[發明專利]一種空間主動激發X射線熒光探測器

有效

• 申請號: 201410717285.0
• 申請日: 2014-12-01
• 公開（公告）號: CN104535599A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發明（設計）人: 崔興柱;王煥玉;彭文溪;梁曉華;汪錦州;張家宇;高旻;張春雷;劉雅清;郭東亞
• 申請（專利權）人: 中國科學院高能物理研究所
• 主分類號: G01N23/223
• 分類號: G01N23/223;H05K7/20
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理事務所(普通合伙) 11200
• 代理人: 司立彬

技術領域

本發明涉及一種應用于空間X熒光探測設備的結構和熱設計，屬于空間探測技術領域。

背景技術

空間高分辨主動激發X射線譜儀(APXS)是嫦娥三號玉兔號月球車的科學載荷之一，也是機械臂上唯一的載荷。它通過攜帶的主動激發源激發月巖或月壤中的元素，并探測其產生的特征X射線，從而獲得月球元素的種類及含量信息，為月球地質化學過程和形成演化研究提供重要依據。

空間高分辨主動激發X射線譜儀是嫦娥三號巡視器機械臂末端，安裝有主動激發放射源、低功耗、高分辨的X射線熒光探測設備。探測器對其自帶激發源激發產生的月表元素X射線熒光進行探測，并形成能譜下傳，供用戶分析反演得到月表的主量元素的含量信息。

它對主要的成巖元素Mg、Al、Si、Ca、Ti和Fe等元素進行激發探測，從而得到月球表面各種主要成巖元素的熒光射線強度，對月球表面的主要元素成分進行定量分析。

空間高分辨主動激發X射線譜儀主要是行星表面的成分探測。由于沒有空氣或者空氣稀薄，月球和火星表面對低能X射線和帶電粒子的阻止本領遠低于地球表面，因此，適合對低能的Mg、Al和Si的特征線進行激發探測。由于沒有大氣層保護，因此月球和火星表面晝夜溫差變化極大，需要考慮對設備適應極端溫度條件的適應能力進行設計。

美國的NASA、俄羅斯和歐洲ESA等都曾經在航天器上攜帶類似的物質成分分析設備，由于其衛星平臺可以對設備進行主動控溫，因此，這些設備都沒有自帶的溫控設備。在嫦娥三號任務中，由于APXS為艙外設備，其與平臺沒有傳導散熱的通道，在月晝，其工作時自身產生的熱量、太陽照射以及月球表面等外熱流對儀器都有熱量輸入，而在月夜條件下，設備周圍的環境溫度可達到-180℃，設備對外輸出熱量，如果沒有熱量輸入，設備的溫度也將達到-180℃，對于設備內部的電子元器件及設備中的硅漂移室探測器來說，都超過了其額定的耐受溫度范圍，因此，需要對設備的結構和熱進行整體設計，保證設備能夠在軌正常工作，安全度過月夜。

目前物質成分分析設備主要包括：

一、NASA的SurveyorsⅤ，Ⅵ，Ⅶ探月任務中，都攜帶了α散射化學成分分析實驗裝置，該實驗應用²⁴²Cm同位素α粒子放射源產生的α粒子與其他原子核碰撞后在近180°反沖散射的能譜以及核反應產生的質子能譜來分析獲得月表元素的含量。

SurveyorsⅤ，Ⅵ，Ⅶ的α探測器選用金硅面壘探測器，質子探測選用鋰漂移探測器，探測器由探頭、電子學構成，電子學位于飛行器的控溫組件內部。無自主保溫功能，需要額外15W的加熱功耗。²⁴²Cm同位素存在核裂變可能性，每次衰變會有1.6*10^-7個中子發射，需要考慮中子輻照影響。

二、俄羅斯的Mars?96任務，NASA的Mars?Pathfinder任務、Mars?Exploration?Rovers任務，Mars?Science?Laboratory?Rover、MSL任務以及ESA的Rosetta任務都曾使用粒子激發X射線譜儀，這些任務中選用²⁴⁴Cm放射源，通過探測背散射的α粒子和樣品中被激發產生的特征X射線進行定量分析。

以上粒子激發X射線譜儀設計使用²⁴²Cm或者²⁴⁴Cm放射性同位素作為激發源，²⁴²Cm(²⁴⁴Cm)同位素存在核裂變可能性，每次衰變會有1.6*10^-7個中子發射，需要考慮中子輻照影響。同時，該探測器采用一體化設計，整個外殼為一體，前端和后端無熱阻，基本是一個等溫體。由于采用的同位素原因，無法探測Rb、Sr和Y等微量元素。設備無自主保溫功能，需要額外的熱控措施。

三、歐空局的Beagle?2任務攜帶了X射線譜儀，該設備包含兩個件，探頭組件和數據處理電子學，選用的放射性同位素激發源為兩枚⁵⁵Fe源(105.6MBq)和兩枚¹⁰⁹Cd源(8.77MBq)。通過探測樣品中被激發產生的特征X射線進行定量分析，X射線探測器選用300微米厚，7mm2面積的硅PIN探測器。

該設備注重小型化設計，整體體積較小，雖然前端采用碳纖維材料，因為熱容關系，隔熱效果并不理想，且由于過于緊湊的設計，放射源的活度及均勻性都收到一定的限制，因此分析精度也受限。該設備無主動熱控，無在軌定標設計。

發明內容