專利名稱：一種小型化低功耗的低能離子探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種小型化、低功耗的低能離子探測器，該探測器可以用于近地空間、 深空探測等方面的低能離子的探測，特別涉及一種小型化低功耗的低能離子探測器。
背景技術(shù)：
低能離子是空間物理、空間環(huán)境和空間天氣研究的主要對象之一，也是各類航天器軌道空間環(huán)境的重要組成部分，對航天器的在軌安全及工作壽命具有重要影響。小型化、低功耗是低能離子探測器的發(fā)展方向，特別是用于深空探測的航天器的資源有限，要求載荷的體積小、功耗小。目前國內(nèi)用于空間低能離子探測的儀器的體積和功耗都較大，無法適應(yīng)空間探測載荷小型化和低功耗的發(fā)展趨勢?，F(xiàn)有技術(shù)的低能離子探測器包含傳感器和電路系統(tǒng)。目前國內(nèi)用于空間低能離子探測的儀器的傳感器都采用半球形靜電分析器，這類分析器的體積較大。要實現(xiàn)半球形靜電分析器360度極角的探測，需要使用環(huán)形的微通道板，而環(huán)形微通道板的面積較大。由于半球形靜電分析器使用多個陽極實現(xiàn)角度測量，因此要實現(xiàn)360°極角方向22. 5°的角度分辨率，則需要16個陽極且所述電路系統(tǒng)部分還需采用16片前置放大器，這就增加了儀器的尺寸、質(zhì)量和功耗。所述16個前置放大器將電子倍增器輸出的電荷信號進行放大，輸出數(shù)字脈沖信號給單片機實現(xiàn)儀器的運行控制、數(shù)據(jù)采集處理等功能，這樣需要的芯片的種類和數(shù)量較多，電路板的尺寸也很大，而且單片機系統(tǒng)的功耗也較大。為實現(xiàn)儀器的高效運行，與單片機相連的DA轉(zhuǎn)換器和AD轉(zhuǎn)換器只能選用并行接口器件，但是并行接口器件的尺寸大，功耗高，造成整個電路板尺寸和功耗都大。目前國內(nèi)用于空間低能離子探測的儀器中靜電分析器高壓和倍增器高壓各需要一套高壓生成電路，這樣電路的尺寸和功耗都會比較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，為克服上述缺陷，本發(fā)明提供一種小型化低功耗的低能離子探測器。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種小型化低功耗的低能離子探測器，該探測器包含傳感器和與傳感器輸出端相連的電路系統(tǒng)部分，所述電路系統(tǒng)部分還為所述傳感器提供所需高壓，其特征在于所述傳感器具體個數(shù)為二，且每個傳感器均包含一 180°偏轉(zhuǎn)電極、一 90° 120°柱形靜電分析器和一電子倍增器；其中，所述偏轉(zhuǎn)電極實現(xiàn)極角方向的視場為 180° ；所述偏轉(zhuǎn)電極、柱形靜電分析器和電子倍增器依次串聯(lián)，形成一中空的“U”形通路；所述兩個傳感器共形成兩個“U”形結(jié)構(gòu)，所述兩個“U”結(jié)構(gòu)相向套合，用于實現(xiàn)兩個180 度偏轉(zhuǎn)電極平行相反布放，進而實現(xiàn)360°掃描范圍。
上述技術(shù)方案中，所述電路系統(tǒng)包含兩個前置放大器和一包含計數(shù)功能的FPGA 單元；所述兩個電子倍增器輸出的電荷信號分別輸入到兩個前置放大器進行放大，所述前置放大器的輸出數(shù)字脈沖信號輸入所述FPGA單元進行計數(shù)，完成離子探測。上述技術(shù)方案中，所述FPGA單元的功能還包含對數(shù)壓縮單元，控制單元和若干串行接口。所述電路系統(tǒng)還包含高壓電路、DA轉(zhuǎn)換器、AD轉(zhuǎn)換器和接口電路；所述DA轉(zhuǎn)換器和AD轉(zhuǎn)換器通過串行接口與所述FPGA單元相連；電源系統(tǒng)，該電源系統(tǒng)將外部輸入電源轉(zhuǎn)換為探測器內(nèi)部所需的低壓電源。