用于中性原子分析的测量装置.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010806535.3 (22)申请日 2020.08.12 (71)申请人 中国科学院国家空间科学中心 地址 100190 北京市海淀区中关村南二条1 号 (72)发明人 常远余庆龙路立荆涛卢琪 孙越强 (74)专利代理机构 北京方安思达知识产权代理 有限公司 11472 代理人 陈琳琳杨青 (51)Int.Cl. G01T 1/28(2006.01) G01T 1/172(2006.01) (54)发明名称 一种用于中性原子分析的测量装置 (57)摘要 本发明公开了一种。

2、用于中性原子分析的测 量装置， 所述装置包括： 探测组件和信号处理模 块； 所述探测组件， 用于接收宇宙粒子， 对其中待 分析的中性原子， 产生二次电子， 通过收集起始 二次电子、 停止二次电子和符合二次电子输出起 始阳极信号、 停止阳极信号和符合阳极信号； 所 述信号处理模块， 用于对接收到的起始阳极信 号、 停止阳极信号和符合阳极信号进行预处理， 然后进行计算， 得到待分析粒子在探测组件中的 飞行时间信息、 起始二次电子的位置信息、 停止 二次电子的位置信息、 符合二次电子的位置信息 和在探测组件中的飞行时间信息。 本发明的装置 结构简单， 空间利用率高， 易于加工制作。 权利要求书2页 。

3、说明书6页 附图1页 CN 111965689 A 2020.11.20 CN 111965689 A 1.一种用于中性原子分析的测量装置， 其特征在于， 所述装置包括： 探测组件和信号处 理模块； 所述探测组件， 用于接收宇宙粒子， 对其中待分析的中性原子， 产生二次电子， 通过收 集起始二次电子、 停止二次电子和符合二次电子输出起始阳极信号、 停止阳极信号和符合 阳极信号； 所述信号处理模块， 用于对接收到的起始阳极信号、 停止阳极信号和符合阳极信号进 行预处理， 然后进行计算， 得到待分析粒子在探测组件中的飞行时间信息、 起始二次电子的 位置信息、 停止二次电子的位置信息、 符合二次电子。

4、的位置信息和在探测组件中的飞行时 间信息。 2.根据权利要求1所述的用于中性原子分析的测量装置， 其特征在于， 所述探测组件由 上下平行的顶部MCP探测器和底部MCP探测器， 以及左右平行的极板组成非封闭的立方体腔 体， 在腔体的左上及右上， 对称设置倾斜且平行， 并保持一定间隙的入口碳膜和入口栅网； 在入口碳膜外设置有锯齿形偏转板； 在顶部MCP探测器上方， 依次设置位于同一水平线， 并 保持固定间隙的第一起始阳极、 符合阳极和第二起始阳极； 在底部MCP探测器以上依次平行 设置保持固定间隙的底部碳膜和底部栅网， 在底部MCP探测器以下平行设置停止阳极； 在腔 体的中部附近左右对称的设置中部。

5、栅网； 其中， 入口碳膜的电压小于入口栅网的电压， 底部 碳膜的电压值小于底部栅网的电压， 中部栅网的电压小于底部栅网的电压， 顶部MCP的电压 大于入口碳膜、 中部栅网、 底部栅网、 极板以及底部碳膜的电压； 所述偏转板， 用于接收宇宙粒子， 排除其中带电粒子， 将待测中性原子射入入口碳膜； 所述入口碳膜， 用于接收待测中性原子， 产生起始二次电子并与入口栅网共同对起始 二次电子进行加速； 所述顶部MCP探测器用于对起始二次电子产生倍增作用； 并和入口栅网及中部栅网构 成电场， 使得起始二次电子先减速后反向加速偏转至第一起始阳极和第二起始阳极； 所述第一起始阳极和第二起始阳极， 用于接收倍增。

6、后的二次电子， 产生两路起始阳极 信号； 所述底部碳膜， 用于接收待测中性原子， 产生反向二次电子和正向二次电子； 所述底部MCP探测器， 用于收集正向二次电子， 产生两路停止阳极信号； 所述符合阳极， 用于收集反向二次电子， 产生两路符合阳极信号。 3.根据权利要求2所述的用于中性原子分析的测量装置， 其特征在于， 所述第一碳膜和 第二碳膜为不大于2ug/cm2的碳膜。 4.根据权利要求2所述的用于中性原子分析的测量装置， 其特征在于， 所述第一起始阳 极、 符合阳极、 第二起始阳极和停止阳极均为延迟线阳极， 停止阳极为二维阳极。 5.根据权利要求2所述的用于中性原子分析的测量装置， 其特征。

