本發(fā)明涉及空間粒子探測技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，是涉及一種基于分布式多個衛(wèi)星的多方向的高能電子探測裝置。

背景技術(shù)：

空間帶電粒子是空間環(huán)境最重要的構(gòu)成，也是對衛(wèi)星的安全造成威脅的直接因素，特別是空間質(zhì)子廣泛存在于宇宙空間，因此空間帶電粒子是空間環(huán)境研究中的主要研究對象?？臻g帶電粒子探測已有幾十年的歷史，因此對空間帶電粒子的認(rèn)識已有一定的基礎(chǔ)。但是隨著空間科學(xué)研究的深入、航天技術(shù)的廣泛滲透，人類對空間帶電粒子及其效應(yīng)的認(rèn)識不斷跨越新臺階，從而對于包括空間質(zhì)子在內(nèi)的各類帶電粒子的多方向探測的需求變得越來越重要。

空間中高能帶電粒子是誘發(fā)航天器單粒子效應(yīng)、輻射劑量效應(yīng)和深層充放電效應(yīng)的主要因素，是抗輻射加固的主要防護(hù)對象。空間帶電粒子的多成分、寬能譜和強(qiáng)烈的各向異性，為防護(hù)設(shè)計評估增加了難度，尤其在低軌道的空間質(zhì)子多方向性?？臻g帶電粒子的空間分布、相對磁力線的投擲角分布、能譜分布以及它們隨時間的變化，是空間環(huán)境各類模型構(gòu)建研究及其效應(yīng)危害研究的基本內(nèi)容。

由于空間帶電粒子會對衛(wèi)星造成各類效應(yīng)造成干擾危害，因此，在衛(wèi)星研制階段、在軌管理及事后的故障診斷階段，開展由于空間帶電粒子造成的衛(wèi)星輻射效應(yīng)評估是一種降低危害的重要手段。而開展衛(wèi)星輻射效應(yīng)評估需要有在軌空間各類粒子的直接測量獲得的數(shù)據(jù)，包括方向和能譜的數(shù)據(jù)。由于在地球空間存在著地磁場的約束，導(dǎo)致空間帶電粒子分布呈現(xiàn)出各向異性(特別是在地球空間的低軌道上)，進(jìn)而致使帶電粒子對衛(wèi)星的輻射效應(yīng)及輻射粒子運(yùn)動規(guī)律特征也存在著各向差異，因而需要開展針對在軌衛(wèi)星的多方向的高能電子探測。

針對在軌衛(wèi)星的多方向的高能電子的探測可以在單顆衛(wèi)星上進(jìn)行，但這需要衛(wèi)星的例如重量、功耗、安裝尺寸等平臺資源相對較多，當(dāng)然也可以基于同時間同高度飛行的多顆衛(wèi)星進(jìn)行分布式測量，從而降低對衛(wèi)星平臺資源的需求而又實(shí)現(xiàn)多方向上的探測。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，為了克服上述問題，本發(fā)明提供了一種基于分布式多個衛(wèi)星的多方向的高能電子探測裝置。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提過了一種基于多個衛(wèi)星的分布式的多方向的高能電子探測裝置，所述探測裝置包括：與衛(wèi)星數(shù)量匹配的若干個子探測裝置，且每個子探測裝置均包含方向傳感器、電子學(xué)部件及機(jī)殼；

所述方向傳感器包括：不少于一片半導(dǎo)體傳感器，用于當(dāng)空間粒子進(jìn)入該半導(dǎo)體傳感器時由于損失能量而在其兩側(cè)電極激起電信號脈沖；

所述電子學(xué)部件，用于對方向傳感器提供的電信號進(jìn)行處理，以提供反映空間粒子在半導(dǎo)體傳感器內(nèi)沉積能量的信號；

所述每個方向傳感器所包含的半導(dǎo)體傳感器的法向在衛(wèi)星經(jīng)過同一個位置時處于同一個平面，每個傳感器的法向在經(jīng)過同一位置時不重疊，并且至少其中的一個半導(dǎo)體傳感器的法向指向朝天面。

可選的，

當(dāng)衛(wèi)星數(shù)量為二顆時，所述的子探測裝置的個數(shù)為2，且兩個子探測裝置位于：所述兩個子探測裝置設(shè)置得使得法向方向保證當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過赤道上空時第1顆衛(wèi)星上的子探測裝置的法向是垂直朝向天空的，第2顆衛(wèi)星上的子探測裝置的法向與第1顆的法向的夾角為第一夾角，所述第一夾角的角度范圍為大于0度且小于90度；

當(dāng)衛(wèi)星數(shù)量為四顆時，所述的子探測裝置的個數(shù)為4，且四個子探測裝置的位于：四個子探測裝置設(shè)置得使得法向方向保證當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過赤道上空時至少有一顆衛(wèi)星的子探測裝置的法向是垂直朝向天空的，另外三顆衛(wèi)星的子探測裝置的法向與該第一顆衛(wèi)星的子探測裝置的法向的夾角分別為第二夾角、第三夾角和第四夾角，且這三個角度彼此不相同，這三個角度的范圍均為大于0度小于90度。

