CN105738936A - 空间辐射环境与效应组合探测结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间辐射环境与效应组合的探测结构，包括由主要用于去除中子和伽马射线干扰的内层屏蔽层和主要用于去除电子、质子、重离子干扰的外层屏蔽层即金属屏蔽层组成的探测壳体，壳体内设置金属薄层一以用于阻挡空间太阳光的影响，金属薄层下方依次间隔设置三层半导体探测层，用于对电子、质子、重离子、中子、伽马射线的探测；半导体探测层下方再依次间隔设置两层金属薄层，以用于对穿过半导体探测器的电子、质子、重离子等带电粒子产生的充电电位进行判读和并对其实现屏蔽；接着两层金属薄层下方再依次间隔设置两层半导体探测层以及夹在两层半导体探测层之间的用于中子产生反冲质子的聚合物薄层，两层半导体探测层分别用于对中子和伽马射线的探测。

Description

空间辐射环境与效应组合探测结构

技术领域

本发明属于空间环境与效应探测技术领域，具体涉及一种空间辐射环境与效应组合的探测结构。

背景技术

航天器在空间的运动过程中受到空间辐射环境和辐射效应的影响，空间辐射环境是引起航天器材料和器件性能退化甚至失效的主要环境因素，其中，空间粒子辐射环境主要包括星体诱捕辐射带、太阳宇宙射线、银河宇宙射线、中子等。此外，空间辐射环境可引起单粒子效应、总剂量效应、表面充放电效应、内带电效应和位移损伤效应等，这些效应的存在会造成航天器材料或器件产生在轨故障，甚至失效。

为此，开展空间环境与效应探测在航天工程上和科学上都具有重要的意义。一是可用于分析空间环境对航天器各方面性能的影响，建立空间环境效应地面模拟试验方法的前提和基础。二是可以作为空间天气预报和空间科学研究的重要数据补充。三是成为开展航天器在轨故障分析和预报预警的重要基础。四是建立空间环境环境及效应模型的重要支撑。

目前，国内外关于空间带电粒子的探测主要是用望远镜法，利用两到三层的半导体探头对电子、质子和重离子进行探测，例如参见图1，图1为现有技术中具有三层的半导体探头结构示意图，其中三层的半导体分别对电子、质子和重离子进行探测。而对射线的探测，有的用半导体探测，有的用气体探测器探测，也有用闪烁晶体进行探测的(具体参见《粒子探测技术》王晓莲等著，中国科学技术出版社)。

然而，国内外目前空间环境及效应探测主要是开展单一因素的空间环境效应探测，其缺点是环境或效应因素单一。如果要对多个环境或效应探测，则需要多套载荷，带来重量大、体积大、功耗高等问题。由此可见，提出利用一套探测装置，能够进行一体化探测各种空间环境中的因素非常有必要。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种空间辐射环境与效应组合的探测结构，该探测结构针对航天器在轨的现状，结合不同空间辐射环境与效应中存在的各种影响因素，实现了利用空间环境与效应探测的集成化、小型化、轻型化。

本发明采用的技术方案如下：

空间辐射环境与效应组合的探测结构，包括由主要用于去除中子和伽马射线干扰的内层屏蔽层和主要用于去除电子、质子、重离子干扰的外层屏蔽层即金属屏蔽层组成的探测壳体，探测壳体顶部盖设有盖板，盖板中间设置有入射空间辐射的开口，盖板底部设置金属薄层一以用于阻挡空间太阳光的影响，金属薄层下方依次间隔设置三层半导体探测层，用于对电子、质子、重离子、中子、伽马射线的探测；半导体探测层下方再依次间隔设置两层金属薄层，以用于对穿过半导体探测器的电子、质子、重离子等带电粒子产生的充电电位进行判读和并对其实现屏蔽；接着两层金属薄层下方再依次间隔设置两层半导体探测层以及夹在两层半导体探测层之间的用于中子产生反冲质子的聚合物薄层，两层半导体探测层分别用于对中子和伽马射线的探测。

