[发明专利]数字式深空单粒子探测器及探测方法

说明书

技术领域

本发明涉及深空单粒子探测器及探测方法。

背景技术

航天器自主导航具有极其重要的工程应用价值和战略研究意义，不仅可以减轻地面测控系统的工作负担，而且可以减少航天器对地面测控系统的依赖，增加系统的抗干扰和自主生存能力。X射线脉冲星能够为各类航天器提供位置，速度，时间和姿态等高精度导航参数信息，因此基于X射线脉冲星导航具有很大的工程应用价值，成为国内外研究的热点领域。X射线脉冲星导航系统是通过单粒子探测器探测脉冲星辐射的X射线光子，测量脉冲到达时间等信息，经过相应的信号与数据处理，航天器可自主确定轨道，获得时间和姿态等导航参数。

从以上分析可知，单粒子探测器是X射线脉冲星导航系统的基础部件，相比于X射线脉冲星导航算法的研究，适合于航天器的体积小、重量轻、功耗低的X射线探测器的研究发展相对缓慢。

从探测原理上，利用X射线粒子与探测物质发生光电效应、康普顿效应和电子对效应可以将探测器分为三类，其中利用电子对生成效应制作的探测器因其体积小、功耗低、工作稳定等优点，具有满足航天器在深空中工作需要的潜力，目前已知的此类X射线探测器有硅微条探测器。

硅微条探测器是在一个n型硅片的上表面通过半导体工艺技术制成多个均匀平行的重掺杂P+微条，对n硅片的整个底面掺入杂质，制成n型重掺杂n+层。当在硅片上下表面加入足够高的电压时，这些条形p-n结之间的耗尽层变的足够厚，基本达到全耗尽，成为该种探测器的敏感区。当有带电粒子穿过探测器，硅片上的微条就可以读出粒子敏感区中激发的电荷信号。其输出为模拟量，需要高精度的AD对输出进行量化。而随着X射线脉冲自主导航的发展，该种探测器已无法适应需求。

发明内容

本发明是为了解决现有的X射线粒子探测器的体积大、功耗高，以及X射线粒子的探测精度低的问题，从而提供数字式深空单粒子探测器及探测方法。

数字式深空单粒子探测器，它包括N个基本粒子敏感单元和加法器，每个基本粒子敏感单元均由光电二极管D1、电容器C1、MOS管Q3和反相器组成，MOS管Q3的栅极是该基本粒子敏感单元的周期脉冲输入端；光电二极管D1的阴极电源VCC连接；所述光电二极管D1的阳极同时与MOS管Q3的源极、电容器C1的一端和反相器的一个输入端连接；电容器C1的另一端同时与MOS管Q3的漏极、反相器的接地端和VCC电源地连接；反相器的输出端是该基本粒子敏感单元的粒子事件输出端，MOS管Q3的栅极为该基本粒子敏感单元的粒子事件输入端；

加法器用于将N个基本粒子敏感单元的粒子事件输出端输出的信号进行累加，该加法器的输出端为数字式深空单粒子探测器的单粒子事件的次数输出端；N个基本粒子敏感单元的N个粒子事件输入端为数字式深空单粒子探测器的控制脉冲信号输入端，N为大于2的正整数。

N个基本粒子敏感单元组成i行j列的矩阵，i和j均为正整数。

加法器是n级加法器，n＝i×j。

MOS管Q3是n沟道的MOS管。

基于上述装置的数字式深空单粒子探测方法，它由以下步骤实现：

步骤一、在一个脉冲周期下，在每个基本粒子敏感单元中，采用光电二极管D1的光敏感面探测单粒子，当探测到单粒子后，光电二极管D1将电容器C1充电至高电平，所述高电平经反相器转换成低电平，并输出至加法器；

步骤二、加法器对N个基本粒子敏感单元输出的信号进行求和，计算出一个脉冲周期下发生单粒子事件的次数，将此次数作为一个脉冲周期下的单粒子探测结果，并返回执行步骤一。

在一个脉冲周期结束后，采用外部脉冲信号对加法器进行复位。

在一个脉冲周期结束后，采用外部脉冲信号对每个基本粒子敏感单元中的电容C1上积累的电荷进行释放。

N个基本粒子敏感单元包括奇数组基本粒子敏感单元和偶数组基本粒子敏感单元，所述奇数组基本粒子敏感单元和偶数组基本粒子敏感单元交替工作。

有益效果：本发明的探测器的体积小、功耗低，可以检测到100keV的单粒子事件；X射线粒子的探测精度高，单粒子到达时刻的测量精度可以到达纳秒级。并且本发明的重量轻，整体重量小于10g。

附图说明