本发明专利技术提供一种小型化低功耗的低能离子探测器，该探测器包含传感器和与传感器输出端相连的电路系统部分，其特征在于：所述传感器为2个，且每个传感器均包含：一180°偏转电极、一90°～120°柱形静电分析器和一电子倍增器；其中，所述偏转电极实现极角方向的视场为180°；所述偏转电极、柱形静电分析器和电子倍增器依次串联，形成一中空的“U”形通路；所述两个传感器相向套合设置，用于实现两个180度偏转电极平行相反布放，进而实现360°扫描范围。所述电路系统包含：两个前置放大器、高压电路和DA转换器、AD转换器、接口电路、电源系统和FPGA单元；所述两个电子倍增器输出的电荷信号分别输入两个前置放大器进行放大，FPGA单元进行计数，完成离子探测。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种小型化、低功耗的低能离子探测器，该探测器可以用于近地空间、 深空探测等方面的低能离子的探测，特别涉及一种小型化低功耗的低能离子探测器。
技术介绍
低能离子是空间物理、空间环境和空间天气研究的主要对象之一，也是各类航天器轨道空间环境的重要组成部分，对航天器的在轨安全及工作寿命具有重要影响。小型化、低功耗是低能离子探测器的发展方向，特别是用于深空探测的航天器的资源有限，要求载荷的体积小、功耗小。目前国内用于空间低能离子探测的仪器的体积和功耗都较大，无法适应空间探测载荷小型化和低功耗的发展趋势。现有技术的低能离子探测器包含传感器和电路系统。目前国内用于空间低能离子探测的仪器的传感器都采用半球形静电分析器，这类分析器的体积较大。要实现半球形静电分析器360度极角的探测，需要使用环形的微通道板，而环形微通道板的面积较大。由于半球形静电分析器使用多个阳极实现角度测量，因此要实现360°极角方向22. 5°的角度分辨率，则需要16个阳极且所述电路系统部分还需采用16片前置放大器，这就增加了仪器的尺寸、质量和功耗。所述16个前置放大器将电子倍增器输出的电荷信号进行放大，输出数字脉冲信号给单片机实现仪器的运行控制、数据采集处理等功能，这样需要的芯片的种类和数量较多，电路板的尺寸也很大，而且单片机系统的功耗也较大。为实现仪器的高效运行，与单片机相连的DA转换器和AD转换器只能选用并行接口器件，但是并行接口器件的尺寸大，功耗高，造成整个电路板尺寸和功耗都大。目前国内用于空间低能离子探测的仪器中静电分析器高压和倍增器高压各需要一套高压生成电路，这样电路的尺寸和功耗都会比较大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，为克服上述缺陷，本专利技术提供一种小型化低功耗的低能离子探测器。为实现上述目的，本专利技术提供一种小型化低功耗的低能离子探测器，该探测器包含传感器和与传感器输出端相连的电路系统部分，所述电路系统部分还为所述传感器提供所需高压，其特征在于所述传感器具体个数为二，且每个传感器均包含一 180°偏转电极、一 90° 120°柱形静电分析器和一电子倍增器；其中，所述偏转电极实现极角方向的视场为 180° ；所述偏转电极、柱形静电分析器和电子倍增器依次串联，形成一中空的“U”形通路；所述两个传感器共形成两个“U”形结构，所述两个“U”结构相向套合，用于实现两个180 度偏转电极平行相反布放，进而实现360°扫描范围。上述技术方案中，所述电路系统包含两个前置放大器和一包含计数功能的FPGA 单元；所述两个电子倍增器输出的电荷信号分别输入到两个前置放大器进行放大，所述前置放大器的输出数字脉冲信号输入所述FPGA单元进行计数，完成离子探测。上述技术方案中，所述FPGA单元的功能还包含对数压缩单元，控制单元和若干串行接口。所述电路系统还包含高压电路、DA转换器、AD转换器和接口电路；所述DA转换器和AD转换器通过串行接口与所述FPGA单元相连；电源系统，该电源系统将外部输入电源转换为探测器内部所需的低压电源。所述DA转换器在所述FPGA单元的控制下输出低压模拟量信号，该模拟量信号分别为所述偏转电极、静电分析器和电子倍增器的设定高压值；所述高压电路将DA转换器输出的低压转换为偏转电极高压、静电分析器高压和电子倍增器高压；所述AD转换器采集探测器运行过程中的各个模拟量工程参数，并将采集的信号输入所述FPGA单元进行存储和发送；所述接口电路与所述FPGA单元相连，用于接收外部设备注入所述FPGA单元的命令，并将所述FPGA单元采集的科学数据及工程参数发送到外部设备。