當(dāng)衛(wèi)星數(shù)量為三顆時，所述的子探測裝置的個數(shù)為3，且三個子探測裝置的位于：三個子探測裝置設(shè)置得使得法向方向保證當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過赤道上空時至少有一顆衛(wèi)星的子探測裝置的法向是垂直朝向天空的，另外兩顆衛(wèi)星的子探測裝置的法向與該第一顆衛(wèi)星的子探測裝置的法向的夾角分別為第二夾角和第三夾角，且這兩個角度彼此不相同，這兩個角度的范圍均為大于0度小于90度。

進(jìn)一步可選的，所述第一夾角為45度；或所述第二夾角、第三夾角和第四夾角分別為25度、50度和75度。

可選的，所述方向傳感器具體包含：若干個半導(dǎo)體傳感器、準(zhǔn)直器和金屬擋光層器；所述半導(dǎo)體傳感器前端均設(shè)置一個準(zhǔn)直器；且每個準(zhǔn)直器前方均設(shè)不小于1um厚的金屬擋光層，用于防止可見光射入。

所述方向傳感器還包括與半導(dǎo)體傳感器輸出端相連的前置放大器及與前置放大電路相連的成形電路；所述前置放大器用于將每片半導(dǎo)體傳感器輸出的反應(yīng)帶電粒子沉積能量的電荷信號分別進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)變成電壓脈沖信號；所述成形電路將前置放大器輸出的電壓脈沖信號成形輸出。

所述電子學(xué)部件包括依次串聯(lián)的：主放大器，用于將一路成形電路輸出的信號或兩路成形電路輸出的信號經(jīng)過相加電路后輸出的信號進(jìn)行放大；峰保電路，用于對每個主放大器放大后的信號分別進(jìn)行脈沖峰值保持；A/D采集電路，用于對峰值保持后的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；FPGA電路，用于將所有的A/D采集電路得到的數(shù)字信號進(jìn)行幅度分析和數(shù)據(jù)處理，其中不同的幅度代表著高能質(zhì)子不同沉積能量。

可選的，所述方向傳感器的半導(dǎo)體傳感器采用厚度為大于1mm、小于3mm、靈敏面積不小于2mm×2mm的硅或金剛石類傳感器；方向傳感器對應(yīng)的前置放大器采用集成運(yùn)放電容反饋方式。所述金屬檔光層材料采用金屬鋁或聚酰亞胺。所述子探測裝置安裝在衛(wèi)星蒙皮以內(nèi)，僅方向傳感器部分通過蒙皮開口伸出。所述半導(dǎo)體傳感器如果超過1片則各半導(dǎo)體傳感器之間平行度不小于20度。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：針對研究衛(wèi)星輻射劑量效應(yīng)和輻射帶粒子運(yùn)動規(guī)律等對于空間高能電子多方向探測需求，利用本發(fā)明的分布式多方向空間高能電子探測裝置，可以降低對于單顆衛(wèi)星平臺的重量、功耗等資源需求，并且可以實(shí)現(xiàn)多方向的高能質(zhì)子探測，從而便于在航天工程進(jìn)行應(yīng)用。

附圖說明

圖1為示例的用三顆衛(wèi)星來搭載本發(fā)明的多方向高能電子探測裝置在經(jīng)過同一位置時的示意圖；

圖2為本發(fā)明的探測裝置的子探測裝置的方向傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為利用本發(fā)明的多方向高能電子探測裝置的子探測裝置的電氣示意圖。

附圖標(biāo)記：

1、多方向探測裝置 2、衛(wèi)星 3、準(zhǔn)直器

4、金屬擋光層 5、半導(dǎo)體傳感器 6、機(jī)殼

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的基于多個衛(wèi)星的分布式的多方向的輻射劑量率的探測裝置的進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖1為示例的用三顆衛(wèi)星來搭載本發(fā)明的多方向高能電子探測裝置在經(jīng)過同一位置時的示意圖，即此多方向探測裝置1中含有三個子探測裝置，每個子探測裝置對應(yīng)于三顆衛(wèi)星2中的一顆。圖2為圖1中的子探測裝置的方向傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示的根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，三顆衛(wèi)星2在經(jīng)過同一位置時，分別包含在三個子探測裝置中的方向傳感器中包含的半導(dǎo)體傳感器5的法向處在同一個平面內(nèi)，在本實(shí)施例中，當(dāng)三顆衛(wèi)星處于赤道上空時，其中一個子探測裝置的半導(dǎo)體傳感器的法向朝天，其他兩個子探測裝置的半導(dǎo)體傳感器的法向分別與其相差-45和+45度。