所述DA轉(zhuǎn)換器在所述FPGA單元的控制下輸出低壓模擬量信號，該模擬量信號分別為所述偏轉(zhuǎn)電極、靜電分析器和電子倍增器的設(shè)定高壓值；所述高壓電路將DA轉(zhuǎn)換器輸出的低壓轉(zhuǎn)換為偏轉(zhuǎn)電極高壓、靜電分析器高壓和電子倍增器高壓；所述AD轉(zhuǎn)換器采集探測器運行過程中的各個模擬量工程參數(shù)，并將采集的信號輸入所述FPGA單元進行存儲和發(fā)送；所述接口電路與所述FPGA單元相連，用于接收外部設(shè)備注入所述FPGA單元的命令，并將所述FPGA單元采集的科學(xué)數(shù)據(jù)及工程參數(shù)發(fā)送到外部設(shè)備。本發(fā)明的優(yōu)點在于，首先改變了靜電分析器的結(jié)構(gòu)，靜電分析器的結(jié)構(gòu)改變后使用了小體積的通道電子倍增器，同時為了實現(xiàn)360度掃描范圍對該靜電分析器的入口設(shè)置了偏轉(zhuǎn)電極，以及對兩個傳感器進行巧妙的布放，以上的改進在不改變掃描范圍和分辨率的條件下大大降低了整個傳感器尺寸和體積，這對于資源有限的航天器有著重要的使用意義；其次，電路系統(tǒng)為了適應(yīng)傳感器器件的新構(gòu)造也作出了改進，這又進一步降低整個探測器的尺寸、重量和功耗，大大改進了現(xiàn)有技術(shù)的低能離子探測器。


圖1是本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)識1、偏轉(zhuǎn)電極 2、靜電分析器 3、電子倍增器
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體的實施方式對本發(fā)明的進一步詳細描述。本發(fā)明提出一種小型化、低功耗的低能離子探測器，該探測器可以用于近地空間、 深空探測等方面的低能離子的探測，該探測器的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示該表為主要技術(shù)指標(biāo)。表 1
能量范圍 (keV)0.01-15能量分辨率<15%極角視場360°極角分辨率22.5°尺寸(mm)132x72x81功耗(W)1.2本發(fā)明的探測器也包括傳感器和電路系統(tǒng)兩部分，其中二者為一體化設(shè)計。如圖1所示，該圖為本發(fā)明改進的傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明的傳感器包括偏轉(zhuǎn)電極、靜電分析器和電子倍增器。其中，傳感器的入口為偏轉(zhuǎn)電極1，用于選擇入射離子的方向，兩個偏轉(zhuǎn)之間的壓差用于決定所選擇的入射離子的方向，即只有與兩個偏轉(zhuǎn)電極A和B所加電壓匹配的入射方向的離子才能夠進入到與偏轉(zhuǎn)電極后面相連的靜電分析器中，通過對兩個電極所加的電壓進行掃描，就可以實現(xiàn)對入射離子方向的掃描。靜電分析器2用于進行能量選擇，其對經(jīng)過偏轉(zhuǎn)電極選擇的離子進行偏轉(zhuǎn)，即只有與靜電分析器2所加電壓能量匹配的離子才能夠經(jīng)過靜電分析器；通過對靜電分析器電壓進行掃描，可以實現(xiàn)對入射到該靜電分析器的離子能量進行掃描。電子倍增器3用于對靜電分析器出口的離子進行放大，其輸出信號為電荷脈沖信號，該電荷脈沖信號輸入電路系統(tǒng)部分。作為本發(fā)明的發(fā)明點之一，所述靜電分析器2采用柱形靜電分析器，相對于現(xiàn)有技術(shù)的半球形靜電分析器這種柱形靜電分析器可以大大減小體積。由于僅僅使用柱形靜電分析器無法實現(xiàn)探測多個離子入射角度的功能，因此需要在柱形靜電分析器前面增加了離子入射角度選擇的掃描電極即偏轉(zhuǎn)電極1，這種結(jié)合方式可達到探測多個離子入射角的目的。進一步的，一個掃描電極只能實現(xiàn)極角方向的視場為180°，為了實現(xiàn)360°的極角視場，需要兩套掃描電極1。