CN102353971B - 一种小型化低功耗的低能离子探测器 - Google Patents
一种小型化低功耗的低能离子探测器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102353971B CN102353971B CN 201110179895 CN201110179895A CN102353971B CN 102353971 B CN102353971 B CN 102353971B CN 201110179895 CN201110179895 CN 201110179895 CN 201110179895 A CN201110179895 A CN 201110179895A CN 102353971 B CN102353971 B CN 102353971B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- low
- converter
- detector
- power consumption
- energy ion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Electron Tubes For Measurement (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
本发明提供一种小型化低功耗的低能离子探测器，该探测器包含传感器和与传感器输出端相连的电路***部分，其特征在于：所述传感器为2个，且每个传感器均包含：一180°偏转电极、一90°～120°柱形静电分析器和一电子倍增器；其中，所述偏转电极实现极角方向的视场为180°；所述偏转电极、柱形静电分析器和电子倍增器依次串联，形成一中空的“U”形通路；所述两个传感器相向套合设置，用于实现两个180度偏转电极平行相反布放，进而实现360°扫描范围。所述电路***包含：两个前置放大器、高压电路和DA转换器、AD转换器、接口电路、电源***和FPGA单元；所述两个电子倍增器输出的电荷信号分别输入两个前置放大器进行放大，FPGA单元进行计数，完成离子探测。
Description
技术领域
本发明涉及一种小型化、低功耗的低能离子探测器，该探测器可以用于近地空间、深空探测等方面的低能离子的探测，特别涉及一种小型化低功耗的低能离子探测器。
背景技术
低能离子是空间物理、空间环境和空间天气研究的主要对象之一，也是各类航天器轨道空间环境的重要组成部分，对航天器的在轨安全及工作寿命具有重要影响。
小型化、低功耗是低能离子探测器的发展方向，特别是用于深空探测的航天器的资源有限，要求载荷的体积小、功耗小。目前国内用于空间低能离子探测的仪器的体积和功耗都较大，无法适应空间探测载荷小型化和低功耗的发展趋势。
现有技术的低能离子探测器包含：传感器和电路***。
目前国内用于空间低能离子探测的仪器的传感器都采用半球形静电分析器，这类分析器的体积较大。要实现半球形静电分析器360度极角的探测，需要使用环形的微通道板，而环形微通道板的面积较大。由于半球形静电分析器使用多个阳极实现角度测量，因此要实现360°极角方向22.5°的角度分辨率，则需要16个阳极且所述电路***部分还需采用16片前置放大器，这就增加了仪器的尺寸、质量和功耗。
所述16个前置放大器将电子倍增器输出的电荷信号进行放大，输出数字脉冲信号给单片机实现仪器的运行控制、数据采集处理等功能，这样需要的芯片的种类和数量较多，电路板的尺寸也很大，而且单片机***的功耗也较大。为实现仪器的高效运行，与单片机相连的DA转换器和AD转换器只能选用并行接口器件，但是并行接口器件的尺寸大，功耗高，造成整个电路板尺寸和功耗都大。
目前国内用于空间低能离子探测的仪器中静电分析器高压和倍增器高压各需要一套高压生成电路，这样电路的尺寸和功耗都会比较大。
发明内容
本发明的目的在于，为克服上述缺陷，本发明提供一种小型化低功耗的低能离子探测器。
为实现上述目的，本发明提供一种小型化低功耗的低能离子探测器，该探测器包含传感器和与传感器输出端相连的电路***部分，所述电路***部分还为所述传感器提供所需高压，其特征在于：
所述传感器具体个数为二，且每个传感器均包含：一180°偏转电极、一90°～120°柱形静电分析器和一电子倍增器；其中，所述偏转电极实现极角方向的视场为180°；
所述偏转电极、柱形静电分析器和电子倍增器依次串联，形成一中空的“U”形通路；所述两个传感器共形成两个“U”形结构，所述两个“U”结构相向套合，用于实现两个180度偏转电极平行相反布放，进而实现360°扫描范围。
上述技术方案中，所述电路***包含：两个前置放大器和一包含计数功能的FPGA单元；所述两个电子倍增器输出的电荷信号分别输入到两个前置放大器进行放大，所述前置放大器的输出数字脉冲信号输入所述FPGA单元进行计数，完成离子探测。
上述技术方案中，所述FPGA单元的功能还包含：对数压缩单元，控制单元和若干串行接口。
所述电路***还包含：高压电路、DA转换器、AD转换器和接口电路；所述DA转换器和AD转换器通过串行接口与所述FPGA单元相连；电源***，该电源***将外部输入电源转换为探测器内部所需的低压电源。
所述DA转换器在所述FPGA单元的控制下输出低压模拟量信号，该模拟量信号分别为所述偏转电极、静电分析器和电子倍增器的设定高压值；所述高压电路将DA转换器输出的低压转换为偏转电极高压、静电分析器高压和电子倍增器高压；
