CN112147668A - 一种宽量程小型化空间质子探测器及探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及空间辐射环境探测技术领域，尤其涉及一种宽量程小型化空间质子探测器及探测方法，包括低能探测区和高能探测区，其中：低能探测区用于探测鉴别中能质子，设置有石墨烯薄膜、微通道板以及第一探测器，高能探测区用于探测鉴别高能质子，设置有第二探测器、Ta降能片以及第三探测器；第一探测器、第二探测器、Ta降能片以及第三探测器由薄到厚依次排列，本发明通过石墨烯薄膜+硅半导体的方法对低能段的中能质子进行探测鉴别，通过硅半导体+Ta降能片+闪烁晶体构成的望远镜式探测方法对高能段的高能质子进行探测鉴别，测量范围大，测量量程宽，同时减小了探测器的尺寸，实现了探测器小型化的设计，可以满足军星搭载以及微纳卫星的需求。

Description

一种宽量程小型化空间质子探测器及探测方法
技术领域
本发明涉及空间辐射环境探测技术领域，尤其涉及一种宽量程小型化空间质子探测器及探测方法。
背景技术
空间辐射环境是影响航天器在轨安全运行的主要因素，空间辐射环境的准确探测也是空间态势感知、空间天气预告的前提。空间辐射环境主要包括质子、电子以及重离子等，其中的质子主要分布在地球内辐射带，能量主要在50KeV-150MeV的大动态范围内。这些粒子的存在会给航天器和卫星带来电离总剂量、单粒子效应等辐射危害，严重影响航天器在轨性能和安全运行。通过准确探测空间辐射粒子能够为灾害性事件研究和早期的警报提供重要技术支撑，也可为航天器的安全保障提供服务，还能为空间科学研究提供重要的输入数据。
国外在粒子探测技术方面，正朝着具有多粒子探测、多信息探测、粒子种类鉴别能力的复合探测器方向发展；同时，也逐渐发展为小型化、低功耗的统配性载荷。与国外同类型探测器相比，虽然目前的中高能质子测量技术已相对成熟，但我国研制的探测器和电路复杂，探测器体积较大，功耗偏大，卫星无法提供足够的资源。随着我国航天事业的飞速发展，导航卫星、高分辨率对地观测卫星、新型侦查卫星、新型通讯卫星等军事需求日益增多，而且空间任务的要求也日益复杂，航天器的***功能不断拓展。与此同时随着微纳卫星/星座卫星技术的不断成熟，微纳卫星需要具有的小型化、低成本、高性能、高灵活性等性能，这些都迫使其有效载荷也需要满足低成本、小型化、高可靠的应用发展需求，另一方面，目前的质子探测器多为单方向、窄量程测量，测量范围不能覆盖空间环境的中高能量段的质子。
因此，需要发展小型化、高集成度的中高能质子探测技术，降低质量和功耗，减少平台资源开销，更好的适应未来的搭载需求。针对50KeV-150MeV的中高能质子，测量范围大，且由于中能质子和高能质子同时存在，用传统的硅半导体望远镜***无法实现小型化、低功耗的设计需求。因此需要采用分段设计、综合测量的设计方法，将需探测的50KeV-150MeV的中高能质子分段为低能段和高能段，低能段的能量范围为50KeV-2MeV，而高能段的为2MeV-150MeV。为此，设计了基于纳米石墨烯薄膜加硅半导体、硅半导体望远镜方式相结合的探测器和探测方法，实现宽量程、小型化、集约化设计，以满足军星搭载以及微纳卫星的需求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种宽量程小型化空间质子探测器及探测方法，将中高能质子进行分段探测，实现宽量程、小型化、集约化的探测需求。
本发明公开的一种宽量程小型化空间质子探测器，包括低能探测区和高能探测区，其中：低能探测区用于探测鉴别中能质子，设置有石墨烯薄膜、微通道板以及第一探测器，第一探测器设置在石墨烯薄膜的一侧，射入的中能质子穿过石墨烯薄膜，射到第一探测器上；高能探测区用于探测鉴别高能质子，设置有第二探测器、Ta降能片以及第三探测器；第一探测器、第二探测器、Ta降能片以及第三探测器由薄到厚依次排列，射入的高能质子依次穿过石墨烯薄膜、第一探测器、第二探测器、Ta降能片，射到第三探测器上。
