高能粒子探测器高能段数采控制系统设计

发布时间：2020-08-21 02:50

【摘要】：地球电磁异常与地球空间辐射环境耦合机制研究早在二十世纪就已经开始,世界上首颗地球电磁卫星DEMTER搭载能够探测粒子能量在0.8Me V*到2.5Me V范围内的高能粒子探测器,成功捕获到与地面甚低频源和极端灾害天气等因素紧密联系的电离层带电高能粒子异常情况。中国电磁监测试验卫星高能粒子探测器高能段载荷对带电粒子能量测量进行扩展,增加了对粒子种类鉴别和粒子入射角度测量。可测高能电子能量范围扩展为0.1Me V到50Me V,高能质可测范围为2Me V到200Me V。这对进一步探索近地电磁异常与空间高能粒子暴的相关性研究具有重大意义。本文基于高能粒子探测器高能段载荷,对探测器的数采控制系统展开研究。主要内容包括高能粒子探测器系统方案设计、探测器信号测量技术、数采控制系统设计及其软件系统设计、系统测试及束流实验等。首先,本文阐述了课题的研究背景及意义和国内外研究现状。基于本人在中国科学院高能物理研究所实习阶段的航天项目经历,简要地介绍了高能粒子探测器高能段数采控制系统的课题来源,并对本文的主要内容和基本框架进行概括。其次,讨论了高能粒子探测器粒子鉴别、角度测量、能量测量方法,比较了现有各类探测器,并提出高能粒子探测器探测单元设计原则和中国电磁监测卫星(CSES)的有效载荷构成,以及高能粒子探测器的技术指标。此外,针对高能段载荷探头详细介绍了探测器内部结构组成及探测器读出电子学系统以及高能粒子探测器基本原理和能区划分原则。然后,分析高能粒子探测器单元电路设计,包括探测器前端电子学电路设计和数采控制单元电路设计。继而展开数采控制系统软件设计,分别介绍了基于FPGA的软件模块设计,和基于MCU的软件设计。考虑星上软件工作环境的特殊性,进行了相应的软件可靠性设计。最后,对高能段数采控制系统进行了各项基本性能测试以及载荷系统的束流实验。通过实验,有效地检测了数采控制系统设计的合理性、有效性,实现了项目总体的技术指令要求,对带电粒子种类鉴别、入射角度重建、入射粒子能量测量的研究目的。测试系统了功耗,验证了系统功能实现,并总结了探测性能和探测效率。通过对全文进行总结,高能粒子探测器高能段载荷各项技术指标符合方案预期,针对初样阶段发现的不足以及航天产品的可靠性设计要求,对正样阶段研制工作进行展望。*标表示:粒子能量兆电子伏特,兆电子伏特与SI制的能量单位焦耳(J)的换算关系是1 Me V=1.602176565(35)×10-16J。
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P353
【图文】：

状态图,地球辐射带,粒子,地球磁场

第 1 章引言第 1 章引言1.1 课题背景及意义空间辐射环境基本上由宇宙射线、太阳活动、地球辐射带和次级辐射这四类组成。地球辐射带是指更靠近地球的高能粒子分布区，它们相对稳定，只有当太阳活动或者地球磁场扰动时，分布的高能粒子的粒子才通量会急剧增加，它也被叫做范艾伦辐射带(VanAllen Belt)(J.AVanAllen, 2004) 。当地球辐射带的粒子处于平稳周期时，它们同时存在三种相互独立的运动：回旋运动、弹跳运动和漂移运动(ZELENYI L, 1989)。如下图 1-1 如所示。回旋运动是以磁力线为轴心，弹跳运动则发生在磁镜点间，漂移运动沿着赤道环行；这三种运动周期逐级递增。

事例,震前,粒子

图 1-2 探测到的震前粒子暴事例分布法国发射的电磁卫星 DEMETER，同样运行在地球辐射带内，以人工地基甚低频信号（VLF）验证了地面发射的电磁波会与空间高能带电粒子产生共振，从而导致带电粒子通量等信息异常现象。DEMETER 卫星以 VLF 电磁波作用空间粒子能区也只有0.07~2.5MeV，而实际上地震灾害产生的SEME覆盖0到几十兆，因此需要对能区范围更广的空间粒子进行监测(王平，2011)。1.1.2 课题研究意义高能粒子探测器是实现空间环境研究的重要途径，通过对空间物理环境以及辐射耦合机制研究，对地震灾害预报具有深刻的意义。高能粒子探测技术也能够通过该课题得到具体的检验，这对提高我国空间探测和灾害预报能力同样至关重要。通过此项目的实施，可以开发与掌握多项空间带电粒子探测的关键技术。提高空间粒子探测器及相关的低噪声电子学数据获取系统的研发能力；同时发展适应空间应用的空间粒子探测器的测试、数据处理与重建、粒子鉴别等方法，加强我国在空间高能粒子探测技术方面的基础，拓展对空间辐射环境的观测与研究能

球坐标系,角度,入射粒子

成都理工大学硕士学位论文探测器高能段通过对探测位置灵敏的双面硅条探测器（DSSD）实现对入射粒子的角度测量。根据技术指标要求探测器角度测量分辨率在5 以内，即粒子入射角度测量的偏差值。由于 DSSD 超薄的物理特性，入射粒子穿过 DSSD 并不会产生轨迹偏转，这对入射粒子角度测量具有重要的意义。DSSD 是双层结构，带电粒子穿过第一层硅面，打到第二层硅面获得入射粒子在三维空间的两个点坐标。通过三维空间球坐标示意（如图 2-1），可以计算出粒子投掷角(吴峰，2013)39-40。

【参考文献】