所述AD转换器采集探测器运行过程中的各个模拟量工程参数，并将采集的信号输入所述FPGA单元进行存储和发送；
所述接口电路与所述FPGA单元相连，用于接收外部设备注入所述FPGA单元的命令，并将所述FPGA单元采集的科学数据及工程参数发送到外部设备。
本发明的优点在于，首先改变了静电分析器的结构，静电分析器的结构改变后使用了小体积的通道电子倍增器，同时为了实现360度扫描范围对该静电分析器的入口设置了偏转电极，以及对两个传感器进行巧妙的布放，以上的改进在不改变扫描范围和分辨率的条件下大大降低了整个传感器尺寸和体积，这对于资源有限的航天器有着重要的使用意义；其次，电路***为了适应传感器器件的新构造也作出了改进，这又进一步降低整个探测器的尺寸、重量和功耗，大大改进了现有技术的低能离子探测器。
附图说明
图1是本发明的传感器结构示意图；
图2是本发明的电路***结构示意图。
附图标识：
1、偏转电极 2、静电分析器 3、电子倍增器
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明的进一步详细描述。
本发明提出一种小型化、低功耗的低能离子探测器，该探测器可以用于近地空间、深空探测等方面的低能离子的探测，该探测器的主要技术指标如表1所示该表为主要技术指标。
表1
本发明的探测器也包括传感器和电路***两部分，其中二者为一体化设计。
如图1所示，该图为本发明改进的传感器的结构示意图。本发明的传感器包括偏转电极、静电分析器和电子倍增器。
其中，传感器的入口为偏转电极1，用于选择入射离子的方向，两个偏转之间的压差用于决定所选择的入射离子的方向，即只有与两个偏转电极A和B所加电压匹配的入射方向的离子才能够进入到与偏转电极后面相连的静电分析器中，通过对两个电极所加的电压进行扫描，就可以实现对入射离子方向的扫描。
静电分析器2用于进行能量选择，其对经过偏转电极选择的离子进行偏转，即只有与静电分析器2所加电压能量匹配的离子才能够经过静电分析器；通过对静电分析器电压进行扫描，可以实现对入射到该静电分析器的离子能量进行扫描。
电子倍增器3用于对静电分析器出口的离子进行放大，其输出信号为电荷脉冲信号，该电荷脉冲信号输入电路***部分。
作为本发明的发明点之一，所述静电分析器2采用柱形静电分析器，相对于现有技术的半球形静电分析器这种柱形静电分析器可以大大减小体积。
由于仅仅使用柱形静电分析器无法实现探测多个离子入射角度的功能，因此需要在柱形静电分析器前面增加了离子入射角度选择的扫描电极即偏转电极1，这种结合方式可达到探测多个离子入射角的目的。
进一步的，一个扫描电极只能实现极角方向的视场为180°，为了实现360°的极角视场，需要两套扫描电极1。
如图1所示，传感器设计了两个对称的部分(图中用粗线和细线分别表示，每个部分均包括一个扫描电极、一个柱形静电分析器和一个电子倍增器)，两部分完全相同，本设计中巧妙地将两部分交错在一起，充分利用了内部空间，使得传感器的尺寸进一步减小。由于每部分极角方向的视场为180°，则两部分极角方向的总视场为360°。通过上述措施，实现了传感器的小型化，并且其视场可以达到半球形静电分析器的指标。
由于使用了柱形的静电分析器2，因此可以用体积更小的电子倍增器替代半球形静电分析器中所使用的面积较大的环形微通道板，有利于实现仪器的小型化。
电路***部分
电路***部分如图2所示，包括：前置放大器、高压电路、DA转换器、AD转换器、FPGA单元、接口电路以及电源***。每个单元的功能描述举如下：
前置放大器1和前置放大器2，用于对图1中两个电子倍增器输出的电荷信号进行放大，输出数字脉冲信号给FPGA单元进行计数。
DA转换器，在FPGA单元的控制下输出低压模拟量信号，该模拟量信号分别为偏转电极高压、静电分析器高压和电子倍增器高压的设定值。
高压电路，将DA转换器输出的低压转换为偏转电极高压、静电分析器高压和电子倍增器高压。
AD转换器，采集仪器运行过程中的各个模拟量工程参数。
接口电路，负责与外部设备通信，接收注入命令，并将采集到的科学数据及工程参数发送出去。
电源***，将外部输入电源转换为仪器内部所需的电源。
如前所述，本设计中前置放大器个数远远少于半球型静电分析器所需要的前置放大器的个数，减小了电路板尺寸和功耗。
使用FPGA单元替代原有的低能离子探测器中使用的单片机***实现仪器的运行控制、数据采集处理等功能，这样可以大大减少所需的芯片的种类和数量，节省电路板的尺寸，而且通过选用低功耗的FPGA，其功耗也要比传统的单片机***小。
由于使用了FPGA，DA转换器和AD转换器可以选用串行接口的器件，串行接口器件的尺寸比并行接口器件的尺寸小很多，功耗也要小，有助于减小电路板尺寸和功耗。
目前国内用于空间低能离子探测的仪器中静电分析器高压和倍增器高压各需要一套高压生成电路，如果本探测器也采取同样设计，则需要三套高压生成电路(偏转电极高压、静电分析器高压和倍增器高压)，这样电路的尺寸和功耗都会比较大。本设计中采用一套高压生成电路，然后用高压调制电路将这一路高压输出调制出传感器所需要的偏转电极高压、静电分析器高压和倍增器高压，从而减小电路尺寸和功耗，并且高压调制电路可以实现高压的快速扫描，有利于提高仪器的时间分辨率。
