一种基于时延的粒子成分和方位角的同步测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于空间等离子体环境探测技术领域，具体地说，涉及一种基于时延的粒子成分和方位角的同步测量装置，包括：探测单元阵列分别在内圆周方向和外圆周方向上分别设有若干独立的电荷输入通道，每个电荷输出通道用于在空间带电粒子，以入射角θ入射后，在内圆周方向上输出不同的起始电荷脉冲信号和在外圆周方向上输出不同的终止电荷脉冲信号，并分别进行延时和放大；和后端电路分析处理模块，用于对每个电荷输出通道，根据采集到的不同的起始脉冲信号和终止脉冲信号，得到带电粒子的实际飞行时间和实际入射方位角时间，根据得到的带电粒子的实际飞行时间，得到该带电粒子的成分，根据实际入射方位角时间，获取该带电粒子的实际入射方位角。的实际入射方位角。的实际入射方位角。

【技术实现步骤摘要】
一种基于时延的粒子成分和方位角的同步测量装置及测量方法


[0001]本专利技术属于空间等离子体环境探测
，具体地说，涉及一种基于时延的粒子成分和方位角的同步测量装置及测量方法。

技术介绍

[0002]粒子成分探测及入射方位角度探测是空间等粒子体探测中重要组成部分。近三十年来，随着微通道板(Microchannel Plate，MCP)技术的发展及军事和空间领域对等粒子体进行探测研究的需求增多，一系列具有粒子计数及方向识别功能的阳极探测器应运而生，目前，对粒子入射方位探测的方法主要有电阻阳极探测法、游标阳极探测法、时延阳极探测法、交叉条纹阳极探测法和楔条形阳极探测法等。
[0003]但是，现有的探测方法存在制作工艺复杂，速度慢、计数率低、体积大、重量大、功耗高，且不具有时间和空间分辨力，灵敏度低的问题。此外，现有的方法还存在无法在空间环境探测中一台设备内粒子成分和方位角同步测量的技术问题。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术存在的上述缺陷，本专利技术提出了一种基于时延的粒子成分和方位角的同步测量方法，该方法仅用4片电荷灵敏放大器区分并采集360
°
方向内32 个阳极的位置探测，时间测量电路采集阳极延时时间，测量的系统时间(含阳极、电子学布局布线、信号传输)精度优于1纳秒，通过对延时时间分组，测量方位角分辨率达到22.5
°
；测量粒子质量数范围1
‑
70个原子量。
[0005]本专利技术提供了一种基于时延的粒子成分和方位角的同步测量装置，该装置包括：探测单元阵列和后端电路分析处理模块；
[0006]所述探测单元阵列分别在内圆周方向和外圆周方向上分别设有若干独立的电荷输入通道，每个电荷输出通道用于在空间带电粒子，以入射角θ入射后，在内圆周方向上输出不同的起始电荷脉冲信号和在外圆周方向上输出不同的终止电荷脉冲信号，并分别进行延时和放大，得到对应的起始脉冲信号和终止脉冲信号；
[0007]所述后端电路分析处理模块，用于对每个电荷输出通道，在内圆周方向上输出不同的起始脉冲信号和在外圆周方向上输出不同的终止脉冲信号分别进行采集，根据采集到的不同的起始脉冲信号和终止脉冲信号，得到带电粒子的实际飞行时间和实际入射方位角时间，根据得到的带电粒子的实际飞行时间，得到该带电粒子的成分，根据实际入射方位角时间，获取该带电粒子的实际入射方位角，进而实现带电粒子的粒子成分和入射方位角的同步测量。
[0008]作为上述技术方案的改进之一，所述探测单元阵列包括：粒子入射装置、内圆阳极子阵列和外圆阳极子阵列；内圆阳极子阵列和外圆阳极子阵列为同圆心的圆环结构，粒子入射装置覆盖在该圆环结构之上；
[0009]其中，内圆阳极子阵列包括多个呈圆周分布的内圆阳极，且内圆阳极之间串联连接有延迟线，每个内圆阳极作为探测单元，独立输出从粒子入射装置射出的入射角θ的空间带电粒子的起始电荷脉冲信号；相邻的两个内圆阳极上分别记为内圆阳极子阵的首端和内圆阳极子阵的尾端，并在其上分别设置第一前置放大器和第二前置放大器，用于分别对采集的起始电荷脉冲信号进行延时、放大，得到起始脉冲信号A和起始脉冲信号B；其中，每个内圆阳极具有各自特定的入射角，多个呈圆周分布的内圆阳极形成360度的入射范围；
