[發明專利]數字式深空單粒子探測器及探測方法

無效

• 申請號: 201210038242.0
• 申請日: 2012-02-20
• 公開（公告）號: CN102590638A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 徐國棟;李鵬飛;董立珉;朱文亮;侯天蕊;陳健;潘瑞;丁玉葉
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01R29/02
• 分類號: G01R29/02
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 張宏威

技術領域

本發明涉及深空單粒子探測器及探測方法。

背景技術

航天器自主導航具有極其重要的工程應用價值和戰略研究意義，不僅可以減輕地面測控系統的工作負擔，而且可以減少航天器對地面測控系統的依賴，增加系統的抗干擾和自主生存能力。X射線脈沖星能夠為各類航天器提供位置，速度，時間和姿態等高精度導航參數信息，因此基于X射線脈沖星導航具有很大的工程應用價值，成為國內外研究的熱點領域。X射線脈沖星導航系統是通過單粒子探測器探測脈沖星輻射的X射線光子，測量脈沖到達時間等信息，經過相應的信號與數據處理，航天器可自主確定軌道，獲得時間和姿態等導航參數。

從以上分析可知，單粒子探測器是X射線脈沖星導航系統的基礎部件，相比于X射線脈沖星導航算法的研究，適合于航天器的體積小、重量輕、功耗低的X射線探測器的研究發展相對緩慢。

從探測原理上，利用X射線粒子與探測物質發生光電效應、康普頓效應和電子對效應可以將探測器分為三類，其中利用電子對生成效應制作的探測器因其體積小、功耗低、工作穩定等優點，具有滿足航天器在深空中工作需要的潛力，目前已知的此類X射線探測器有硅微條探測器。

硅微條探測器是在一個n型硅片的上表面通過半導體工藝技術制成多個均勻平行的重摻雜P+微條，對n硅片的整個底面摻入雜質，制成n型重摻雜n+層。當在硅片上下表面加入足夠高的電壓時，這些條形p-n結之間的耗盡層變的足夠厚，基本達到全耗盡，成為該種探測器的敏感區。當有帶電粒子穿過探測器，硅片上的微條就可以讀出粒子敏感區中激發的電荷信號。其輸出為模擬量，需要高精度的AD對輸出進行量化。而隨著X射線脈沖自主導航的發展，該種探測器已無法適應需求。

發明內容

本發明是為了解決現有的X射線粒子探測器的體積大、功耗高，以及X射線粒子的探測精度低的問題，從而提供數字式深空單粒子探測器及探測方法。

數字式深空單粒子探測器，它包括N個基本粒子敏感單元和加法器，每個基本粒子敏感單元均由光電二極管D1、電容器C1、MOS管Q3和反相器組成，MOS管Q3的柵極是該基本粒子敏感單元的周期脈沖輸入端；光電二極管D1的陰極電源VCC連接；所述光電二極管D1的陽極同時與MOS管Q3的源極、電容器C1的一端和反相器的一個輸入端連接；電容器C1的另一端同時與MOS管Q3的漏極、反相器的接地端和VCC電源地連接；反相器的輸出端是該基本粒子敏感單元的粒子事件輸出端，MOS管Q3的柵極為該基本粒子敏感單元的粒子事件輸入端；

加法器用于將N個基本粒子敏感單元的粒子事件輸出端輸出的信號進行累加，該加法器的輸出端為數字式深空單粒子探測器的單粒子事件的次數輸出端；N個基本粒子敏感單元的N個粒子事件輸入端為數字式深空單粒子探測器的控制脈沖信號輸入端，N為大于2的正整數。

N個基本粒子敏感單元組成i行j列的矩陣，i和j均為正整數。

加法器是n級加法器，n＝i×j。

MOS管Q3是n溝道的MOS管。

基于上述裝置的數字式深空單粒子探測方法，它由以下步驟實現：

步驟一、在一個脈沖周期下，在每個基本粒子敏感單元中，采用光電二極管D1的光敏感面探測單粒子，當探測到單粒子后，光電二極管D1將電容器C1充電至高電平，所述高電平經反相器轉換成低電平，并輸出至加法器；

步驟二、加法器對N個基本粒子敏感單元輸出的信號進行求和，計算出一個脈沖周期下發生單粒子事件的次數，將此次數作為一個脈沖周期下的單粒子探測結果，并返回執行步驟一。

在一個脈沖周期結束后，采用外部脈沖信號對加法器進行復位。

在一個脈沖周期結束后，采用外部脈沖信號對每個基本粒子敏感單元中的電容C1上積累的電荷進行釋放。

N個基本粒子敏感單元包括奇數組基本粒子敏感單元和偶數組基本粒子敏感單元，所述奇數組基本粒子敏感單元和偶數組基本粒子敏感單元交替工作。

有益效果：本發明的探測器的體積小、功耗低，可以檢測到100keV的單粒子事件；X射線粒子的探測精度高，單粒子到達時刻的測量精度可以到達納秒級。并且本發明的重量輕，整體重量小于10g。

附圖說明