[发明专利]一种基于中性原子成像装置的粒子成分分析系统及方法

权利要求书

1.一种基于中性原子成像装置的粒子成分分析系统，所述系统安装在中性原子成像装置中，用于对空间粒子的成分进行分析，其特征在于，所述系统包括：探测器模块、放大电路模块、比较电路模块、时间数字转换电路模块、FPGA控制电路模块和上位机；

所述探测器模块，用于产生粒子的飞行时间起始信号和结束信号；

所述放大电路模块，用于对探测器模块输出的起始信号和结束信号进行I-V转换和脉冲幅度的放大；

所述比较电路模块，用于对起始信号和结束信号的电平进行转换，将放大电路模块输出的信号电平转化为时间数字转换电路模块要求的输入信号电平；

所述时间数字转换电路模块，用于接收所述比较电路模块输出的起始信号和结束信号，测量粒子的飞行时间；

所述FPGA控制电路模块，用于实现对时间数字转换电路模块的基本配置和通信，并与上位机进行通信；

所述上位机，用于根据FPGA控制电路模块上传的粒子的飞行时间及粒子的能量，计算粒子的质量，从而分析出粒子的成分，并进行显示和存储；

所述探测器模块包括第一MCP探测器和第二MCP探测器；所述第一MCP探测器用于收集粒子，由此产生粒子飞行时间测量的起始信号，所述第二MCP探测器，用于收集经过一段时间飞行后到达的粒子，由此产生粒子飞行时间测量的结束信号；第一MCP探测器和第二MCP探测器的固定位置差为粒子的飞行距离。

2.根据权利要求1所述的基于中性原子成像装置的粒子成分分析系统，其特征在于，所述放大电路模块包括前置放大器和主放大器。

3.根据权利要求1所述的基于中性原子成像装置的粒子成分分析系统，其特征在于，所述系统还包括：保护电路，所述保护电路分别设置于放大电路模块和比较电路模块中，当设置于放大电路模块时，所述保护电路包括极零相消电路和滤波电路，所述极零相消电路用于改善计数率过载和脉冲幅度叠加效应，所述滤波电路用于降低输出电压纹波系数，使输出电压波形更加平滑；当所述保护电路设置于比较电路模块时，所述保护电路包括滤波电路。

4.根据权利要求1所述的基于中性原子成像装置的粒子成分分析系统，其特征在于，所述时间数字转换电路模块包括专用时间数字转换芯片。

5.一种基于中性原子成像装置的粒子成分分析方法，基于权利要求1-4之一所述的系统实现，所述方法包括：

步骤1)所述系统上电后，FPGA控制电路模块对时间数字转换电路模块进行初始化和基础配置，使其正常工作；

步骤2)所述放大电路模块接收到探测器模块输出的起始信号和结束信号后，对其进行I-V转换和幅度放大，经过保护电路的极零相消和滤波后，送入比较电路模块；

步骤3)比较电路模块将起始信号和结束信号转换成特定的电平信号，输出到时间数字转换电路模块；

步骤4)所述时间数字转换电路模块完成粒子飞行时间的测量，输出到FPGA控制电路模块；

步骤5)所述上位机从FPGA控制电路模块读取粒子飞行时间t，并通过第一MCP探测器和第二MCP探测器的固定位置差l计算粒子的飞行速度

步骤6)所述FPGA控制电路模块从中性原子成像装置中的能量探测器获取粒子的能量E，发送到上位机，通过下述公式计算粒子的质量：

在非相对论能区，粒子的动能E表示为：

则粒子的质量m表示为：

步骤7)根据粒子的质量对粒子成分进行分析，并在上位机中进行显示和存储。