其中，金属薄层一和两层金属薄层中每层金属薄层的材质也相同。

其中，半导体探测层为PIN型半导体，具体为锂漂移型或金硅面垒型等。其探测的信号包含电子、质子、重离子、中子、伽马射线，每层的厚度根据拟探测的能量范围来确定。其中，用于对中子和伽马射线的探测的半导体探测层的材质和厚度相同。

其中，金属薄层一的厚度为微米量级。

其中，金属薄层一和金属薄层的材质均为Al、Cu等低原子序数的金属材料。

其中，两层金属薄层各自的厚度根据电子、质子和重离子在穿透三层半导体探测层的过程中的剩余能量以及拟屏蔽的最高能量来确定。

进一步地，聚合物薄层为聚乙烯薄层等只对中子产生反冲质子的聚合物材料。

进一步地，聚合物薄层的厚度为0.01～1mm。

其中，外层屏蔽层为W等重金属材料，内层屏蔽层的材质分别为液态氢、液态水或含氢量较高的聚合物材料。

每层探测器之间的距离根据探测器的设计而定，通常为1～10mm之间的一定值。本发明与现有的三层半导体空间环境探测器的结构相比，通过组合优化设计和算法优化，利用一定厚度的半导体探测器，完全可以实现对电子、质子、重离子、中子、伽马射线、表面充电电位、内部充电电位等的辨识和探测。

附图说明

图1为现有技术中用于航天器空间环境的具有三层半导体的探测结构示意图。其中，1-金属薄层，厚度为微米量级，用于阻挡空间太阳光的影响；2，3,4-半导体探测器(如PIN型半导体)，用于对电子、质子、重离子的探测；5-外层屏蔽层，主要为金属屏蔽层，用于去除电子、质子、重离子等的干扰；6-内层屏蔽层，主要用于去除中子和伽马射线的干扰。

图2为本发明的一实施方式的空间辐射环境与效应组合的探测结构示意图，其中，1-金属薄层，厚度为微米量级，用于阻挡空间太阳光的影响；2，3,4-半导体探测器(如PIN型半导体)，用于对电子、质子、重离子、中子、伽马射线的探测；4,5-金属薄层，用于对充电电位的判读和对电子、质子、重离子的屏蔽；7,9-半导体探测器(如PIN型半导体)，用于对中子和伽马射线的探测；8-聚合物薄层，用于中子产生反冲质子；10-外层屏蔽层，主要为金属屏蔽层，用于去除电子、质子、重离子等的干扰；11-内层屏蔽层，主要用于去除中子和伽马射线的干扰。

图3为本发明一实施方式的探测器中的带电粒子能损图。

图4为本发明一实施方式的获得粒子谱信息示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具有刚性基底的α衰变推进单元构成的卫星推进器进行进一步说明，该说明仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明的保护范围。

参见图2，图2显示了本发明的一实施方式的空间辐射环境与效应组合的探测结构示意图，其中，该空间辐射环境与效应组合的探测结构，包括由主要用于去除中子和伽马射线干扰的内层屏蔽层11和主要用于去除电子、质子、重离子干扰的外层屏蔽层10即金属屏蔽层组成的探测壳体的侧壁，探测壳体顶部盖设有盖板，盖板为金属层，材质可与外屏蔽层10相同，盖板中间设置有入射空间辐射的开口，盖板底部设置金属薄层一1以用于阻挡空间太阳光的影响，金属薄层一1下方依次间隔设置三层半导体探测层(半导体探测层2，半导体探测层3，半导体探测层4)，用于对电子、质子、重离子、中子、伽马射线的探测，半导体层结构和厚度根据拟探测的能量而定；三层半导体探测层2，3，4的下方再依次间隔设置两层金属薄层5，6，金属薄层厚度根据拟探测电位而定，以用于探测穿过三层半导体探测层2,3,4之后的电子、质子、重离子等带电粒子引起的充电电位并对其进行屏蔽；接着两层金属薄层5，6下方再依次间隔设置两层半导体探测层7，9以及夹在两层半导体探测层7，9之间的用于中子产生反冲质子的聚合物薄层8，其厚度根据选用的材料和需要探测的灵敏度而定，两层半导体探测7，9层分别用于对中子和伽马射线的探测。