本设计中除了实现小型化和低功耗，电子学中的FPGA还实现了对数压缩，将两字节的科学数据压缩为一字节，这样数据率为原来的二分之一，可以减小仪器所需的数据下行带宽，由于在深空探测中数据下行带宽有限，这在深空探测中显得更为重要。
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 (5)
1.一种小型化低功耗的低能离子探测器，该探测器包含传感器和与传感器输出端相连的电路***部分，所述电路***部分还为所述传感器提供所需高压，且该探测器用于低能离子的探测，其特征在于：
所述传感器为2个，且每个传感器均包含：一180°偏转电极、一90°～120°柱形静电分析器和一电子倍增器；其中，所述偏转电极实现极角方向的视场为180°；
所述传感器的偏转电极、柱形静电分析器和电子倍增器依次串联连通，形成一中空的“U”形通路；所述两个传感器相向套合设置，用于实现两个180度偏转电极平行相反布放，进而实现360°扫描范围。
2.根据权利要求1所述的小型化低功耗的低能离子探测器，其特征在于，所述电路***包含：两个前置放大器和一包含计数功能的FPGA单元；
所述两个电子倍增器输出的电荷信号分别输入到两个前置放大器进行放大，所述前置放大器的输出数字脉冲信号输入所述FPGA单元进行计数，完成离子探测。
3.根据权利要求2所述的小型化低功耗的低能离子探测器，其特征在于，所述FPGA单元还包含：对数压缩单元，控制单元和若干串行接口。
4.根据权利要求3所述的小型化低功耗的低能离子探测器，其特征在于，所述电路***还包含：高压电路、DA转换器、AD转换器和接口电路；所述DA转换器和AD转换器通过串行接口与所述FPGA单元相连；
所述DA转换器在所述FPGA单元的控制下输出低压模拟量信号，该模拟量信号分别为所述偏转电极、静电分析器和电子倍增器的设定高压值；所述高压电路将DA转换器输出的低压转换为偏转电极高压、静电分析器高压和电子倍增器高压；
所述AD转换器采集探测器运行过程中的各个模拟量工程参数，并将采集的信号输入所述FPGA单元进行存储和发送；
所述接口电路与所述FPGA单元相连，用于接收外部设备注入所述FPGA单元的命令，并将FPGA单元采集的科学数据及存储的工程参数发送到外部设备。
5.根据权利要求2所述的小型化低功耗的低能离子探测器，其特征在于，所述电路***还包含电源***，该电源***将外部输入电源转换为探测器内部所需的低压电源。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201110179895 CN102353971B (zh) | 2011-06-29 | 2011-06-29 | 一种小型化低功耗的低能离子探测器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201110179895 CN102353971B (zh) | 2011-06-29 | 2011-06-29 | 一种小型化低功耗的低能离子探测器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102353971A CN102353971A (zh) | 2012-02-15 |
| CN102353971B true CN102353971B (zh) | 2013-02-13 |
Family
ID=45577563
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 201110179895 Expired - Fee Related CN102353971B (zh) | 2011-06-29 | 2011-06-29 | 一种小型化低功耗的低能离子探测器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102353971B (zh) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105990089B (zh) * | 2015-01-29 | 2017-09-29 | 中国科学院空间科学与应用研究中心 | 一种用于空间离子和中性原子的测量装置 |
| CN106568832A (zh) * | 2016-10-31 | 2017-04-19 | 中国科学院国家空间科学中心 | 一种用于空间热等离子体能量和成分测量的传感器装置 |
| CN112799120B (zh) * | 2019-11-13 | 2024-03-22 | 中国科学院国家空间科学中心 | 一种离子和电子同步测量的双通道静电分析器 |
| CN113534232B (zh) * | 2020-04-16 | 2024-04-09 | 中国科学院国家空间科学中心 | 一种同步测量电离层中性分子与带电粒子的装置及方法 |
| CN111487483B (zh) * | 2020-05-22 | 2022-05-24 | 北京卫星环境工程研究所 | 基于微通道板的紧凑型空间带电粒子探测器结构 |