7、在于， 所述信号处理模 块包括放大电路及滤波成型电路以及并联的第一时间数字转换模块、 第二时间数字转换模 块、 第三时间数字转换模块、 第四时间数字转换模块和第五时间数字转换模块； 所述放大电路及滤波成型电路， 用于对接收到的起始阳极信号、 停止阳极信号和符合 阳极信号进行放大及滤波的预处理， 并将预处理后的一路起始阳极信号和一路停止阳极信 号输入第一时间数字转换模块， 将预处理后的一路停止阳极信号和一路符合阳极信号输入 第二时间数字转换模块， 将两路起始阳极信号输入第三时间数字转换模块， 将两路符合阳 权利要求书 1/2 页 2 CN 111965689 A 2 极信号输入第四时间数字转换模。

8、块， 将两路停止阳极信号输入第五时间数字转换模块； 所述第一时间数字转换模块， 用于计算停止阳极信号和起始阳极信号对应时间的差 值， 得到待分析粒子在探测组件中的飞行时间信息； 所述第二时间数字转换模块， 用于计算停止阳极信号和符合阳极信号对应时间的差 值， 得到符合二次电子在探测组件中的飞行时间信息； 所述第三时间数字转换模块， 用于根据两路起始阳极信号对应时间， 计算得到起始二 次电子的位置信息X0： 其中， L0为X方向起始阳极延迟线总长度， t0为两路起始阳极信号到达起始阳极延迟 线两侧的时间差， veff0为在X方向等效传输速度： 其中， f为修正系数， c为光速， P0为起始阳极延。

9、迟线的周期， H0为起始阳极延迟线阳极Y 方向长度，r为介电常数； 所述第四时间数字转换模块， 用于根据两路符合阳极信号对应时间， 计算得到符合二 次电子的位置信息X1： 其中， L1为X方向符合阳极延迟线总长度， t1为两路符合阳极信号到达符合阳极延迟 线两侧的时间差， veff1为在X方向等效传输速度： 其中， P1为符合阳极延迟线的周期， H1为符合阳极延迟线阳极Y方向长度； 所述第五时间数字转换模块， 用于根据两路停止阳极信号对应时间， 计算得到停止二 次电子的位置信息(X2,Y2)： 其中， L为X方向停止阳极延迟线总长度， tx为两路停止阳极信号到达停止阳极延迟线 两侧的时间差， 。

10、veffx为在X方向等效传输速度： P2为停止阳极延迟线的周期， H为停止阳极延迟线阳极Y方向长度； 其中， ty为两路停止阳极信号到达停止阳极延迟线Y方向两侧的时间差， veffy为在Y方 向等效传输速度： 权利要求书 2/2 页 3 CN 111965689 A 3 一种用于中性原子分析的测量装置 技术领域 0001 本发明涉及空间探测技术领域， 尤其涉及一种用于中性原子分析的测量装置。 背景技术 0002 中性原子是一种在空间中占很大比例的粒子， 随着空间科学研究的深入， 近年来 许多空间科学问题对中性原子成分分析、 能量分析提出了要求。 能够有效鉴别出中性原子 种类， 对解释空间环境平。

11、静期及扰动期的各种物理现象有很重要的意义， 例如帮助了解超 热粒子、 太阳爆发及与行星作用过程区域等。 现有中性原子仪器对能谱分析较多， 但是能够 排除其他粒子干扰， 实现大能量范围鉴别中性原子成分的测量装置还未出现。 发明内容 0003 本发明的目的在于克服现有技术缺陷， 实现对大能量范围空间中性原子的粒子的 成分分析， 提出了一种用于中性原子分析的测量装置。 0004 为了实现上述目的， 本发明提出了一种用于中性原子分析的测量装置， 所述装置 包括： 探测组件和信号处理模块； 0005 所述探测组件， 用于接收宇宙粒子， 对其中待分析的中性原子， 产生二次电子， 通 过收集起始二次电子、 。

12、停止二次电子和符合二次电子输出起始阳极信号、 停止阳极信号和 符合阳极信号； 0006 所述信号处理模块， 用于对接收到的起始阳极信号、 停止阳极信号和符合阳极信 号进行预处理， 然后进行计算， 得到待分析粒子在探测组件中的飞行时间信息、 起始二次电 子的位置信息、 停止二次电子的位置信息、 符合二次电子的位置信息和在探测组件中的飞 行时间信息。 0007 作为上述装置的一种改进， 所述探测组件由上下平行的顶部MCP探测器和底部MCP 探测器， 以及左右平行的极板组成非封闭的立方体腔体， 在腔体的左上及右上， 对称设置倾 斜且平行， 并保持一定间隙的入口碳膜和入口栅网； 在入口碳膜外设置有锯齿。

