本发明公开了一种基于中性原子成像装置的粒子成分分析系统，所述系统包括：探测器模块、放大电路模块、比较电路模块、时间数字转换电路模块、FPGA控制电路模块和上位机；所述探测器模块用于产生粒子飞行的起始信号和结束信号；所述放大电路模块用于对起始信号和结束信号进行I‑V转换和脉冲幅度的放大；所述比较电路模块用于将放大电路模块输出的信号电平转化为要求的输入信号电平；所述时间数字转换电路模块用于根据起始信号和结束信号测量粒子的飞行时间；所述FPGA控制电路模块用于实现对时间数字转换电路模块的基本配置和通信，并与上位机进行通信；所述上位机用于根据粒子的飞行时间及粒子的能量，计算粒子的质量，从而分析出粒子的成分。
1.一种基于中性原子成像装置的粒子成分分析系统，所述系统安装在中性原子成像装置中，用于对空间粒子的成分进行分析，其特征在于，所述系统包括：探测器模块、放大电路模块、比较电路模块、时间数字转换电路模块、FPGA控制电路模块和上位机；
所述探测器模块，用于产生粒子的飞行时间起始信号和结束信号；
所述放大电路模块，用于对探测器模块输出的起始信号和结束信号进行I-V转换和脉冲幅度的放大；
所述比较电路模块，用于对起始信号和结束信号的电平进行转换，将放大电路模块输出的信号电平转化为时间数字转换电路模块要求的输入信号电平；
所述时间数字转换电路模块，用于接收所述比较电路模块输出的起始信号和结束信号，测量粒子的飞行时间；
所述FPGA控制电路模块，用于实现对时间数字转换电路模块的基本配置和通信，并与上位机进行通信；
所述上位机，用于根据FPGA控制电路模块上传的粒子的飞行时间及粒子的能量，计算粒子的质量，从而分析出粒子的成分，并进行显示和存储；
所述探测器模块包括第一MCP探测器和第二MCP探测器；所述第一MCP探测器用于收集粒子，由此产生粒子飞行时间测量的起始信号，所述第二MCP探测器，用于收集经过一段时间飞行后到达的粒子，由此产生粒子飞行时间测量的结束信号；第一MCP探测器和第二MCP探测器的固定位置差为粒子的飞行距离。
2.根据权利要求1所述的基于中性原子成像装置的粒子成分分析系统，其特征在于，所述放大电路模块包括前置放大器和主放大器。
3.根据权利要求1所述的基于中性原子成像装置的粒子成分分析系统，其特征在于，所述系统还包括：保护电路，所述保护电路分别设置于放大电路模块和比较电路模块中，当设置于放大电路模块时，所述保护电路包括极零相消电路和滤波电路，所述极零相消电路用于改善计数率过载和脉冲幅度叠加效应，所述滤波电路用于降低输出电压纹波系数，使输出电压波形更加平滑；当所述保护电路设置于比较电路模块时，所述保护电路包括滤波电路。
4.根据权利要求1所述的基于中性原子成像装置的粒子成分分析系统，其特征在于，所述时间数字转换电路模块包括专用时间数字转换芯片。
5.一种基于中性原子成像装置的粒子成分分析方法，基于权利要求1-4之一所述的系统实现，所述方法包括：步骤1)所述系统上电后，FPGA控制电路模块对时间数字转换电路模块进行初始化和基础配置，使其正常工作；
步骤2)所述放大电路模块接收到探测器模块输出的起始信号和结束信号后，对其进行I-V转换和幅度放大，经过保护电路的极零相消和滤波后，送入比较电路模块；
步骤3)比较电路模块将起始信号和结束信号转换成特定的电平信号，输出到时间数字转换电路模块；
步骤4)所述时间数字转换电路模块完成粒子飞行时间的测量，输出到FPGA控制电路模块；
步骤5)所述上位机从FPGA控制电路模块读取粒子飞行时间t，并通过第一MCP探测器和第二MCP探测器的固定位置差l计算粒子的飞行速度步骤6)所述FPGA控制电路模块从中性原子成像装置中的能量探测器获取粒子的能量E，发送到上位机，通过下述公式计算粒子的质量：在非相对论能区，粒子的动能E表示为：
步骤7)根据粒子的质量对粒子成分进行分析，并在上位机中进行显示和存储。
一种基于中性原子成像装置的粒子成分分析系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及空间探测技术领域，尤其涉及一种基于中性原子成像装置的粒子成分分析系统及方法。
背景技术
