一种正负电子磁谱仪制造技术

本发明专利技术提供一种正负电子磁谱仪，包括一体化正负电子磁谱仪探头、偏置电压发生单元、信号读出单元和数据处理单元；所述一体化正负电子磁谱仪探头用于同时探测入射的特定能量范围的正电子和电子的能量和通量；所述偏置电压发生单元用于生成偏置电压并提供至所述一体化正负电子磁谱仪探头；所述信号读出单元用于读取所述一体化正负电子磁谱仪探头探测的信号；所述数据处理单元用于控制所述信号读出单元和所述偏置电压发生单元；以及接收来自上位机的指令并根据所述指令完成对应操作，并将采集的数据发送至所述上位机。本发明专利技术的正负电子磁谱仪采用一体化正负电子磁谱仪探头，能够同时测量能量为几十到几百keV的正负电子能谱。时测量能量为几十到几百keV的正负电子能谱。时测量能量为几十到几百keV的正负电子能谱。

【技术实现步骤摘要】
一种正负电子磁谱仪


[0001]本专利技术涉及空间探测用磁谱仪
，特别是涉及一种正负电子磁谱仪。

技术介绍

[0002]磁谱仪是利用磁场测量带电粒子动量或具有不同动量的带电粒子通量的仪器。磁谱仪工作原理是基于带电粒子在恒定磁场中绕磁力线所作的匀速圆周运动这一基本物理规律。带电粒子在匀强磁场的作用下做匀速圆周运动(又称拉莫尔运动)，其半径正比于带电粒子的动量。磁谱仪最早被应用在地面的物理和化学试验中，用于质谱分析。
[0003]1958年第一颗人造地球卫星的上天，人类进入空间时代。根据第一批卫星观测结果，人们发现近地空间充斥着各种高能带电粒子。1958年，Van Allen等利用安装在Explorer
‑
1,2卫星上的盖革计数器首先发现近地空间充满被地磁场捕获的高能带电粒子的区域。此区域被称为Van Allen带，又叫辐射带。被捕获的带电粒子主要集中在两个区域：一个区域的范围在1～2Re(Re为地球半径)，叫内辐射带(Inner belt)；另一个区域的中心在3～7Re，叫外辐射带(Outer belt)。内辐射带主要的粒子是高能质子。捕获的在内辐射带的质子主要来源于宇宙线反照中子衰减，其损失主要是与大气原子或者分子的库仑碰撞。对高能质子来说，损失和径向扩散的时间尺度是年的量级，所以内辐射带质子的分布被认为是非常稳定的。外辐射带的主要粒子成分是能量范围从几十keV到几个MeV的电子。与内辐射带质子通量相比，外辐射带电子通量的变化非常剧烈。特别是发生磁暴或磁层亚暴时，外带电子通量可以增加几个数量级。
[0004]星载磁谱仪在地球辐射带观测中起到了重要的作用。到目前为止，一个典型的星载磁谱仪是美国范阿伦探测器上的磁电子和离子谱仪MagEIS。MagEIS采用了半圆磁谱仪设计，其结构如图1所示。在仪器入口处有一个张角为20
°
的入射准直器。带电粒子入射准直器后进入匀强磁场区。在磁场作用下，不同能量的电子被偏转到不同位置的探测器上(位置1、2、3和4)。MagEIS采用的是经典的磁谱分析技术，在确定被测带电粒子为电子的情况下，在不同位置实现不同能量范围的电子的能量和通量测量。
[0005]除了地球辐射带中的电子，近地空间中还存在各种反粒子，其中就包括电子的反粒子，即正电子。正电子又称阳电子、反电子、正子，是基本粒子的一种。正电子带正电荷，质量和电子相等，是电子的反粒子。狄拉克最早从理论上预言正电子的存在。1932年美国加州理工学院的安德森等利用云室证实了正电子的存在。正电子的发现开辟了反物质领域的研究。目前已知的正电子的产生机制主要包括：
[0006]1)短寿命粒子衰变：比如放射性同位素13N就会通过正β衰变释放正电子。
[0007]2)电子对效应：能量大于1.02MeV的γ光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下，γ光子转变成一个电子和一个正电子。
[0008]3)核聚变反应：恒星主要的核反应会释放出正电子，例如太阳，四个质子聚合成1个氦核，同时释放出两个电子中微子和两个正电子。
[0009]从上述正电子的产生机制可知，近地空间中是存在正电子的。目前，有多个大型空
间反粒子探测计划正在进行空间正电子探测，如著名的阿尔法磁谱仪。阿尔法磁谱仪是在永磁体构成的匀强磁场内部及两端放置了多组可以测量入射位置的二维位置灵敏探测器组。当粒子从上到下穿越阿尔法磁谱仪的探测器组合时，其中的二维位置灵敏探测器组将测量其在匀强磁场中的偏转轨迹，进而确认其粒子种类和能量。
[0010]根据阿尔法磁谱仪的原理，它既可以测量普通的高能带电粒子，也可以测量其反粒子，因此类似阿尔法磁谱仪的这类大型磁谱仪也可以测量同时电子和正电子。然而，这些探测器测量的都是极高能量的电子和正电子(能量在几百MeV以上，可能来自物质与暗物质湮灭过程)；而且这些探测器的体积、重量和功耗都很大，在一般的大型卫星上都难以安装，需要基于磁谱仪设计特殊的卫星平台才能实现这类磁谱仪在空间的运行。
[0011]近年来的观测结果表明，闪电可能是近地空间中正电子的另一来源。Enoto等在地面用闪烁体探测器观测到了中心能量为0.511MeV的γ射线谱峰。这一能量的γ射线被认为可能是由正负电子湮灭产生的。这些正电子可能来源于闪电产生的高能γ射线与大气分子或者原子反应。在最新的一次观测中，Stanbro等用NASA研制的费米伽马暴监测仪(FERMI GAMMA
‑
RAY BURST MONITOR，简称GBM)观测到了地球伽玛射线闪电TGFs以及由TGFs与地球大气相互作用(康普顿散射、电子对效应等)产生的地球电子束TEMs。这类由闪电产生的TEMs/TGFs事件的特点：
[0012]1)持续时间≥1ms，沿磁力线运动过程中的色散效应；
[0013]2)511keV的γ谱线来自正负电子湮灭
[0014]3)闪电活动并非出现在星下点而是在磁力线足点；
[0015]4)可能出现一个镜像脉冲信号，源自磁镜中弹跳回来的粒子。
[0016]从以上两种观测可见，目前对闪电产生的正电子测量都是间接的。Enoto等实际测量的是伽玛射线，而GBM无法区分观测到的TEMs是电子还是正电子，比例是多少。因此，现有技术中尚未有真正对闪电产生的正电子的直接观测结果。
[0017]综上所述，目前在空间辐射环境探测中应用过的星载磁谱仪中，主要以单独测量电子或离子为主，如MagEIS。而可以同时测量电子和正电子的是类似阿尔法磁谱仪的大型磁谱仪，其体积大、重量大、功耗高，很难在常规的空间探测平台上应用。，而这类大型磁谱仪测量的是几百MeV以上的极高能量粒子。而对于几百keV的正负电子的同时探测，目前还没有适合的星载探测器可以实现。

