮挡可见光进入半导体传感器；和机壳(6)；空间高能质子穿透金属挡光层(4)，从而进入半导体传感器(5)，结合两片半导体传感器(5)的沉积能量的组合，得出所测高能质子能量；

方向传感器还包括前置放大器及成形电路，前置放大器用于将每片半导体传感器输出的反应带电粒子沉积能量的电荷信号分别进行放大并转变成电压脉冲信号，成形电路将前置放大器输出的电压脉冲信号成形输出；

电子学部件，用于对方向传感器提供的电信号进行处理，以提供反映空间粒子在半导体传感器内沉积能量的信号；

且每个方向传感器所包含的半导体传感器的法向在卫星经过同一个位置时处于同一个平面，每个传感器的法向在经过同一位置时不重叠，并且至少其中的一个法向指向朝天面。

2.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于：电子学部件包括：主放大器，用于将一路成形电路输出的信号或两路成形电路输出的信号经过相加电路后输出的信号进行放大；

峰保电路，用于对每个主放大器放大后的信号分别进行脉冲峰值保持；A/D采集电路，用于对峰值保持后的信号进行模数转换；FPGA电路，用于将所有的A/D采集电路得到的数字信号进行幅度分析和数据处理，其中不同的幅度代表着高能质子不同沉积能量。

3.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于：子探测装置还包含卫星接口电路，用于与卫星总线进行数据通信。

4.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于：方向传感器的半导体传感器采用厚度为大于0.1mm、小于3mm、灵敏面积不小于2mm×2mm的硅或金刚石类传感器。

5.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于：方向传感器对应的前置放大器采用集成运放电容反馈方式。

6.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于：半导体传感器前均设置一准直器。

7.根据权利要求6所述的探测装置，其特征在于：每个准直器前方均设不小于1um厚的金属挡光层，用于防止可见光射入。

8.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于：子探测装置安装在卫星蒙皮以内，仅方向传感器部分通过蒙皮开口伸出。

9.根据权利要求1所述的探测装置，其特征在于：半导体传感器如果超过1片则各半导体传感器之间平行度不小于20度。

说明书

一种分布式空间高能质子的多方向探测装置

技术领域

[0001] 本发明涉及空间粒子探测技术领域，更具体地说，是涉及一种基于多颗卫星的用于多方向探测空间质子的装置。

背景技术

[0002] 空间带电粒子是空间环境最重要的构成，也是对卫星的安全造成威胁的直接因素，特别是空间质子广泛存在于宇宙空间，因此空间带电粒子是空间环境研究中的主要研究对象。空间带电粒子探测已有几十年的历史，因此对空间带电粒子的认识已有一定的基础。但是随着空间科学研究的深入、航天技术的广泛渗透，人类对空间带电粒子及其效应的认识不断跨越新台阶，从而对于包括空间质子在内的各类带电粒子的多方向探测的需求变得越来越重要。

[0003] 空间中高能带电粒子是诱发航天器单粒子效应、辐射剂量效应和深层充放电效应的主要因素，是抗辐射加固的主要防护对象。空间带电粒子的多成分、宽能谱和强烈的各向异性，为防护设计评估增加了难度，尤其在低轨道的空间质子多方向性。空间带电粒子的空间分布、相对磁力线的投掷角分布、能谱分布以及它们随时间的变化，是空间环境各类模型构建研究及其效应危害研究的基本内容。

[0004] 由于空间带电粒子会对卫星造成各类效应造成干扰危害，因此，在卫星研制阶段、在轨管理及事后的故障诊断阶段，开展由于空间带电粒子造成的卫星辐射效应评估是一种降低危害的重要手段。而开展卫星辐射效应评估需要有在轨空间各类粒子的直接测量获得的数据，包括方向和能谱的数据。由于在地球空间存在着地磁场的约束，导致空间带电粒子分布呈现出各向异性(特别是在地球空间的低轨道上)，进而致使带电粒子对卫星的辐射效应也存在着各向差异，因而需要开展针对在轨卫星的多方向的高能质子探测。

[0005] 针对在轨卫星的多方向的高能质子的探测可以在单颗卫星上进行，但这需要卫星的例如重量、功耗、安装尺寸等平台资源相对较多，当然也可以基于同时间同高度飞行的多颗卫星进行分布式测量，从而降低对卫星平台资源的需求而又实现多方向上的探测。