在圖2中，根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的基于多個衛(wèi)星的分布式的多方向高能電子探測裝置1的子探測裝置的方向傳感器包括兩片半導(dǎo)體傳感器5。在此實(shí)施例中，半導(dǎo)體傳感器5還配置有準(zhǔn)直器3、金屬擋光層器4及機(jī)殼6，這里，準(zhǔn)直器3的功能在于將空間散射高能電子約束為所需要測量范圍角度之內(nèi)；金屬擋光層4用于遮擋可見光進(jìn)入半導(dǎo)體傳感器5，而空間高能電子則可穿透金屬擋光層4從而進(jìn)入半導(dǎo)體傳感器5；空間高能電子在進(jìn)入半導(dǎo)體傳感器5內(nèi)后會損失能量，因此便會在每片的兩側(cè)電極激起電信號脈沖，經(jīng)專門處理后的信號便可以反映空間高能電子在器件中的不同能量，結(jié)合兩片半導(dǎo)體傳感器的沉積能量的組合就可以得出所測高能電子能量。

優(yōu)選地，所述金屬擋光層4和半導(dǎo)體傳感器5為片形結(jié)構(gòu)。金屬擋光層4采用的具體材料種類和厚度可以根據(jù)衛(wèi)星所處軌道和測量范圍進(jìn)行設(shè)計選擇。半導(dǎo)體傳感器5的材質(zhì)和數(shù)目可以根據(jù)測試需要來確定，具體來說，當(dāng)每個方向傳感器只含有一片半導(dǎo)體傳感器時只需配套一路電子學(xué)處理電路，當(dāng)每個方向傳感器含有多片傳感器時則相應(yīng)的每片傳感器配有相應(yīng)的前置放大器、成形電路、主放大器及峰保電路，最后統(tǒng)一接至A/D采集電路。半導(dǎo)體傳感器5可以采用硅的或金剛石的，同時硅傳感器可以選擇離子注入型或者金硅面壘型等。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，多方向探測裝置1的各子探測裝置分別嵌入式安裝在三顆衛(wèi)星2的表面，即子探測裝置分別安裝在衛(wèi)星蒙皮以內(nèi)，僅方向傳感器部分通過 蒙皮開口伸出。所述多方向探測裝置1的各子探測裝置朝向太空的方向沒有遮擋。

在優(yōu)選實(shí)施例中，金屬擋光層4的厚度為15μm，采用鋁合金材料，用于吸收可見光，避免由于光照而造成測量結(jié)果誤差過大。

圖3所示為根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的多方向探測裝置1的一個子探測裝置的電氣實(shí)現(xiàn)原理框圖，其中虛線中的各個部件構(gòu)成該子探測裝置。具體來說，此子探測裝置的方向傳感器包括二片半導(dǎo)體傳感器5和5’，優(yōu)選地，二片半導(dǎo)體傳感器之間的平行度不小于20度。高能電子穿透金屬擋光層4后先后進(jìn)入兩片半導(dǎo)體傳感器5和5’，在兩片半導(dǎo)體傳感器5和5’內(nèi)損失能量，于是在半導(dǎo)體傳感器5和5’的兩側(cè)電極激起電信號脈沖。分別利用前置放大器、成形電路、主放大器對半導(dǎo)體傳感器5和5’產(chǎn)生的電信號進(jìn)行放大和整形，最后再利用峰保電路獲取變化峰值，并將獲取的變化峰值送給A/D采集電路。A/D采集電路輸出端與FPGA電路的輸入端相連，F(xiàn)PGA電路對信號進(jìn)行組合處理，而后FPGA電路通過衛(wèi)星接口電路將該數(shù)據(jù)傳送給衛(wèi)星電子系統(tǒng)。

以上以三顆衛(wèi)星為例說明了本發(fā)明的多方向空間高能電子探測裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)置特征和工作原理。顯然，當(dāng)衛(wèi)星數(shù)量為二顆時，二個子探測裝置可以設(shè)置得使得法向方向保證當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過赤道上空時一顆衛(wèi)星上的子探測裝置的法向是垂直朝向天空的，另外一顆衛(wèi)星上的子探測裝置的法向與前者的法向呈一定角度，該角度范圍為大于0度且小于90度，較好地為45度；當(dāng)衛(wèi)星數(shù)量為四顆時，四個子探測裝置可以設(shè)置得使得法向方向保證當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過赤道上空時至少有一顆衛(wèi)星的子探測裝置的法向是垂直朝向天空的，另外三顆衛(wèi)星的子探測裝置的法向與該第一顆衛(wèi)星的子探測裝置的法向分別呈一定角度，且這三個角度彼此不相同，該角度范圍為大于0度小于90度，優(yōu)選地這三個角度與第一課衛(wèi)星的子探測裝置的法向間呈25度、50度和75度；當(dāng)其他數(shù)量衛(wèi)星時，類似地，應(yīng)該保證當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過赤道上空時，有一顆衛(wèi)星的子探測裝置的法向是垂直朝向天空的，以獲取最大方向高能質(zhì)子通量。

最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。