[0010]外圆阳极子阵列包括：多个呈圆周分布的外圆阳极，且外圆阳极之间串联连接有延迟线，每个外圆阳极作为探测单元，独立输出从粒子入射装置射出的入射角θ的空间带电粒子的终止电荷脉冲信号；相邻的两个外圆阳极上分别记为外圆阳极子阵的首端和外圆阳极子阵的尾端，并在其上分别设置第三前置放大器和第四前置放大器，用于分别对采集的终止电荷脉冲信号进行延时和放大，得终止始脉冲信号A和终止脉冲信号B。其中，每个外圆阳极2具有各自特定的入射角，多个呈圆周分布的外圆阳极形成360度的入射范围。
[0011]作为上述技术方案的改进之一，所述粒子入射装置包括：起始碳膜板、终止碳膜板、粒子阻滞膜板和微通道板；
[0012]起始碳膜板位于终止碳膜板之上，且二者分别开设对应的入射口和出射口，二者之间密封，且内设偏转电极，粒子阻滞膜板设置在终止碳膜板的出射口处，且位于微通道板之上；
[0013]起始碳膜板的入射口处增设加速电压U
ACC
＝
‑
15000V，空间带电粒子从起始碳膜板的入射口射入，穿过起始碳膜板并产生损失能量E
loss
，同时产生次级电子；该次级电子经过内置的偏转电极偏转，经过终止碳膜板的出射口，并入射到微通道板上，产生起始电荷脉冲信号；同时，穿过起始碳膜板的空间带电粒子飞行距离后，直接打到终止碳膜板上并再次产生二次电子，该二次电子继续飞行穿过粒子阻滞膜板后，入射到微通道板上，产生终止电荷脉冲信号。
[0014]作为上述技术方案的改进之一，所述内圆阳极和外圆阳极均为延时线阳极片，均采用印制电路板制成。
[0015]作为上述技术方案的改进之一，所述第一前置放大器、第二前置放大器、第三前置放大器和第四前置放大器均为电荷灵敏放大器。
[0016]作为上述技术方案的改进之一，所述圆环形结构的中部增设覆铜，覆铜接信号地。
[0017]作为上述技术方案的改进之一，所述后端电路分析处理模块包括：信号采集单元和数据处理单元；
[0018]所述信号采集单元，用于对每个电荷输出通道，在内圆周方向上输出不同的起始脉冲信号和在外圆周方向上输出不同的终止脉冲信号分别进行采集；
[0019]所述数据处理单元，用于根据采集到的不同的起始脉冲信号和终止脉冲信号，得到带电粒子的实际飞行时间和实际入射方位角时间，根据得到的带电粒子的实际飞行时间，得到该带电粒子的成分，根据实际入射方位角时间，获取该带电粒子的实际入射方位角，进而实现带电粒子的粒子成分和入射方位角的同步测量。
[0020]作为上述技术方案的改进之一，所述数据处理单元的具体过程为：
[0021]利用信号采集单元采集起始脉冲信号A、终止脉冲信号A、起始脉冲信号B和终止脉冲信号B；
[0022]起始脉冲信号A和终止脉冲信号A的时间差等于粒子的第一飞行时间τ1，起始脉冲信号B和终止脉冲信号B的时间差等于粒子的第二飞行时间τ2；
[0023]将粒子的第一飞行时间和第二飞行时间做相关性分析；满足0＜τ1，τ2＜离子最大飞行时间；Δτ＝|τ1
‑
τ2|，且视为有效事件
[0024]确定粒子的实际飞行时间τ：
[0025]τ＝(τ1+τ2)/2；
[0026]根据确定的粒子的实际飞行时间，确定粒子的质量电荷比M/q：
[0027]M/q＝2(E/q+eU
ACC
‑
E
loss
)/(d/τ)2[0028]其中，M为粒子的质量；q为粒子的电荷；E为粒子的入射能量；e为电子电荷量1.6
×
10
‑
19
库仑；U
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于时延的粒子成分和方位角的同步测量装置，其特征在于，该装置包括：探测单元阵列和后端电路分析处理模块；所述探测单元阵列分别在内圆周方向和外圆周方向上分别设有若干独立的电荷输入通道，每个电荷输出通道用于在空间带电粒子，以入射角θ入射后，在内圆周方向上输出不同的起始电荷脉冲信号和在外圆周方向上输出不同的终止电荷脉冲信号，并分别进行延时和放大，得到对应的起始脉冲信号和终止脉冲信号；所述后端电路分析处理模块，用于对每个电荷输出通道，在内圆周方向上输出不同的起始脉冲信号和在外圆周方向上输出不同的终止脉冲信号分别进行采集，根据采集到的不同的起始脉冲信号和终止脉冲信号，得到带电粒子的实际飞行时间和实际入射方位角时间，根据得到的带电粒子的实际飞行时间，得到该带电粒子的成分，根据实际入射方位角时间，获取该带电粒子的实际入射方位角，进而实现带电粒子的粒子成分和入射方位角的同步测量。