13、形偏转板； 在 顶部MCP探测器上方， 依次设置位于同一水平线， 并保持固定间隙的第一起始阳极、 符合阳 极和第二起始阳极； 在底部MCP探测器以上依次平行设置保持固定间隙的底部碳膜和底部 栅网， 在底部MCP探测器以下平行设置停止阳极； 在腔体的中部附近左右对称的设置中部栅 网； 其中， 入口碳膜的电压小于入口栅网的电压， 底部碳膜的电压值小于底部栅网的电压， 中部栅网的电压小于底部栅网的电压， 顶部MCP的电压大于入口碳膜、 中部栅网、 底部栅网、 极板以及底部碳膜的电压； 0008 所述偏转板， 用于接收宇宙粒子， 排除其中带电粒子， 将待测中性原子射入入口碳 膜； 0009 所述入口碳。

14、膜， 用于接收待测中性原子， 产生起始二次电子并与入口栅网共同对 起始二次电子进行加速； 0010 所述顶部MCP探测器用于对起始二次电子产生倍增作用； 并和入口栅网及中部栅 说明书 1/6 页 4 CN 111965689 A 4 网构成电场， 使得起始二次电子先减速后反向加速偏转至第一起始阳极和第二起始阳极； 0011 所述第一起始阳极和第二起始阳极， 用于接收倍增后的二次电子， 产生两路起始 阳极信号； 0012 所述底部碳膜， 用于接收待测中性原子， 产生反向二次电子和正向二次电子； 0013 所述底部MCP探测器， 用于收集正向二次电子， 产生两路停止阳极信号； 0014 所述符合阳。

15、极， 用于收集反向二次电子， 产生两路符合阳极信号。 0015 作为上述装置的一种改进， 所述第一碳膜和第二碳膜为不大于2ug/cm2的碳膜。 0016 作为上述装置的一种改进， 所述第一起始阳极、 符合阳极、 第二起始阳极和停止阳 极均为延迟线阳极， 停止阳极为二维阳极。 0017 作为上述装置的一种改进， 所述信号处理模块包括放大电路及滤波成型电路以及 并联的第一时间数字转换模块、 第二时间数字转换模块、 第三时间数字转换模块、 第四时间 数字转换模块和第五时间数字转换模块； 0018 所述放大电路及滤波成型电路， 用于对接收到的起始阳极信号、 停止阳极信号和 符合阳极信号进行放大及滤波的。

16、预处理， 并将预处理后的一路起始阳极信号和一路停止阳 极信号输入第一时间数字转换模块， 将预处理后的一路停止阳极信号和一路符合阳极信号 输入第二时间数字转换模块， 将两路起始阳极信号输入第三时间数字转换模块， 将两路符 合阳极信号输入第四时间数字转换模块， 将两路停止阳极信号输入第五时间数字转换模 块； 0019 所述第一时间数字转换模块， 用于计算停止阳极信号和起始阳极信号对应时间的 差值， 得到待分析粒子在探测组件中的飞行时间信息； 0020 所述第二时间数字转换模块， 用于计算停止阳极信号和符合阳极信号对应时间的 差值， 得到符合二次电子在探测组件中的飞行时间信息； 0021 所述第三时。

17、间数字转换模块， 用于根据两路起始阳极信号对应时间， 计算得到起 始二次电子的位置信息X0： 0022 0023 其中， L0为X方向起始阳极延迟线总长度， t0为两路起始阳极信号到达起始阳极 延迟线两侧的时间差， veff0为在X方向等效传输速度： 0024 0025 其中， f为修正系数， c为光速， P0为起始阳极延迟线的周期， H0为起始阳极延迟线阳 极Y方向长度，r为介电常数； 0026 所述第四时间数字转换模块， 用于根据两路符合阳极信号对应时间， 计算得到符 合二次电子的位置信息X1： 0027 0028 其中， L1为X方向符合阳极延迟线总长度， t1为两路符合阳极信号到达符合。