具体而言，层1、层5和层6为金属薄层，尤其是第1层的金属薄层，其目的主要是阻挡太阳光的影响，因此，应该满足阻挡太阳光的前提下，尽量薄，以避免对粒子的屏蔽效应，厚度应为微米量级，通常为1～10微米。

层2、层3和层4，对应半导体探测器D1、D2、D3，这里可选用PIN型半导体探测器，如锂漂移型或金硅面垒型等，其探测的信号包含电子、质子、重离子、中子、伽马射线。每层的厚度根据拟探测的能量范围来确定，厚度范围通常为0.1～5mm。如果需对整个探测能量范围内，对粒子的能量能够进一步划分，可增加探测器的数量。

层5、层6为金属薄层，如Al层，其目的是屏蔽层2、层3、层4之后穿透的电子、质子和重离子，同时实现对充电电位的探测。其厚度根据电子、质子和重离子在穿透层2、层3和层4的过程中的剩余能量以及拟屏蔽的最高能量来确定,厚度范围通常为0.01～1mm。

层7和层9对应于半导体探测器D4、D5，用于对中子和伽马射线的探测；层8为聚合物薄层(例如聚乙烯薄层)，用于中子产生反冲质子；中子和伽马射线穿透层7和层9后，应保证产生的效应是一致的，而层8主要目的是让中子产生反冲质子，反冲质子作用于层9后，将产生额外的信号，该信号用于辨别中子的含量和能量。

层10为外层屏蔽层，主要为金属屏蔽层，如W金属薄层，用于去除电子、质子、重离子、伽马射线等的干扰；11为内层屏蔽层，主要用于去除中子的干扰，其成分满足对中子的屏蔽即可。

实施过程如下：

首先，地面标定工作。分别对D1、D2、D3对电子、质子、重离子、中子、伽马射线的响应进行标定，对D4、D5对中子和伽马射线的响应进行标定。

第二，在探测过程中，D1、D2、D3、D4、D5探测器均加偏压，层5和层6金属层保持悬浮，即与周围绝缘，以探测电位。

第三，根据空间探测信号，实现中子和伽马射线的探测。如果不存在层8，则中子和伽马射线在穿过层7(D4)和层9(D5)的信号应该是一致的，在增加层8后，用于中子产生反冲质子，则D5的信号还包含一部分中子反冲质子的信号。由D5的探测信号与D4探测信号差异，可以判读出中子的信息，同时也可以得到伽马射线的信息。

第四，将D1、D2、D3探测信号去除由D4和D5得到的中子和伽马射线信息后，剩下的即为电子、质子、重离子的探测信息。带电粒子通过准直器射入传感器D1、D2、D3时，在各半导体探测器内沉积能量，以电离方式产生相应的电子空穴对，这些电子空穴对在高压电场的作用下，汇集到输出端并产生电荷脉冲。该电荷脉冲高度与粒子在该半导体探测器中沉积的能量成正比。

粒子在探测器中的能量损失，反映在电学上便是不同的脉冲高度。不同能量的各种粒子在探测器中的能量损失不同，对应于不同的脉冲高度，通过对脉冲高度的鉴别，就可以去掉那些在探测器中能量损失很低的粒子，从而进行粒子的鉴别。具体参见图3，图3为本发明一实施方式的探测器中的带电粒子能损图。图中横坐标为入射粒子能量，纵坐标为粒子在传感器中的损失能量。电子在探测器中的能量损失较低，对应的脉冲高度也低，选取一定的脉冲高度幅度1，在幅度1下的脉冲高度就是电子，在幅度1和幅度2之间的就是质子，在幅度2之上的是其它重离子。对信号进行鉴别阈分析和符合反复和处理，即可得到粒子谱的信息，见图4。因此，通过对如图3中的脉冲高度的分析，可以分析电子、质子和重离子的能量和数量。