2.根据权利要求1所述的基于时延的粒子成分和方位角的同步测量装置，其特征在于，所述探测单元阵列包括：粒子入射装置、内圆阳极子阵列和外圆阳极子阵列；内圆阳极子阵列和外圆阳极子阵列为同圆心的圆环结构，粒子入射装置覆盖在该圆环结构之上；其中，内圆阳极子阵列包括多个呈圆周分布的内圆阳极(1)，且内圆阳极(1)之间串联连接有延迟线，每个内圆阳极(1)作为探测单元，独立输出从粒子入射装置射出的入射角θ的空间带电粒子的起始电荷脉冲信号；相邻的两个内圆阳极(1)上分别记为内圆阳极子阵的首端和内圆阳极子阵的尾端，并在其上分别设置第一前置放大器和第二前置放大器，用于分别对采集的起始电荷脉冲信号进行延时、放大，得到起始脉冲信号A和起始脉冲信号B；其中，每个内圆阳极1具有各自特定的入射角，多个呈圆周分布的内圆阳极(1)形成360度的入射范围；外圆阳极子阵列包括：多个呈圆周分布的外圆阳极(2)，且外圆阳极(2)之间串联连接有延迟线，每个外圆阳极(2)作为探测单元，独立输出从粒子入射装置射出的入射角θ的空间带电粒子的终止电荷脉冲信号；相邻的两个外圆阳极(2)上分别记为外圆阳极子阵的首端和外圆阳极子阵的尾端，并在其上分别设置第三前置放大器和第四前置放大器，用于分别对采集的终止电荷脉冲信号进行延时和放大，得终止始脉冲信号A和终止脉冲信号B；其中，每个外圆阳极(2)具有各自特定的入射角，多个呈圆周分布的外圆阳极(2)形成360度的入射范围。3.根据权利要求2所述的基于时延的粒子成分和方位角的同步测量装置，其特征在于，所述粒子入射装置包括：起始碳膜板(3)、终止碳膜板(4)、粒子阻滞膜板(5)和微通道板(6)；起始碳膜板(3)位于终止碳膜板(4)之上，且二者分别开设对应的入射口和出射口，二者之间密封，且内设偏转电极(9)，粒子阻滞膜板(5)设置在终止碳膜板(4)的出射口处，且位于微通道(6)板之上；起始碳膜板(3)的入射口处增设加速电压U
ACC
＝
‑
15000V，空间带电粒子从起始碳膜板(3)的入射口射入，穿过起始碳膜板(3)并产生损失能量E
loss
，同时产生次级电子(7)；该次级电子(7)经过内置的偏转电极(9)偏转，经过终止碳膜板(4)的出射口，并入射到微通道板(6)上，产生起始电荷脉冲信号；同时，穿过起始碳膜板(3)的空间带电粒子飞行距离后，直
接打到终止碳膜板(4)上并再次产生二次电子(8)，该二次电子(8)继续飞行穿过粒子阻滞膜板(5)后，入射到微通道板(6)上，产生终止电荷脉冲信号。4.根据权利要求2所述的基于时延的粒子成分和方位角的同步测量装置，其特征在于，所述内圆阳极(1)和外圆阳极(2)均为延时线阳极片，均采用印制电路板制成。5.根据权利要求2所述的基于时延的粒子成分和方位角的同步测量装置，其特征在于，所述第一前置放大器、第二前置放大器、第三前置放大器和第四前置放大器均为电荷灵敏放大器。6.根据权利要求2所述的基于时延的粒子成分和方位角的同步测量装置，其特征在于，所述圆环形结构的中部增设覆铜，覆铜接信号地。7.根据权利要求1所述的基于时延的粒子成分和方位角的同步测量装置，其特征在于，所述后端电路分析处理模块包括：信号采集单元和数据处理单元；所述信号采集单元，用于对每个电荷输出通道，在内圆周方向上输出不同的起始脉冲信号和在外圆周方向上输出不同的终止脉冲信号分别进行采集；所述数据处理单元，用于根据采集到的不同的起始脉冲信号和终止脉冲信号，得到带电粒子的实际飞行时间和实际入射方位角时间，根据得到的带电粒子的实际飞行时间，得到该带电粒子的成分，根据实际入射方位角时间，获取该带电粒子的实际入射方位角，进而实现带电粒子的粒子成分和入射方位角的同步测量。8.根据权利要求7所述的基于时延的粒子成分和方位角的同步测量装置，其特征在于，所述数据处理单元的具体过程为：利用信号采集单元采集起始脉冲信号A、终止脉冲信号A、起始脉冲信号B和终止...

【专利技术属性】
技术研发人员：田峥，张爱兵，孔令高，王文静，郑香脂，吕玉龙，刘超，丁建京，关燚炳，高俊，刘翔，苏斌，刘斌，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：