18、阳极 延迟线两侧的时间差， veff1为在X方向等效传输速度： 说明书 2/6 页 5 CN 111965689 A 5 0029 0030 其中， P1为符合阳极延迟线的周期， H1为符合阳极延迟线阳极Y方向长度； 0031 所述第五时间数字转换模块， 用于根据两路停止阳极信号对应时间， 计算得到停 止二次电子的位置信息(X2,Y2)： 0032 0033 其中， L为X方向停止阳极延迟线总长度， tx为两路停止阳极信号到达停止阳极 延迟线两侧的时间差， veffx为在X方向等效传输速度： 0034 0035 P2为停止阳极延迟线的周期， H为停止阳极延迟线阳极Y方向长度； 0036 003。

19、7 其中， ty为两路停止阳极信号到达停止阳极延迟线Y方向两侧的时间差， veffy为 在Y方向等效传输速度： 0038 0039 与现有技术相比， 本发明的优势在于： 0040 1、 本发明的结构简单， 空间利用率高， 易于加工制作； 0041 2、 本发明所选的阳极为延迟线阳极， 采用PCB加工制作， 大大简化了制作工艺； 0042 3、 本发明采用不大于2ug/cm2的超薄碳膜， 大大减少了粒子散射， 可将探测能量范 围最小值扩到1KeV的H， 同时提高了角分辨率； 0043 4、 本发明装置添加了符合阳极， 排除了其他粒子干扰， 更加准确的鉴别中性原子。 附图说明 0044 图1是本发。

20、明用于中性原子分析的测量装置的组成图； 0045 图2是本发明的探测组件的剖面示意图。 具体实施方式 0046 本发明公开了一种用于中性原子分析的测量装置， 装置包括： 探测组件和信号处 理模块； 探测组件， 用于接收宇宙粒子， 对其中待分析的中性原子， 产生二次电子， 通过收集 起始二次电子、 停止二次电子和符合二次电子输出起始阳极信号、 停止阳极信号和符合阳 极信号； 信号处理模块， 用于对接收到的起始阳极信号、 停止阳极信号和符合阳极信号进行 预处理， 然后进行计算， 得到待分析粒子在探测组件中的飞行时间信息、 起始二次电子的位 置信息、 停止二次电子的位置信息、 符合二次电子的位置信息。

21、和在探测组件中的飞行时间 信息。 0047 时间数字转换模块即TDC模块记录粒子在入口处碳膜和底部碳膜分别产生的二次 说明书 3/6 页 6 CN 111965689 A 6 电子打在MCP上的时间差， 该时间差即为粒子的飞行时间。 0048 为扩大能量探测范围， 需要使用超薄的碳膜， 因为较厚的碳膜会阻挡低能量的中 性原子， 但是超薄的碳膜对太空的背景源(如穿透粒子和远紫外线)无法限制， 因此探测组 件添加了符合阳极对背景源的干扰进行鉴别。 为准确获得中性原子相关信息， 探测组件需 要能够测量起始二次电子和停止二次电子， 因此探测组件结构要合理设计结构和内部电场 配置， 合理引导二次电子轨迹。

22、至指定的MCP和阳极区域。 基于以上要求， 设计了中心原子分 析系统的探测组件结构如图2所示。 0049 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。 0050 如图1所示， 本发明提供了一种用于中性原子分析系统的测量装置。 该装置包括探 测组件和信号处理模块。 0051 1、 探测组件 0052 如图2所示为探测组件结构剖面图。 探测组件由上下平行的顶部MCP探测器和底部 MCP探测器， 以及左右平行的极板组成非封闭的立方体腔体， 在腔体的左上及右上， 对称设 置倾斜且平行， 并保持一定间隙的入口碳膜和入口栅网； 在入口碳膜外设置有锯齿形偏转 板； 在顶部MCP探测器上方， 依次设置位于同。

23、一水平线， 并保持固定间隙的第一起始阳极、 符 合阳极和第二起始阳极； 在底部MCP探测器以上依次平行设置保持固定间隙的底部碳膜和 底部栅网， 在底部MCP探测器以下平行设置停止阳极； 在腔体的中部附近左右对称的设置中 部栅网； 其中， 入口碳膜的电压小于入口栅网的电压， 底部碳膜的电压值小于底部栅网的电 压， 中部栅网的电压小于底部栅网的电压， 顶部MCP的电压大于入口碳膜、 中部栅网、 底部栅 网、 极板以及底部碳膜的电压。 0053 入口碳膜的电压要小于入口栅网的电压， 对起始二次电子加速， 中部栅网的电压 小于入口栅网的电压以及顶部MCP的电压， 使起始二次电子先减速在反向加速加速偏转。