技术实现思路

[0018]鉴于以上所述现有星载正负电子探测技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种微纳卫星平台用小型化正负电子磁谱仪，采用一体化正负电子磁谱仪探头，能够同时测量能量为几十到几百keV的正负电子能谱。
[0019]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种正负电子磁谱仪，包括一体化正负电子磁谱仪探头、偏置电压发生单元、信号读出单元和数据处理单元；所述一体化正负电子磁谱仪探头用于同时探测入射的特定能量范围的正电子和电子的能量和通量；所述偏置电压发生单元与所述一体化正负电子磁谱仪探头相连，用于生成偏置电压并提供至所述一体化正负电子磁谱仪探头；所述信号读出单元与所述一体化正负电子磁谱仪探头相连，用于读取所述一体化正负电子磁谱仪探头探测的信号；所述数据处理单元与所述偏置电压
发生单元和所述信号读出单元相连，用于控制所述信号读出单元和所述偏置电压发生单元；以及接收来自上位机的指令并根据所述指令完成对应操作，并将采集的数据发送至所述上位机。
[0020]于本专利技术一实施例中，所述一体化正负电子磁谱仪探头包括一体化探头框架、入射准直器、匀强磁场装置、硅半导体探测器、闪烁体探测器及光电管；所述匀强磁场装置设置在所述一体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种正负电子磁谱仪，其特征在于：包括一体化正负电子磁谱仪探头、偏置电压发生单元、信号读出单元和数据处理单元；所述一体化正负电子磁谱仪探头用于同时探测入射的特定能量范围的正电子和电子的能量和通量；所述偏置电压发生单元与所述一体化正负电子磁谱仪探头相连，用于生成偏置电压并提供至所述一体化正负电子磁谱仪探头；所述信号读出单元与所述一体化正负电子磁谱仪探头相连，用于读取所述一体化正负电子磁谱仪探头探测的信号；所述数据处理单元与所述偏置电压发生单元和所述信号读出单元相连，用于控制所述信号读出单元和所述偏置电压发生单元；以及接收来自上位机的指令并根据所述指令完成对应操作，并将采集的数据发送至所述上位机。2.根据权利要求1所述正负电子磁谱仪，其特征在于：所述一体化正负电子磁谱仪探头包括一体化探头框架、入射准直器、匀强磁场装置、硅半导体探测器、闪烁体探测器及光电管；所述匀强磁场装置设置在所述一体化探头框架内，用于提供匀强磁场；所述入射准直器垂直于所述匀强磁场放置，用于使预设能量范围的正负电子以接近准直的方向入射所述匀强磁场；所述硅半导体探测器设置在所述匀强磁场，位于所述入射准直器两侧，用于同时测量从所述入射准直器入射并被匀强磁场偏转的正负电子的能量和通量；所述闪烁体探测器和所述光电管构成一体化闪烁探测器系统，所述一体化闪烁探测器系统放置在所述硅半导体探测器外侧和所述一体化探头框架中间，用于消除其他未从所述入射准直器入射的高能粒子对被测正负电子的通量计数污染。3.根据权利要求2所述的正负电子磁谱仪，其特征在于：所述硅半导体探测器采用线阵列探测器单元，在不同位置的探测器单元同时测量被磁场偏转的不同能量范围的正负电子。4.根据权利要求3所述的正负电子磁谱仪，其特征在于：所述线阵列探测器单元采用三单元线阵列探测器，用于实现三个不同能量范围...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶雨光，邹鸿，宗秋刚，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：