如圖1所示，傳感器設(shè)計了兩個對稱的部分(圖中用粗線和細線分別表示，每個部分均包括一個掃描電極、一個柱形靜電分析器和一個電子倍增器)，兩部分完全相同，本設(shè)計中巧妙地將兩部分交錯在一起，充分利用了內(nèi)部空間，使得傳感器的尺寸進一步減小。由于每部分極角方向的視場為180°，則兩部分極角方向的總視場為360°。通過上述措施， 實現(xiàn)了傳感器的小型化，并且其視場可以達到半球形靜電分析器的指標(biāo)。由于使用了柱形的靜電分析器2，因此可以用體積更小的電子倍增器替代半球形靜電分析器中所使用的面積較大的環(huán)形微通道板，有利于實現(xiàn)儀器的小型化。電路系統(tǒng)部分電路系統(tǒng)部分如圖2所示，包括前置放大器、高壓電路、DA轉(zhuǎn)換器、AD轉(zhuǎn)換器、 FPGA單元、接口電路以及電源系統(tǒng)。每個單元的功能描述舉如下前置放大器1和前置放大器2，用于對圖1中兩個電子倍增器輸出的電荷信號進行放大，輸出數(shù)字脈沖信號給FPGA單元進行計數(shù)。DA轉(zhuǎn)換器，在FPGA單元的控制下輸出低壓模擬量信號，該模擬量信號分別為偏轉(zhuǎn)電極高壓、靜電分析器高壓和電子倍增器高壓的設(shè)定值。高壓電路，將DA轉(zhuǎn)換器輸出的低壓轉(zhuǎn)換為偏轉(zhuǎn)電極高壓、靜電分析器高壓和電子倍增器高壓。AD轉(zhuǎn)換器，采集儀器運行過程中的各個模擬量工程參數(shù)。接口電路，負責(zé)與外部設(shè)備通信，接收注入命令，并將采集到的科學(xué)數(shù)據(jù)及工程參數(shù)發(fā)送出去。電源系統(tǒng)，將外部輸入電源轉(zhuǎn)換為儀器內(nèi)部所需的電源。如前所述，本設(shè)計中前置放大器個數(shù)遠遠少于半球型靜電分析器所需要的前置放大器的個數(shù)，減小了電路板尺寸和功耗。使用FPGA單元替代原有的低能離子探測器中使用的單片機系統(tǒng)實現(xiàn)儀器的運行控制、數(shù)據(jù)采集處理等功能，這樣可以大大減少所需的芯片的種類和數(shù)量，節(jié)省電路板的尺寸，而且通過選用低功耗的FPGA，其功耗也要比傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)小。由于使用了 FPGA，DA轉(zhuǎn)換器和AD轉(zhuǎn)換器可以選用串行接口的器件，串行接口器件的尺寸比并行接口器件的尺寸小很多，功耗也要小，有助于減小電路板尺寸和功耗。目前國內(nèi)用于空間低能離子探測的儀器中靜電分析器高壓和倍增器高壓各需要一套高壓生成電路，如果本探測器也采取同樣設(shè)計，則需要三套高壓生成電路(偏轉(zhuǎn)電極高壓、靜電分析器高壓和倍增器高壓)，這樣電路的尺寸和功耗都會比較大。本設(shè)計中采用一套高壓生成電路，然后用高壓調(diào)制電路將這一路高壓輸出調(diào)制出傳感器所需要的偏轉(zhuǎn)電極高壓、靜電分析器高壓和倍增器高壓，從而減小電路尺寸和功耗，并且高壓調(diào)制電路可以實現(xiàn)高壓的快速掃描，有利于提高儀器的時間分辨率。本設(shè)計中除了實現(xiàn)小型化和低功耗，電子學(xué)中的FPGA還實現(xiàn)了對數(shù)壓縮，將兩字節(jié)的科學(xué)數(shù)據(jù)壓縮為一字節(jié)，這樣數(shù)據(jù)率為原來的二分之一，可以減小儀器所需的數(shù)據(jù)下行帶寬，由于在深空探測中數(shù)據(jù)下行帶寬有限，這在深空探測中顯得更為重要。最后所應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，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。
權(quán)利要求