本专利技术的优点在于，首先改变了静电分析器的结构，静电分析器的结构改变后使用了小体积的通道电子倍增器，同时为了实现360度扫描范围对该静电分析器的入口设置了偏转电极，以及对两个传感器进行巧妙的布放，以上的改进在不改变扫描范围和分辨率的条件下大大降低了整个传感器尺寸和体积，这对于资源有限的航天器有着重要的使用意义；其次，电路系统为了适应传感器器件的新构造也作出了改进，这又进一步降低整个探测器的尺寸、重量和功耗，大大改进了现有技术的低能离子探测器。附图说明图1是本专利技术的传感器结构示意图；图2是本专利技术的电路系统结构示意图。附图标识1、偏转电极 2、静电分析器 3、电子倍增器具体实施例方式下面结合附图和具体的实施方式对本专利技术的进一步详细描述。本专利技术提出一种小型化、低功耗的低能离子探测器，该探测器可以用于近地空间、 深空探测等方面的低能离子的探测，该探测器的主要技术指标如表1所示该表为主要技术指标。表 1能量范围 (keV)0.01-15能量分辨率<15%极角视场360°极角分辨率22.5°尺寸(mm)132x72x81功耗(W)1.2本专利技术的探测器也包括传感器和电路系统两部分，其中二者为一体化设计。如图1所示，该图为本专利技术改进的传感器的结构示意图。本专利技术的传感器包括偏转电极、静电分析器和电子倍增器。其中，传感器的入口为偏转电极1，用于选择入射离子的方向，两个偏转之间的压差用于决定所选择的入射离子的方向，即只有与两个偏转电极A和B所加电压匹配的入射方向的离子才能够进入到与偏转电极后面相连的静电分析器中，通过对两个电极所加的电压进行扫描，就可以实现对入射离子方向的扫描。静电分析器2用于进行能量选择，其对经过偏转电极选择的离子进行偏转，即只有与静电分析器2所加电压能量匹配的离子才能够经过静电分析器；通过对静电分析器电压进行扫描，可以实现对入射到该静电分析器的离子能量进行扫描。电子倍增器3用于对静电分析器出口的离子进行放大，其输出信号为电荷脉冲信号，该电荷脉冲信号输入电路系统部分。作为本专利技术的专利技术点之一，所述静电分析器2采用柱形静电分析器，相对于现有技术的半球形静电分析器这种柱形静电分析器可以大大减小体积。由于仅仅使用柱形静电分析器无法实现探测多个离子入射角度的功能，因此需要在柱形静电分析器前面增加了离子入射角度选择的扫描电极即偏转电极1，这种结合方式可达到探测多个离子入射角的目的。进一步的，一个扫描电极只能实现极角方向的视场为180°，为了实现360°的极角视场，需要两套扫描电极1。如图1所示，传感器设计了两个对称的部分(图中用粗线和细线分别表示，每个部分均包括一个扫描电极、一个柱形静电分析器和一个电子倍增器)，两部分完全相同，本设计中巧妙地将两部分交错在一起，充分利用了内部空间，使得传感器的尺寸进一步减小。由于每部分极角方向的视场为180°，则两部分极角方向的总视场为360°。通过上述措施， 实现了传感器的小型化，并且其视场可以达到半球形静电分析器的指标。由于使用了柱形的静电分析器2，因此可以用体积更小的电子倍增器替代半球形静电分析器中所使用的面积较大的环形微通道板，有利于实现仪器的小型化。电路系统部分电路系统部分如图2所示，包括前置放大器、高压电路、DA转换器、AD转换器、 FPGA单元、接口电路以及电源系统。每个单元的功能描述举如下前置放大器1和前置放大器2，用于对图1中两个电子倍增器输出的电荷信号进行放大，输出数字脉冲信号给FPGA单元进行计数。DA转换器，在FPGA单元的控制下输出低压模拟量信号，该模拟量信号分别为偏转电极高压、静电分析器高压和电子倍增器高压的设定值本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种小型化低功耗的低能离子探测器，该探测器包含传感器和与传感器输出端相连的电路系统部分，所述电路系统部分还为所述传感器提供所需高压，且该探测器用于低能离子的探测，其特征在于：所述传感器为２个，且每个传感器均包含：一１８０°偏转电极、一９相反布放，进而实现３６０°扫描范围。０°～１２０°柱形静电分析器和一电子倍增器；其中，所述偏转电极实现极角方向的视场为１８０°；所述传感器的偏转电极、柱形静电分析器和电子倍增器依次串联连通，形成一中空的“Ｕ”形通路；所述两个传感器相向套合设置，用于实现两个１８０度偏转电极平行
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张爱兵，孔令高，王世金，孙越强，朱光武，梁金宝，丁建京，刘超，郑香脂，田峥，
申请(专利权)人：中国科学院空间科学与应用研究中心，
类型：发明
国别省市：11
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