[发明专利]一种正负电子磁谱仪

说明书

本发明提供一种正负电子磁谱仪，包括一体化正负电子磁谱仪探头、偏置电压发生单元、信号读出单元和数据处理单元；所述一体化正负电子磁谱仪探头用于同时探测入射的特定能量范围的正电子和电子的能量和通量；所述偏置电压发生单元用于生成偏置电压并提供至所述一体化正负电子磁谱仪探头；所述信号读出单元用于读取所述一体化正负电子磁谱仪探头探测的信号；所述数据处理单元用于控制所述信号读出单元和所述偏置电压发生单元；以及接收来自上位机的指令并根据所述指令完成对应操作，并将采集的数据发送至所述上位机。本发明的正负电子磁谱仪采用一体化正负电子磁谱仪探头，能够同时测量能量为几十到几百keV的正负电子能谱。

技术领域

本发明涉及空间探测用磁谱仪技术领域，特别是涉及一种正负电子磁谱仪。

背景技术

磁谱仪是利用磁场测量带电粒子动量或具有不同动量的带电粒子通量的仪器。磁谱仪工作原理是基于带电粒子在恒定磁场中绕磁力线所作的匀速圆周运动这一基本物理规律。带电粒子在匀强磁场的作用下做匀速圆周运动(又称拉莫尔运动)，其半径正比于带电粒子的动量。磁谱仪最早被应用在地面的物理和化学试验中，用于质谱分析。

1958年第一颗人造地球卫星的上天，人类进入空间时代。根据第一批卫星观测结果，人们发现近地空间充斥着各种高能带电粒子。1958年，Van Allen等利用安装在Explorer-1,2卫星上的盖革计数器首先发现近地空间充满被地磁场捕获的高能带电粒子的区域。此区域被称为Van Allen带，又叫辐射带。被捕获的带电粒子主要集中在两个区域：一个区域的范围在1～2Re(Re为地球半径)，叫内辐射带(Inner belt)；另一个区域的中心在3～7Re，叫外辐射带(Outer belt)。内辐射带主要的粒子是高能质子。捕获的在内辐射带的质子主要来源于宇宙线反照中子衰减，其损失主要是与大气原子或者分子的库仑碰撞。对高能质子来说，损失和径向扩散的时间尺度是年的量级，所以内辐射带质子的分布被认为是非常稳定的。外辐射带的主要粒子成分是能量范围从几十keV到几个MeV的电子。与内辐射带质子通量相比，外辐射带电子通量的变化非常剧烈。特别是发生磁暴或磁层亚暴时，外带电子通量可以增加几个数量级。

星载磁谱仪在地球辐射带观测中起到了重要的作用。到目前为止，一个典型的星载磁谱仪是美国范阿伦探测器上的磁电子和离子谱仪MagEIS。MagEIS采用了半圆磁谱仪设计，其结构如图1所示。在仪器入口处有一个张角为20°的入射准直器。带电粒子入射准直器后进入匀强磁场区。在磁场作用下，不同能量的电子被偏转到不同位置的探测器上(位置1、2、3和4)。MagEIS采用的是经典的磁谱分析技术，在确定被测带电粒子为电子的情况下，在不同位置实现不同能量范围的电子的能量和通量测量。

除了地球辐射带中的电子，近地空间中还存在各种反粒子，其中就包括电子的反粒子，即正电子。正电子又称阳电子、反电子、正子，是基本粒子的一种。正电子带正电荷，质量和电子相等，是电子的反粒子。狄拉克最早从理论上预言正电子的存在。1932年美国加州理工学院的安德森等利用云室证实了正电子的存在。正电子的发现开辟了反物质领域的研究。目前已知的正电子的产生机制主要包括：

1)短寿命粒子衰变：比如放射性同位素13N就会通过正β衰变释放正电子。

2)电子对效应：能量大于1.02MeV的γ光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下，γ光子转变成一个电子和一个正电子。

3)核聚变反应：恒星主要的核反应会释放出正电子，例如太阳，四个质子聚合成1个氦核，同时释放出两个电子中微子和两个正电子。

从上述正电子的产生机制可知，近地空间中是存在正电子的。目前，有多个大型空间反粒子探测计划正在进行空间正电子探测，如著名的阿尔法磁谱仪。阿尔法磁谱仪是在永磁体构成的匀强磁场内部及两端放置了多组可以测量入射位置的二维位置灵敏探测器组。当粒子从上到下穿越阿尔法磁谱仪的探测器组合时，其中的二维位置灵敏探测器组将测量其在匀强磁场中的偏转轨迹，进而确认其粒子种类和能量。