进一步的，中能质子的能量为50KeV-2MeV。
进一步的，高能质子的能量为2MeV-150MeV。
进一步的，第一探测器和第二探测器均为Si半导体探测器。
进一步的，第一探测器的厚度小于30um，第二探测器的厚度为250um-350um。
进一步的，第三探测器为BGO闪烁晶体探测器，第三探测器的厚度为1.5cm-2.5cm。
进一步的，Ta降能片的厚度为8-12mm。
本发明还公开了一种空间质子探测方法，该方法应用于上述宽量程小型化空间质子探测器中，该方法包括：步骤一：将需探测的中高能质子通过石墨烯薄膜射入宽量程小型化空间质子探测器中；步骤二：探测鉴别中能质子，中能质子在低能探测区飞行，通过微通道板和第一探测器探测鉴别中能质子；步骤三：探测鉴别高能质子，高能质子会穿过低能探测区，在高能探测区飞行，通过第一探测器、第二探测器和第三探测器探测鉴别高能质子。
进一步的，在步骤二探测鉴别中能质子时，通过微通道板记录中能质子穿过石墨烯薄膜的初始时间，通过第一探测器记录中能质子到达的终止时间和中能质子的能量，通过计算可以得到中能质子的飞行时间，将中能质子的能量和中能质子的飞行时间相结合，计算得出中能质子的质量数，实现对中能质子的探测鉴别。
进一步的，在步骤三探测鉴别高能质子时，通过第一探测器记录高能质子的沉积能量ΔE1，通过第二探测器记录高能质子的沉积能量ΔE2，通过Ta降能片降低高能质子的能量，通过第三探测器记录高能质子的沉积能量ΔE3，根据沉积能量计算公式实现对高能质子的探测鉴别。
本发明提供的一种宽量程小型化空间质子探测器及探测方法，具有以下有益效果：
本发明提供的宽量程小型化空间质子探测器通过石墨烯薄膜+硅半导体的方法对低能段的中能质子进行探测鉴别，通过硅半导体+Ta降能片+闪烁晶体构成的望远镜式探测方法对高能段的高能质子进行探测鉴别，实现了对能量为50KeV-150MeV的中高能质子的探测鉴别，测量范围大，并且内部的探测器可以进行共享，实现了探测器集约化的设计，此外通过添加Ta降能片的方式，一方面增大了探测器的动态范围，另一方面减小了探测器的尺寸，实现了探测器小型化的设计，可以满足军星搭载以及微纳卫星的需求。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明实施例的宽量程小型化空间质子探测器的示意图。
图中：1-低能探测区、11-石墨烯薄膜、12-微通道板、13-第一探测器、2-高能探测区、21-第二探测器、22-Ta降能片、23-第三探测器。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明公开的种宽量程小型化空间质子探测器，包括低能探测区1和高能探测区2，其中：低能探测区1用于探测鉴别中能质子，设置有石墨烯薄膜11、微通道板12以及第一探测器12，第一探测器12设置在石墨烯薄膜11的一侧，射入的中能质子穿过石墨烯薄膜11，射到第一探测器12上；高能探测区2用于探测鉴别高能质子，设置有第二探测器21、Ta降能片22以及第三探测器23；第一探测器12、第二探测器21、Ta降能片22以及第三探测器23由薄到厚依次排列，射入的高能质子依次穿过石墨烯薄膜11、第一探测器12、第二探测器21、Ta降能片22，射到第三探测器23上。