24、至 起始阳极区域。 底部碳膜的电压值小于底部栅网的电压， 对符合二次电子加速。 中部栅网的 电压小于底部栅网的电压， 在极板电压的作用下使符合二次电子偏转至符合阳极区域。 顶 部MCP的电压大于顶部碳膜、 中部栅网、 底部栅网、 极板以及底部碳膜的电压。 0054 探测组件采用超薄的碳膜， 小于等于2ug/cm2， 从而扩大粒子探测能量范围以及提 高角分辨率。 0055 入口碳膜外还有锯齿形偏转板， 该偏转板加高压， 用于接收宇宙粒子， 排除其中带 电粒子， 只有中性原子能够沿直线通过出口， 垂直入射在入口碳膜上， 所以这个偏转板同时 有准直的作用。 0056 入口碳膜产生的起始二次电子在入口。

25、栅网、 中部栅网以及顶部MCP构成的电场下， 被引导至起始阳极所对应的区域。 入口碳膜与入口栅网共同对起始二次电子进行加速。 顶 部MCP探测器对起始二次电子进行倍增； 并和入口栅网及中部栅网构成电场， 使得起始二次 电子先减速后反向加速偏转至第一起始阳极和第二起始阳极； 第一起始阳极和第二起始阳 极， 接收倍增后的二次电子， 产生两路起始阳极信号； 底部碳膜接收待测中性原子， 产生反 向二次电子和正向二次电子； 底部MCP探测器收集正向二次电子， 产生两路停止阳极信号； 符合阳极收集反向二次电子， 产生两路符合阳极信号。 第一起始阳极、 符合阳极、 第二起始 阳极和停止阳极均为延迟线阳极， 。

26、采用PCB加工制作， 停止阳极为二维阳极。 0057 2、 信号处理模块 说明书 4/6 页 7 CN 111965689 A 7 0058 信号处理模块包括放大电路及滤波成型电路以及并联的第一时间数字转换模块、 第二时间数字转换模块、 第三时间数字转换模块、 第四时间数字转换模块和第五时间数字 转换模块。 0059 放大电路及滤波成型电路， 对接收到的起始阳极信号、 停止阳极信号和符合阳极 信号进行放大及滤波的预处理， 之后， 0060 一路起始阳极信号和一路停止阳极信号输入第一时间数字转换模块； 计算停止阳 极信号和起始阳极信号对应时间的差值， 得到待分析粒子在探测组件中的飞行时间信息。 。

27、0061 一路停止阳极信号和一路符合阳极信号输入第二时间数字转换模块； 计算停止阳 极信号和符合阳极信号对应时间的差值， 得到符合二次电子在探测组件中的飞行时间信 息。 0062 两路起始阳极信号输入第三时间数字转换模块； 根据两路起始阳极信号对应时 间， 计算得到起始二次电子的位置信息X0： 0063 0064 其中， L0为X方向起始阳极延迟线总长度， t0为两路起始阳极信号到达起始阳极 延迟线两侧的时间差， veff0为在X方向等效传输速度： 0065 0066 其中， f为修正系数， c为光速， P0为起始阳极延迟线的周期， H0为起始阳极延迟线阳 极Y方向长度，r为介电常数。 006。

28、7 两路符合阳极信号输入第四时间数字转换模块； 根据两路符合阳极信号对应时 间， 计算得到符合二次电子的位置信息X1： 0068 0069 其中， L1为X方向符合阳极延迟线总长度， t1为两路符合阳极信号到达符合阳极 延迟线两侧的时间差， veff1为在X方向等效传输速度： 0070 0071 其中， P1为符合阳极延迟线的周期， H1为符合阳极延迟线阳极Y方向长度。 0072 两路停止阳极信号输入第五时间数字转换模块； 根据两路停止阳极信号对应时 间， 计算得到停止二次电子的位置信息(X2,Y2)： 0073 0074 其中， L为X方向停止阳极延迟线总长度， tx为两路停止阳极信号到达停。

29、止阳极 延迟线两侧的时间差， veffx为在X方向等效传输速度： 0075 0076 P2为停止阳极延迟线的周期， H为停止阳极延迟线阳极Y方向长度； 说明书 5/6 页 8 CN 111965689 A 8 0077 0078 其中， ty为两路停止阳极信号到达停止阳极延迟线Y方向两侧的时间差， veffy为 在Y方向等效传输速度： 0079 0080 最后所应说明的是， 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。 尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明， 本领域的普通技术人员应当理解， 对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换， 都不脱离本发明技术方案的精神和范围， 其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。 说明书 6/6 页 9 CN 111965689 A 9 图1 图2 说明书附图 1/1 页 10 CN 111965689 A 10 。