1.一種小型化低功耗的低能離子探測器，該探測器包含傳感器和與傳感器輸出端相連的電路系統(tǒng)部分，所述電路系統(tǒng)部分還為所述傳感器提供所需高壓，且該探測器用于低能離子的探測，其特征在于所述傳感器為2個，且每個傳感器均包含一 180°偏轉(zhuǎn)電極、一 90° 120°柱形靜電分析器和一電子倍增器；其中，所述偏轉(zhuǎn)電極實現(xiàn)極角方向的視場為180° ；所述傳感器的偏轉(zhuǎn)電極、柱形靜電分析器和電子倍增器依次串聯(lián)連通，形成一中空的 “U”形通路；所述兩個傳感器相向套合設(shè)置，用于實現(xiàn)兩個180度偏轉(zhuǎn)電極平行相反布放， 進而實現(xiàn)360°掃描范圍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型化低功耗的低能離子探測器，其特征在于，所述電路系統(tǒng)包含兩個前置放大器和一包含計數(shù)功能的FPGA單元；所述兩個電子倍增器輸出的電荷信號分別輸入到兩個前置放大器進行放大，所述前置放大器的輸出數(shù)字脈沖信號輸入所述FPGA單元進行計數(shù)，完成離子探測。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的小型化低功耗的低能離子探測器，其特征在于，所述FPGA單元的功能還包含對數(shù)壓縮單元，控制單元和若干串行接口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的小型化低功耗的低能離子探測器，其特征在于，所述電路系統(tǒng)還包含高壓電路、DA轉(zhuǎn)換器、AD轉(zhuǎn)換器和接口電路；所述DA轉(zhuǎn)換器和AD轉(zhuǎn)換器通過串行接口與所述FPGA單元相連；所述DA轉(zhuǎn)換器在所述FPGA單元的控制下輸出低壓模擬量信號，該模擬量信號分別為所述偏轉(zhuǎn)電極、靜電分析器和電子倍增器的設(shè)定高壓值；所述高壓電路將DA轉(zhuǎn)換器輸出的低壓轉(zhuǎn)換為偏轉(zhuǎn)電極高壓、靜電分析器高壓和電子倍增器高壓；所述AD轉(zhuǎn)換器采集探測器運行過程中的各個模擬量工程參數(shù)，并將采集的信號輸入所述FPGA單元進行存儲和發(fā)送；所述接口電路與所述FPGA單元相連，用于接收外部設(shè)備注入所述FPGA單元的命令，并將所述FPGA單元采集的科學(xué)數(shù)據(jù)及工程參數(shù)發(fā)送到外部設(shè)備。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的小型化低功耗的低能離子探測器，其特征在于，所述電路系統(tǒng)還包含電源系統(tǒng)，該電源系統(tǒng)將外部輸入電源轉(zhuǎn)換為探測器內(nèi)部所需的低壓電源。
全文摘要
本發(fā)明提供一種小型化低功耗的低能離子探測器，該探測器包含傳感器和與傳感器輸出端相連的電路系統(tǒng)部分，其特征在于所述傳感器為2個，且每個傳感器均包含一180°偏轉(zhuǎn)電極、一90°～120°柱形靜電分析器和一電子倍增器；其中，所述偏轉(zhuǎn)電極實現(xiàn)極角方向的視場為180°；所述偏轉(zhuǎn)電極、柱形靜電分析器和電子倍增器依次串聯(lián)，形成一中空的“U”形通路；所述兩個傳感器相向套合設(shè)置，用于實現(xiàn)兩個180度偏轉(zhuǎn)電極平行相反布放，進而實現(xiàn)360°掃描范圍。所述電路系統(tǒng)包含兩個前置放大器、高壓電路和DA轉(zhuǎn)換器、AD轉(zhuǎn)換器、接口電路、電源系統(tǒng)和FPGA單元；所述兩個電子倍增器輸出的電荷信號分別輸入兩個前置放大器進行放大，F(xiàn)PGA單元進行計數(shù)，完成離子探測。
文檔編號G01T1/00GK102353971SQ20111017989
公開日2012年2月15日 申請日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者丁建京, 劉超, 孔令高, 孫越強, 張愛兵, 朱光武, 梁金寶, 王世金, 田崢, 鄭香脂 申請人:中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心