| CN112526585A (zh) * | 2020-11-02 | 2021-03-19 | 中国科学院国家空间科学中心 | 一种原位测量轨道中性气体粒子速度的探测器及探测方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1196828A (zh) * | 1996-06-19 | 1998-10-21 | 松下电器产业株式会社 | 光电子材料、使用该材料的器件和制造光电子材料的方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7858276B2 (en) * | 2007-07-06 | 2010-12-28 | Advanced Micro Devices, Inc. | Method for determining suitability of a resist in semiconductor wafer fabrication |
-
2011
- 2011-06-29 CN CN 201110179895 patent/CN102353971B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1196828A (zh) * | 1996-06-19 | 1998-10-21 | 松下电器产业株式会社 | 光电子材料、使用该材料的器件和制造光电子材料的方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 低能离子束辅助大面积制备纳米点阵列;俞国军等,1;《核技术》;20071210;第30卷(第12期);995-997 * |
| 俞国军等,1.低能离子束辅助大面积制备纳米点阵列.《核技术》.2007,第30卷(第12期),995-997. |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102353971A (zh) | 2012-02-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102353971B (zh) | 一种小型化低功耗的低能离子探测器 | |
| CN101441169B (zh) | 平面四通道大气偏振信息检测传感器 | |
| CN103471726B (zh) | 飞焦级纳秒脉冲激光能量探测装置 | |
| CN101009762A (zh) | 红外焦平面读出电路 | |
| CN103995278A (zh) | 一种用于x射线安检装置的双能量线阵探测器 | |
| CN101963634B (zh) | 一体化光隔离雷电电场测量仪 | |
| CN111487483B (zh) | 基于微通道板的紧凑型空间带电粒子探测器结构 | |
| CN205229388U (zh) | 高压电气设备外部放电紫外脉冲法检测*** | |
| Dinu et al. | SiPM arrays and miniaturized readout electronics for compact gamma camera | |
| CN103792446A (zh) | 一种模拟电池放电性能的方法及实现该方法的电池模拟器 | |
| CN208752200U (zh) | 激光接收电路及距离校准设备 | |
| CN101533099B (zh) | 电荷频率转换器 | |
| CN101949964B (zh) | 空间电容式分压器及其在高压测量装置上的应用 | |
| CN104615030A (zh) | 一种便携式函数信号发生器 | |
| CN109600122A (zh) | 可变跨阻放大器电流-电压转换电路 | |
| CN108120501A (zh) | 一种宽量程微弱光照度测量装置 | |
| CN103940707A (zh) | 一种不溶性颗粒计数方法及装置 | |
| CN203561672U (zh) | 一种用于微机保护的电池电压采样电路 | |
| CN203930076U (zh) | 一种用于x射线安检装置的双能量线阵探测器 | |
| CN103630133A (zh) | 一种基于微通道板的大面阵探测器*** | |
| CN103543330B (zh) | 高精度电路采集装置 | |
| CN101231252B (zh) | 消除电子显微镜电子能量损失谱的能量漂移的方法及装置 | |
| CN111948697B (zh) | 一种星载中能电子探测器 | |
| CN103852780A (zh) | 宽视场角高能谱分辨率太阳x射线探测器 | |
| CN103487631B (zh) | 一种调制解调型电流传感器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 100190 No. two south of Zhongguancun, Haidian District, Beijing 1 Patentee after: NATIONAL SPACE SCIENCE CENTER, CAS Address before: 100190 No. two south of Zhongguancun, Haidian District, Beijing 1 Patentee before: Space Science & Applied Research Centre, Chinese Academy of Sciences |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130213 Termination date: 20210629 |