[0002] 中性原子成像是近年来正在发展的应用于空间探测的一种高新技术。基于中性原子成像装置，可以实现中性原子的通量、能量和空间分布的测量。目前，在此装置中，还没有实现对中性原子的粒子成分的测量。对空间环境中性原子的粒子成分进行测量，将有助于分析和解释空间环境宁静期和扰动期多种空间现象的相互作用过程和机制，尤其对环电流注入机制的研究将提供重要的科学数据。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于为了实现对空间中性原子的粒子成分的测量，提出了一种基于中性原子装置的粒子成分分析系统，能够实现高效地测量中性原子的飞行时间，并且结合中性原子装置提供的位置信息和能量信息，从而进行高分辨率的粒子成分分析。
[0004] 为了实现上述目的，本发明提供了一种基于中性原子成像装置的粒子成分分析系统，所述系统安装在中性原子成像装置中，用于对空间粒子的成分进行分析，所述系统包括：探测器模块、放大电路模块、比较电路模块、时间数字转换电路模块、FPGA控制电路模块和上位机；
[0005] 所述探测器模块，用于产生粒子的飞行时间起始信号和结束信号；
[0006] 所述放大电路模块，用于对探测器模块输出的起始信号和结束信号进行I-V转换和脉冲幅度的放大；
[0007] 所述比较电路模块，用于对起始信号和结束信号的电平进行转换，将放大电路模块输出的信号电平转化为时间数字转换电路模块要求的输入信号电平；
[0008] 所述时间数字转换电路模块，用于接收所述比较电路模块输出的起始信号和结束信号，测量粒子的飞行时间；
[0009] 所述FPGA控制电路模块，用于实现对时间数字转换电路模块的基本配置和通信，并与上位机进行通信；
[0010] 所述上位机，用于根据FPGA控制电路模块上传的粒子的飞行时间及粒子的能量，计算粒子的质量，从而分析出粒子的成分，并进行显示和存储。
[0011] 作为上述装置的一种改进，所述探测器模块包括第一MCP探测器和第二MCP探测器；所述第一MCP探测器用于收集粒子，由此产生粒子飞行时间测量的起始信号，所述第二MCP探测器，用于收集经过一段时间飞行后到达的粒子，由此产生粒子飞行时间测量的结束信号；第一MCP探测器和第二MCP探测器的固定位置差为粒子的飞行距离。
[0012] 作为上述装置的一种改进，所述放大电路模块包括前置放大器和主放大器。
[0013] 作为上述装置的一种改进，所述系统还包括：保护电路，所述保护电路分别设置于放大电路模块和比较电路模块中，当设置于放大电路模块时，所述保护电路包括极零相消电路和滤波电路，所述极零相消电路用于改善计数率过载和脉冲幅度叠加效应，所述滤波电路用于降低输出电压纹波系数，使输出电压波形更加平滑；当所述保护电路设置于比较电路模块时，所述保护电路包括滤波电路。
[0014] 作为上述装置的一种改进，所述时间数字转换电路模块包括专用时间数字转换芯片。
[0015] 一种基于中性原子成像装置的粒子成分分析方法，基于上述的系统实现，所述方法包括：
[0016] 步骤1)所述系统上电后，FPGA控制电路模块对时间数字转换电路模块进行初始化和基础配置，使其正常工作；
[0017] 步骤2)所述放大电路模块接收到探测器模块输出的起始信号和结束信号后，对其进行I-V转换和幅度放大，经过保护电路的极零相消和滤波后，送入比较电路模块；
[0018] 步骤3)比较电路模块将起始信号和结束信号转换成特定的电平信号，输出到时间数字转换电路模块；
[0019] 步骤4)所述时间数字转换电路模块完成粒子飞行时间的测量，输出到FPGA控制电路模块；
[0020] 步骤5)所述上位机从FPGA控制电路模块读取粒子飞行时间t，并通过第一MCP探测器和第二MCP探测器的固定位置差l计算粒子的飞行速度
[0021] 步骤6)所述FPGA控制电路模块从中性原子成像装置中的能量探测器获取粒子的能量E，发送到上位机，通过下述公式计算粒子的质量：
[0022] 在非相对论能区，粒子的动能E表示为：
[0023]
[0024] 则粒子的质量m表示为：
[0025]
[0026] 步骤7)根据粒子的质量对粒子成分进行分析，并在上位机中进行显示和存储。
[0027] 本发明的优点在于：
[0028] 1、本发明的系统为中性原子成像装置提供了新功能，即实现了中性原子的高分辨率的成分分析功能；
[0029] 2、本发明的系统具有电路结构简单，工作稳定和测量数据可靠的优点；