发明内容

[0006] 为解决目前存在的评估卫星辐射剂量和单粒子事件等辐射效应需要多方向的空间高能质子的能谱数据的问题，本发明提供一种基于多颗卫星的分布式的多方向的高能质子的探测装置。

[0007] 为实现上述目的，本发明的基于多个卫星的分布式的多方向的高能质子探测装置包括：与卫星数量匹配的多个子探测装置，每个子探测装置包含方向传感器、电子学部件及机壳部分，其中：

[0008] 方向传感器包括：不少于一片半导体传感器，当空间粒子进入该半导体传感器时由于损失能量而在其两侧电极激起电信号脉冲；

[0009] 电子学部件，用于对方向传感器提供的电信号进行处理，以提供反映空间粒子在半导体传感器内沉积能量的信号；

[0010] 且每个方向传感器所包含的半导体传感器的法向在卫星经过同一个位置时处于同一个平面，每个传感器的法向在经过同一位置时不重叠，并且至少其中的一个法向指向朝天面。

[0011] 根据本发明的一个实施例，方向传感器还包括前置放大器及成形电路，前置放大器用于将每片半导体传感器输出的反应带电粒子沉积能量的电荷信号分别进行放大并转变成电压脉冲信号，成形电路将前置放大器输出的电压脉冲信号成形输出。

[0012] 根据本发明的一个实施例，电子学部件包括：主放大器，用于将一路成形电路输出的信号或两路成形电路输出的信号经过相加电路后输出的信号进行放大；峰保电路，用于对每个主放大器放大后的信号分别进行脉冲峰值保持；A/D采集电路，用于对峰值保持后的信号进行模数转换；FPGA电路，用于将所有的A/D采集电路得到的数字信号进行幅度分析和数据处理，其中不同的幅度代表着高能质子不同沉积能量。

[0013] 根据本发明的一个实施例，所述的子探测装置还包含卫星接口电路，用于与卫星总线进行数据通信。

[0014] 根据本发明的一个实施例，所述的方向传感器的半导体传感器采用厚度为大于 0.1mm、小于3mm、灵敏面积不小于2mm×2mm的硅或金刚石类传感器。所述的方向传感器对应的前置放大器采用集成运放电容反馈方式。

[0015] 根据本发明的一个实施例，所述的半导体传感器前均设置一准直器。

[0016] 根据本发明的一个实施例，所述的每个准直器前方均设不小于1um厚的金属挡光层，用于防止可见光射入。

[0017] 根据本发明的一个实施例，所述的子探测装置安装在卫星蒙皮以内，仅方向传感器部分通过蒙皮开口伸出。

[0018] 根据本发明的一个实施例，半导体传感器如果超过1片则各半导体传感器之间平行度不小于20度。

[0019] 本发明的优点在于：针对研究卫星辐射剂量效应和单粒子事件等辐射效应对于空间粒子多方向探测需求，利用本发明的分布式多方向空间高能质子探测装置，可以降低对于单颗卫星平台的重量、功耗等资源需求，并且可以实现多方向的高能质子探测，从而便于在航天工程进行应用。

附图说明

[0020] 图1为示例的用三颗卫星来搭载本发明的多方向高能质子探测装置在经过同一位置时的示意图。

[0021] 图2为本发明的探测装置的子探测装置的方向传感器的结构示意图。

[0022] 图3为利用本发明的多方向高能质子探测装置的子探测装置的电气示意图。

[0023] 附图标记：

[0024] 1、多方向探测装置            2、卫星            3、准直器[0025] 4、金属挡光层                5、半导体传感器    6、机壳

具体实施方式

[0026] 下面结合附图和实施例对本发明的基于多个卫星的分布式的多方向的辐射剂量率的探测装置的进行详细说明。

[0027] 图1为示例的用三颗卫星来搭载本发明的多方向辐射剂量率探测装置在经过同一位置时的示意图，即此多方向探测装置1中含有三个子探测装置，每个子探测装置对应于三颗卫星2中的一颗。图2为图1中的子探测装置的方向传感器的结构示意图。如图1所示的根据本发明的一个实施例，三颗卫星2在经过同一位置时，分别包含在三个子探测装置中的方向传感器中包含的半导体传感器5的法向处在同一个平面内，在本实施例中，当三颗卫星处于赤道上空时，其中一个子探测装置的半导体传感器的法向朝天，其他两个子探测装置的半导体传感器的法向分别与其相差 -45和+45度。