具体的，本发明实施例提供的宽量程小型化空间质子探测器采用分段探测，综合测量的探测方式对空间辐射环境中的中高能质子进行探测鉴别。低能探测区1主要用于探测鉴别能量为50KeV-2MeV的中能质子，高能探测区2主要用于探测鉴别能量为2MeV-150MeV的高能质子。低能探测区1采用石墨烯薄膜11加硅半导体探测器的方式，通过记录质子入射的飞行时间和总能量信号，可以计算得到粒子的质量数，从而实现对中能质子的鉴别。在本发明实施例中，石墨烯薄膜11的厚度优选为1um，对质子的影响较小，质子可以顺利穿过，微通道板12主要用于测量时间，定时性能可以达到100ps，第一探测器12主要用于测量入射质子的能谱以及质子飞行的终止时间，通过控制石墨烯薄膜11与第一探测器12之间的距离来实现对中能质子飞行距离的控制，使中能质子的飞行距离为40mm，飞行时间为2ns-15ns，此时飞行时间测量误差小于600ps，完全满足中能质子的高精度鉴别，在限制了质子飞行距离的同时还能满足质子的高精度鉴别，实现了探测器的小型化。高能探测区2采用硅半导体+Ta降能片22+闪烁晶体构成的望远镜式探测的方式，硅半导体、Ta降能片22以及闪烁晶体由薄及厚排列，组成带电粒子探测望远镜***，硅半导体用于记录高能质子的沉积能量ΔE1和ΔE2，Ta降能片用于降低高能质子的能量，从而降低高能质子的射程，闪烁晶体用于记录高能质子的沉积能量ΔE3，后续根据沉积能量计算式ΔE·E∝mZ2，即可实现对高能质子的探测鉴别。
进一步的，中能质子的能量为50KeV-2MeV。在本发明实施例中，低能探测区1主要用于探测鉴别能量为50KeV-2MeV的质子。
进一步的，高能质子的能量为2MeV-150MeV。在本发明实施例中，高能探测区2主要用于探测鉴别能量为2MeV-150MeV的质子。
进一步的，第一探测器12和第二探测器21均为Si半导体探测器。第一探测器12和第二探测器21采用Si半导体探测器，在时间测量和能量测量方面均可以达到较高的分辨，满足质子的时间测量精度要求。
进一步的，第一探测器12的厚度小于30um，第二探测器21的厚度为250um-350um。第一探测器12同时作为高能探测区2的初始探测器，考虑高能质子能量下限值为2MeV，并且需要兼顾高能探测***的需求，给出触发信号，所以第一探测器12的厚度小于30um。第二探测器21主要为了提高高能探测***的效率，当高能质子在穿过第一探测器12时，如果没有第二探测器21，通过Ta降能片22后，第三探测器23对这部分高能质子的探测效率会有所降低，因此第二探测器21需要保证一定的厚度，并且使探测器噪声和漏电流应尽可能的低，因此在本发明实施例中，第二探测器21的厚度优选为300um。
进一步的，第三探测器23为BGO闪烁晶体探测器，第三探测器23的厚度为1.5cm-2.5cm。第三探测器23主要用于沉积高能质子的能量，会全部沉积150MeV质子能量，对于大于150MeV质子，其将穿过整个探头，因此采用高密度的闪烁晶体作为第三探测器23，同时考虑到整体探测器小型化的需求，闪烁晶体的密度应该尽可能的大，同时还需要有足够高的发光效率，因此采用密度较高的BGO闪烁晶体作为第三探测器23。
进一步的，Ta降能片22的厚度为8-12mm。Ta元素原子序数高，降能片密度大，采用Ta降能片22，能够沉积大部分高能质子的能量，从而可以缩小BGO闪烁晶体探测器的尺寸，实现探测器的小型化。不使用Ta降能片22时，150MeV质子在BGO晶体中的最大射程为4cm，因此4cm*4cm*4cm的BGO闪烁晶体才能满足探测需求，但是添加10mmTa降能片22后，BGO闪烁晶体探测器的厚度缩小至2cm即可，性能不会受到影响，完全满足150MeV高能质子的探测需求。
本发明还公开了一种空间质子探测方法，该方法应用于上述宽量程小型化空间质子探测器中，该方法包括：步骤一：将需探测的中高能质子通过石墨烯薄膜11射入宽量程小型化空间质子探测器中；步骤二：探测鉴别中能质子，中能质子在低能探测区1飞行，通过微通道板12和第一探测器12探测鉴别中能质子；步骤三：探测鉴别高能质子，高能质子会穿过低能探测区1，在高能探测区2飞行，通过第一探测器12、第二探测器21和第三探测器23探测鉴别高能质子。
进一步的，在步骤二探测鉴别中能质子时，通过微通道板12记录中能质子穿过石墨烯薄膜11的初始时间，通过第一探测器12记录中能质子到达的终止时间和中能质子的能量，通过计算可以得到中能质子的飞行时间，将中能质子的能量和中能质子的飞行时间相结合，计算得出中能质子的质量数，实现对中能质子的探测鉴别。
