行星际能量粒子探头、探测系统及探测方法技术方案

本发明专利技术提供一种行星际能量粒子探头、探测系统及探测方法，行星际能量粒子探头包括两套望远镜系统，望远镜系统包括两个望远镜单元，每一个望远镜单元均具有开口的第一端及第二端，望远镜单元还包括多层并排设置的半导体探测器。望远镜单元的第一端设置有吸收箔，第二端设置有磁偏转系统，半导体探测器设置在吸收箔和磁偏转系统之间，从而在望远镜单元的两端分别探测不同能量的中高能电子、质子以及中高能离子。行星际能量粒子探测系统采用本发明专利技术所述的行星际能量粒子探头，并且进行精细的能档划分，以实现在行星际空间中对能量电子、质子和氨离子的高精度实地探测，为研究太阳系高能粒子的起源和加速提供至关重要的观测数据。粒子的起源和加速提供至关重要的观测数据。粒子的起源和加速提供至关重要的观测数据。

【技术实现步骤摘要】
行星际能量粒子探头、探测系统及探测方法


[0001]本申请涉及空间粒子观测领域，具体涉及行星际能量粒子探头、探测系统及探测方法。

技术介绍

[0002]太阳系高能粒子的起源和加速一直是空间物理学的重要前沿课题之一。在行星际空间中观测到的太阳系高能粒子主要分为两类：一类是持续存在的“太阳风高能粒子”，一类是间歇性的“太阳高能粒子事件”。对于太阳高能粒子事件，人们通常认为它起源于太阳爆发活动，但是还不清楚其粒子加速过程的物理机制和本质。对于太阳风高能粒子，由于以往的粒子探测器的灵敏度局限性，导致其观测数据有限，所以人们对这类粒子的起源和加速机制还知之甚少。
[0003]太阳是一个优秀的天然粒子加速器，在各种瞬变过程中，特别是太阳耀斑和日冕物质抛射过程中，它能够把离子从几十keV加速到高达几十GeV，把电子从几十eV加速到高达数百MeV(Lin，2005)。当加速区域与开放磁力线相连时，被加速的带电粒子可以沿着开放磁力线逃逸到行星际空间中，被卫星上的粒子探测器观测到：这些带电粒子的能量远高于热等离子体能量，其通量具有明显的速度色散特征(即速度快的粒子比速度慢的粒子早到达卫星)，这种现象被称为太阳高能粒子事件。这些粒子携带着高能粒子的起源和加速过程的信息。在1AU附近观测到的太阳高能粒子事件一般分为两类：缓变型和脉冲型。
[0004]最近很多研究表明缓变型太阳高能粒子事件与日冕物质抛射的关联比早期认为的要复杂很多。此外，太阳高能粒子事件的粒子能谱通常为双幂律谱，现有的粒子加速理论和模型还无法解释这种双幂律谱的产生。因此，目前我们还不清楚缓变型太阳高能粒子事件的具体加速区域、机制和过程。行星际空间中的局地激波加速现象可为解决这些重大科学问题提过一个突破口，但是现有的行星际空间能量粒子探测器由于其能档分辨率、角度分辨率和时间分辨率的局限性，还无法观测到局地激波粒子加速过程的精细时空特征。因此，为了探索缓变型太阳高能粒子的起源和加速这一重大科学问题，我们需要在行星际空间中对能量粒子进行高精度的实地观测。
[0005]脉冲型太阳高能粒子事件(也称为“富含电子和3He”的太阳高能粒子事件)主要由～1
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100keV电子组成，伴随着低强度的能量为～MeV/nucleon的离子(图4)，而且富含He离子、重原子核(例如Fe的丰度增加～10倍)和>200amu的超重原子核，离子电离态高。这类事件是在太阳上发生的最普遍的粒子加速现象。此外，最近的研究发现在脉冲型太阳高能粒子事件中，低能电子、高能电子和富含He的离子通常不是同时在太阳上加速和释放的：低能电子先被加速和释放，这些电子通过与日冕大气和太阳风等离子的相互作用产生Ⅲ型射电暴；高能电子则是在Ⅲ型射电暴开始之后约10
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30分钟被加速和释放；富含3He的离子是在Ⅲ型射电暴开始之后约一个小时被加速和释放。
[0006]以往的研究提出脉冲型太阳高能粒子件是在脉冲型太阳耀斑中被加速的。然而，最近发现在1AU附近观测到的“富含氨3”的太阳高能电子事件中，只有三分之一与软X射线
耀斑相关，而～60％与源自日面西侧的日冕物质抛射相关。很多观测研究还显示这些太阳能量粒子可能与太阳喷流相关。因此，脉冲型太阳高能粒子事件的起源和加速还不清楚。这很可能是因为脉冲型太阳高能粒子事件绝大多数的能量范围窄，粒子通量小，持续时间非常短(〈几分钟)，沿磁力线运动的束流角宽度小，所以现有的行星际空间能量粒子探测器由于其能档分辨率、时间分辨率和角度分辨率的局限性，还不能探测到这些小事件。因此，为了攻克脉冲型太阳高能粒子如何起源和加速这一重大科学问题，也需要在行星际空间中对能量粒子进行高精度的实地观测。
[0007]太阳风高能粒子的通量较低。由于以往的粒子探测器的灵敏度相对有限，必须进行长时间的数据积累才能获得足够多的粒子计数来实现对太阳风高能粒子的有效观测。有限的探测器灵敏度限制了对太阳风高能粒子的精细时空特征的获知。因此，人们对这类在行星际空间中更普遍存在的高能粒子现象的起源和加速还知之甚少。目前我国在行星际能量粒子探测器领域尚属空白。因此，开发高精度、低噪声的能量粒子仪器是攻克太阳系高能粒子的起源和加速这一重要前沿科学课题，以及填补我国在行星际空间能量粒子探测器领域空白的迫切需求。