[0028] 在图2中，根据本发明的一个实施例的基于多个卫星的分布式的多方向的辐射剂量率的多方向探测装置1的子探测装置的方向传感器包括两片半导体传感器5。在此实施例中，半导体传感器5还配置有准直器3、金属挡光层4器及机壳6，这里，准直器3的功能在于将空间散射高能质子约束为所需要测量范围角度之内；金属挡光层4用于遮挡可见光进入半导体传感器5，而空间高能质子则可穿透金属挡光层4 从而进入半导体传感器5；空间高能质子在进入半导体传感器5内后会损失能量，因此便会在每片的两侧电极激起电信号脉冲，经适当的处理后的信号便可以反映空间质子在器件中的不同能量，结合两片半导体传感器的沉积能量的组合就可以得出所测高能质子能量。

[0029] 优选地，所述金属挡光层4和半导体传感器5为片形结构。金属挡光层4采用的具体材料种类和厚度可以根据卫星所处轨道和测量范围进行设计选择。半导体传感器5的材质和数目可以根据测试需要来确定，具体来说，当每个方向传感器只含有一片半导体传感器时只需配套一路电子学处理电路，当每个方向传感器含有多片传感器时则相应的每片传感器配有相应的前置放大器、成形电路、主放大器及峰保电路，最后统一接至A/D采集电路。半导体传感器5可以采用硅的或金刚石的，同时硅传感器可以选择离子注入型或者金硅面垒型等。

[0030] 在本发明的实施例中，多方向探测装置1的各子探测装置分别嵌入式安装在三颗卫星2的表面，即子探测装置分别安装在卫星蒙皮以内，仅方向传感器部分通过蒙皮开口伸出。所述多方向探测装置1的各子探测装置朝向太空的方向没有遮挡。

[0031] 在优选实施例中，金属挡光层4的厚度为15μm，采用铝合金材料，用于吸收可见光，避免由于光照而造成测量结果误差过大。

[0032] 图3所示为根据本发明的一个实施例的多方向探测装置1的一个子探测装置的电气实现原理框图，其中虚线中的各个部件构成该子探测装置。具体来说，此子探测装置的方向传感器包括二片半导体传感器5和5’，优选地，二片半导体传感器之间的平行度不小于20度。高能质子穿透金属挡光层4后先后进入两片半导体传感器 5和5’，在两片半导体传感器5和5’内损失能量，于是在半导体传感器5和5’的两侧电极激起电信号脉冲。分别利用前置放大器、成形电路、主放大器对半导体传感器5和5’产生的电信号进行放大和整形，最后再利用峰保电路获取变化峰值，并将获取的变化峰值送给A/D采集电路。A/D采集电路输出端与FPGA电路的输入端相连，FPGA电路对信号进行组合处理，而后FPGA电路通过卫星接口电路将该数据传送给卫星电子系统。

[0033] 以上以三颗卫星为例说明了本发明的多方向空间高能质子探测装置的结构设置特征和工作原理。显然，当卫星数量为二颗时，二个子探测装置可以设置得使得法向方向保证当卫星经过赤道上空时一颗卫星上的子探测装置的法向是垂直朝向天空的，另外一颗卫星上的子探测装置的法向与前者的法向呈一定角度，该角度范围为大于0度且小于90度，较好地为45度；当卫星数量为四颗时，四个子探测装置可以设置得使得法向方向保证当卫星经过赤道上空时至少有一颗卫星的子探测装置的法向是垂直朝向天空的，另外三颗卫星的子探测装置的法向与该第一颗卫星的子探测装置的法向分别呈一定角度，且这三个角度彼此不相同，该角度范围为大于0度小于90度，优选地这三个角度与第一课卫星的子探测装置的法向间呈25度、50度和75度；当其他数量卫星时，类似地，应该保证当卫星经过赤道上空时，有一颗卫星的子探测装置的法向是垂直朝向天空的，以获取最大方向高能质子通量。

[0034] 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。