进一步的，在步骤三探测鉴别高能质子时，通过第一探测器12记录高能质子的沉积能量ΔE1，通过第二探测器21记录高能质子的沉积能量ΔE2，通过Ta降能片22降低高能质子的能量，从而降低高能质子在第三探测器23中的射程，确保第三探测器23能够全部沉积150MeV质子剩余的能量，通过第三探测器23记录高能质子的沉积能量ΔE3，根据沉积能量公式ΔE·E∝mZ2，其中，高能质子在第三探测器23无能量沉积时，ΔE＝ΔE1，E＝ΔE1+ΔE2，高能质子在第三探测器23有能量沉积时，ΔE＝ΔE1+ΔE2，E＝ΔE1+ΔE2+ΔE3，由于每一种特定成分的带电粒子，mZ2是一定的，通过上述能量沉积公式即可实现对高能质子的探测鉴别。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (10)

1.一种宽量程小型化空间质子探测器，其特征在于，包括低能探测区和高能探测区，其中：
所述低能探测区用于探测鉴别中能质子，设置有石墨烯薄膜、微通道板以及第一探测器，所述第一探测器设置在所述石墨烯薄膜的一侧，射入的中能质子穿过所述石墨烯薄膜，射到所述第一探测器上；
所述高能探测区用于探测鉴别高能质子，设置有第二探测器、Ta降能片以及第三探测器；
所述第一探测器、所述第二探测器、所述Ta降能片以及所述第三探测器由薄到厚依次排列，射入的高能质子依次穿过所述石墨烯薄膜、所述第一探测器、所述第二探测器、Ta降能片，射到所述第三探测器上。
2.根据权利要求1所述的宽量程小型化空间质子探测器，其特征在于，所述中能质子的能量为50KeV-2MeV。
3.根据权利要求1所述的宽量程小型化空间质子探测器，其特征在于，所述高能质子的能量为2MeV-150MeV。
4.根据权利要求1所述的宽量程小型化空间质子探测器，其特征在于，所述第一探测器和所述第二探测器均为Si半导体探测器。
5.根据权利要求4所述的宽量程小型化空间质子探测器，其特征在于，所述第一探测器的厚度小于30um，所述第二探测器的厚度为250um-350um。
6.根据权利要求1所述的宽量程小型化空间质子探测器，其特征在于，所述第三探测器为BGO闪烁晶体探测器，所述第三探测器的厚度为1.5cm-2.5cm。
7.根据权利要求1所述的宽量程小型化空间质子探测器，其特征在于，所述Ta降能片的厚度为8-12mm。
8.一种空间质子探测方法，其特征在于，该方法应用于权利要求1-7任一项所述的宽量程小型化空间质子探测器中，该方法包括：
步骤一：将需探测的中高能质子通过所述石墨烯薄膜射入所述宽量程小型化空间质子探测器中；
步骤二：探测鉴别中能质子，中能质子在所述低能探测区飞行，通过所述微通道板和所述第一探测器探测鉴别中能质子；
步骤三：探测鉴别高能质子，高能质子会穿过所述低能探测区，在所述高能探测区飞行，通过所述第一探测器、所述第二探测器和所述第三探测器探测鉴别高能质子。
9.根据权利要求8所述的空间质子探测方法，其特征在于，在所述步骤二探测鉴别中能质子时，通过所述微通道板记录中能质子穿过所述石墨烯薄膜的初始时间，通过所述第一探测器记录中能质子到达的终止时间和中能质子的能量，通过计算可以得到中能质子的飞行时间，将中能质子的能量和中能质子的飞行时间相结合，计算得出中能质子的质量数，实现对中能质子的探测鉴别。
10.根据权利要求6所述的空间质子探测方法，其特征在于，在所述步骤三探测鉴别高能质子时，通过第一探测器记录高能质子的沉积能量ΔE1，通过第二探测器记录高能质子的沉积能量ΔE2，通过Ta降能片降低高能质子的能量，通过第三探测器记录高能质子的沉积能量ΔE3，根据沉积能量公式计算实现对高能质子的探测鉴别。
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