空间辐射环境与效应涵盖范围广、因素多，最主要的空间辐射环境为电子、质子、重离子、中子、伽马射线，而空间辐射效应威胁较大因素之一为表面充放电效应和内带电效应。

首先，利用一层较薄的金属薄层屏蔽太阳光子对探测器的影响。

其次，利用半导体探测器对电子、质子、重离子、中子、伽马射线均敏感的特性，实现几种环境的探测；利用金属层来实现对电子、质子、重离子屏蔽的同时，实现充电电位的探测，同时利用金属层对中子和伽马射线不敏感，实现中子和伽马射线的高穿透；利用半导体探测器对中子和伽马射线敏感，同时中子与高分子材料可以产生反冲质子的特性，实现中子和伽马射线的分辨。

第三，先由中子和伽马射线的分辨，得到中子和伽马射线的能量和影响；由金属层的电位分析出表面充放电效应和内带电效应的特性；将电子、质子、重离子、中子和伽马射线的探测器信号去除已知的中子和伽马射线信号，即剩下电子、质子和重离子的探测信号，对三层或多层探测器的信号进行符合分析和反符合分析，利用脉冲幅度法等方法，可实现电子、质子和重离子的能量和通量的辨别。

本发明分别组合利用了一定数量的金属层，半导体探测层和聚合物薄层，可以实现金属层对高能粒子如电子、质子和重离子的屏蔽，而中子和伽马射线则可以完全穿透金属层，这样利用金属层实现了中子和伽马射线的有效辨别和分离。通过半导体探测器和中子在聚合物中的反冲质子效应，可以实现不同环境要素的有效辨别。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.空间辐射环境与效应组合的探测结构，包括由主要用于去除中子和伽马射线干扰的内层屏蔽层和主要用于去除电子、质子、重离子干扰的外层屏蔽层即金属屏蔽层组成的探测壳体，探测壳体顶部盖设有盖板，盖板中间设置有入射空间辐射的开口，盖板底部设置金属薄层一以用于阻挡空间太阳光的影响，金属薄层下方依次间隔设置三层半导体探测层，用于对电子、质子、重离子、中子、伽马射线的探测；半导体探测层下方再依次间隔设置两层金属薄层，以用于对穿过半导体探测器的电子、质子、重离子等带电粒子产生的充电电位进行判读和并对其实现屏蔽；接着两层金属薄层下方再依次间隔设置两层半导体探测层以及夹在两层半导体探测层之间的用于中子产生反冲质子的聚合物薄层，两层半导体探测层分别用于对中子和伽马射线的探测。

2.如权利要求1所述的空间辐射环境与效应组合的探测结构，其中，金属薄层一和两层金属薄层中每层金属薄层的材质也相同。

3.如权利要求1所述的空间辐射环境与效应组合的探测结构，其中，半导体探测层为PIN型半导体，具体为锂漂移型或金硅面垒型。

4.如权利要求3所述的空间辐射环境与效应组合的探测结构，其中，PIN型半导体探测的信号包含电子、质子、重离子、中子、伽马射线，每层的厚度根据拟探测的能量范围来确定。

5.如权利要求4所述的空间辐射环境与效应组合的探测结构，其中，用于对中子和伽马射线的探测的半导体探测层的材质和厚度相同。

6.如权利要求1所述的空间辐射环境与效应组合的探测结构，其中，金属薄层一的厚度为微米量级。

7.如权利要求3所述的空间辐射环境与效应组合的探测结构，其中，金属薄层一和金属薄层的材质均为Al、Cu的低原子序数的金属材料。

8.如权利要求7所述的空间辐射环境与效应组合的探测结构，其中，两层金属薄层各自的厚度根据电子、质子和重离子在穿透三层半导体探测层的过程中的剩余能量以及拟屏蔽的最高能量来确定。

9.如权利要求1所述的空间辐射环境与效应组合的探测结构，其中，聚合物薄层为聚乙烯薄层材料，聚合物薄层的厚度为0.01～1mm。

10.如权利要求1所述的空间辐射环境与效应组合的探测结构，其中，外层屏蔽层为重金属材料，内层屏蔽层的材质分别为液态氢、液态水或含氢量较高的聚合物材料。