技术实现思路

[0008]针对行星际空间能量粒子探测方面的上述不足，本专利技术提供一种行星际能量粒子探头、探测系统及探测方法。本专利技术的行星际能量粒子探头包括两套望远镜系统，望远镜系统包括两个望远镜单元，每一个望远镜单元均具有开口的第一端及第二端，望远镜单元还包括多层并排设置的半导体探测器。望远镜单元的第一端设置有吸收箔，第二端设置有磁偏转系统，半导体探测器设置在吸收箔和磁偏转系统之间，从而在望远镜单元的两端分别探测不同能量的中高能电子、质子以及中高能粒子。本专利技术的行星际能量粒子探头以及包含该探头的探测系统和探测方法能够区分电子、质子和粒子，实现精细能档观测，获得高能档分辨率。
[0009]根据本专利技术的第一方面，提供一种行星际能量粒子探头，其包括：安装基座以及安装在所述安装基座上的两套望远镜系统，其中：
[0010]所述望远镜系统包括两个望远镜单元以及用于支撑并固定所述望远镜单元的固定架，两个所述望远镜单元的轴线相互平行且垂直于所述固定架的平面，在所述安装基座上，两套望远镜系统中的所述望远镜单元的轴线相互垂直；
[0011]所述望远镜单元具有第一端及第二端，并且所述第一端和所述第二端均为开口，在所述固定架上，两个所述望远镜单元中的第一望远镜单元的第一端与所述第二望远镜单元的第二端位于所述固定架的同侧，所述第一望远镜单元的第二端与所述第二望远镜单元的第一端位于所述固定架的另一侧；
[0012]所述望远镜单元还包括多层并排设置的半导体探测器。
[0013]可选地，每一层所述半导体探测器均包括多个像素。
[0014]可选地，多层所述半导体探测器包括并排设置的4层半导体探测器，相邻半导体探测器之间的间距小于300μm。
[0015]可选地，每一层所述半导体探测器均包括5个像素，所述5个像素中的一个像素位于中间位置，其余像素环绕所述中间位置的像素设置。
[0016]可选地，所述望远镜单元还包括吸收箔以及磁偏转系统，其中，
[0017]所述吸收箔设置在所述望远镜单元的第一端，以阻挡能量低于400keV的质子，使得所述半导体探测器自所述望远镜单元的第一端探测中高能电子及中高能质子；
[0018]所述磁偏转系统设置在所述望远镜单元的第二端，以偏转能量低于400keV的电子，使得所述半导体探测器自所述望远镜单元的第二端探测中高能离子；
[0019]所述半导体探测器位于所述吸收箔和所述磁偏转系统之间。
[0020]可选地，所述行星际能量粒子探头探测的中高能电子的能量介于20keV～1MeV，所述中高能质子的能量介于25keV～12MeV，所述中高能离子的能量介于1.5MeV～10MeV。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种行星际能量粒子探头，其特征在于，包括安装基座以及安装在所述安装基座上的两套望远镜系统，其中：所述望远镜系统包括两个望远镜单元以及用于支撑并固定所述望远镜单元的固定架，两个所述望远镜单元的轴线相互平行且垂直于所述固定架的平面，在所述安装基座上，两套望远镜系统中的所述望远镜单元的轴线相互垂直；所述望远镜单元具有第一端及第二端，并且所述第一端和所述第二端均为开口，在所述固定架上，两个所述望远镜单元中的第一望远镜单元的第一端与所述第二望远镜单元的第二端位于所述固定架的同侧，所述第一望远镜单元的第二端与所述第二望远镜单元的第一端位于所述固定架的另一侧；所述望远镜单元还包括多层并排设置的半导体探测器。2.根据权利要求1所述的行星际能量粒子探头，其特征在于，每一层所述半导体探测器均包括多个像素。3.根据权利要求1所述的行星际能量粒子探头，其特征在于，多层所述半导体探测器包括并排设置的4层半导体探测器，相邻半导体探测器之间的间距小于300μm。4.根据权利要求1～3中任意一项所述的行星际能量粒子探头，其特征在于，每一层所述半导体探测器均包括5个像素，所述5个像素中的一个像素位于中间位置，其余像素环绕所述中间位置的像素设置。5.根据权利要1所述的行星际能量粒子探头，其特征在于，所述望远镜单元还包括吸收箔以及磁偏转系统，其中，所述吸收箔设置在所述望远镜单元的第一端，以阻挡能量低于400keV的质子，使得所述半导体探测器自所述望远镜单元的第一端探测中高能电子及中高能质子；所述磁偏转系统设置在所述望远镜单元的第二端，以偏转能量低于400keV的电子，使得所述半导体探测器自所述望远镜单元的第二端探测中高能离子；所述半导体探测器位于所述吸收箔和所述磁偏转系统之间。6.根据权利要5所述的行星际能量粒子探头，其特征在于，所述行星际能量粒子探头探测的中高能电子的能量介于20keV～1MeV，所述中高能质子的能量介于25keV～12MeV，所述中高能离子的能量介于1.5MeV～10MeV。7.根据权利要5所述的行星际能量粒子探头，其特征在于，所述吸收箔与靠近所述第一端的所述半导体探测...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玲华，于向前，王永福，施伟红，宗秋刚，陈鸿飞，陈傲，杨芯，周率，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：