[0030] 3、本发明的系统所选的运算放大器均采用高速集成运算放大器，且采用多通道级联方式，获得更高增益，在PCB布局时，两路输入信号电路对称性更好，减少布局布线的时间延迟影响，节省制板面积；
[0031] 4、本发明的系统抗干扰能力强，系统内部模块间相互干扰小；模拟电路加了屏蔽装置，且设计PCB时，物理隔离了放大电路模块和其他电路模块。
附图说明
[0032] 图1为本发明的基于中性原子成像装置的粒子成分分析系统组成图。
具体实施方式
[0033] 下面结合附图对本发明作进一步的描述。
[0034] 如图1所示，一种基于中性原子成像装置的粒子成分分析系统，所述系统安装在中性原子成像装置中，用于对空间粒子的成分进行分析，所述系统包括：探测器模块、放大电路模块、比较电路模块、保护电路模块、时间数字转换电路模块、FPGA控制电路模块和上位机；
[0035] 所述探测器模块，包括第一MCP探测器和第二MCP探测器；所述第一MCP探测器用于收集粒子，由此产生粒子飞行时间测量的起始信号，所述第二MCP探测器，用于收集经过一段时间飞行后到达的粒子，由此产生粒子飞行时间测量的结束信号；第一MCP探测器和第二MCP探测器的固定位置差为粒子的飞行距离。
[0036] 所述放大电路模块，用于对探测器模块输出的起始信号和结束信号进行I-V转换和脉冲幅度的放大，该模块包括前置放大器和主放大器。
[0037] 所述比较电路模块，用于对起始信号和结束信号的电平进行转换，将放大电路模块输出的信号电平转化为TDC电路模块要求的输入信号电平，并且通过阈值电压的设置排除了小信号的干扰。
[0038] 所述保护电路分别设置于放大电路模块和比较电路模块中，当设置于放大电路模块时，所述保护电路包括极零相消电路和滤波电路，所述极零相消电路用于改善计数率过载和脉冲幅度叠加效应，所述滤波电路用于降低输出电压纹波系数，使输出电压波形更加平滑；当所述保护电路设置于比较电路模块时，所述保护电路包括滤波电路。
[0039] 所述时间数字转换电路模块，用于接收所述比较电路模块输出的起始信号和结束信号，测量粒子的高分辨率的飞行时间，所述时间数字转换电路模块包括TDC(专用时间数字转换)芯片。
[0040] 所述FPGA控制电路模块，用于实现对时间数字转换电路模块的基本配置、控制和通信，并与上位机进行通信；
[0041] 所述上位机，用于根据FPGA控制电路模块上传的粒子的飞行时间及粒子的能量，计算粒子的质量，从而分析出粒子的成分，并进行显示和存储。
[0042] 基于上述系统，本发明还提供了一种基于中性原子成像装置的粒子成分分析方法，所述方法包括：
[0043] 步骤1)所述系统上电后，FPGA控制电路模块对时间数字转换电路模块进行初始化和基础配置，使其正常工作；
[0044] 步骤2)所述放大电路模块接收到探测器模块输出的起始信号和结束信号后，对其进行I-V转换和幅度放大，经过保护电路的极零相消和滤波后，送入比较电路模块；
[0045] 步骤3)比较电路模块将起始信号和结束信号转换成特定的电平信号，输出到时间数字转换电路模块；
[0046] 步骤4)所述时间数字转换电路模块完成粒子飞行时间的测量，输出到FPGA控制电路模块；
[0047] 步骤5)所述上位机从FPGA控制电路模块读取粒子飞行时间t，并通过第一MCP探测器和第二MCP探测器的固定位置差l计算粒子的飞行速度
[0048] 步骤6)所述FPGA控制电路模块从中性原子成像装置中的能量探测器获取粒子的能量E，发送到上位机，通过下述公式计算粒子的质量：
[0049] 在非相对论能区，粒子的动能E表示为：
[0050]
[0051] 则粒子的质量m表示为：
[0052]
[0053] 步骤7)根据粒子的质量对粒子成分进行分析，并在上位机中进行显示和存储。
[0054] 经过仿真和实验验证，本发明的方法能够实现基于中性原子的高分辨率的飞行时间测量，从而实现基于中性原子成像装置的粒子成分分析功能。
[0055] 最后应当说明的是，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替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
