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空间带电粒子谱的探测和研究

沙建军  
【摘要】: 人类向空间发展是现代科学技术的重要方面之一,但空间存在辐射环境,这种辐射主要包括电磁辐射和粒子辐射。后者主要包括电子(E_e<5MeV)、质子(E_p<500MeV)和重带电粒子(通常指~(56)Fe以下的重离子)。这些粒子对飞行器的材料、电子器件、设备以及飞行人员安全等方面产生影响,尤其是单粒子效应所引起的故障尤为突出。 为了满足当前空间环境的探测需要,需要研制一台全频道的空间带电粒子探测谱仪,该谱仪能够同时测量空间质子、α粒子和重离子的能谱和通量分布。根据要求自动向地面发送空间不同位置的带电粒子通量和它与能量关系的讯息,主要用于近地空间辐射环境的探测和监测,为空间飞行器的抗辐射加固提供依据。 这套空间带电粒子谱探测系统主要有金硅面垒探测器、CsI闪烁体和改进的快响应电子学系统构成,包括ΔE-E望远镜系统和数据的获取及处理系统。在望远镜系统的设计上,采用多叠层望远镜系统扩大了测量粒子能量的动态范围,在粒子鉴别上采用ΔE_1和ΔE_1+ΔE_2的二维谱将粒子能量重叠最小化并且克服了能量交错问题,采用能量分区消除了ΔE的重叠问题,可以很好的识别不同种类较高能量的带电粒子。同时为了使得放大电路能够与该望远镜系统较好的匹配,我们在电子学系统的增益控制里对不同种类不同能量范围的带电粒子采用不同的增益。利用这套装置可探测的粒子的种类和能量分别如下:质子,能量范围为1-200MeV;α粒子,能量范围为1-200 MeV/u;氧离子,能量范围为1.7-496 MeV/u;铁离子,能量范围为2.5MeV-1.0 GeV/u。 利用α粒子、质子、氧离子、铁离子四种单能粒子对该望远镜系统和电子学系统进行性能测试和能量刻度。为了覆盖1 MeV-5.6 GeV的能量范围,增益系统分为三挡,分别为1.0、1/3和1/12.75。实验结果表明:对于α粒子和质子ΔE_1探测器具有非常高的灵敏度和较好的线性关系。α粒子的能量刻度采用的是1/3档,在ΔE_1探测器中每道能量H_1=0.107 MeV/道,在ΔE_2探测器中每道能量H_2=0.123MeV/道。质子能量刻度采用1档,每道能量H约在0.0167 MeV/道,但是在ΔE_1探测器中的能量刻度随着能量的增加略有所下降,这是由于高能质子伴随有较多的核反应道对粒子探测产生了干扰,从而增加了在ΔE_1探测器中的能量沉积道数,使得每道能量略有所下降,另一个因素可能是探测器厚度的不均匀性的影响,但 这并不影响对粒子的鉴别。在CSI晶体探测器中,质子每道能量H为1.047 MeV/ 道。对氧离子的能量刻度采用的是l八2.75的挡别,在能量范围「O一50 MeV〕有很 好的线性关系,刻度出的每道能量H是1.1 MeV/道,然而当束流能量达到80MeV/ 道时,在△E,探测器中H值与前面能量点的数据符合较好,但在△E:探测器中沉积 能量高于50 MeV时,电子学系统进入饱和状态。对铁离子而言,铁离子的四个 能量点在△E,探测器中的能量均超过5() MeV,能量信号放大电路此时己进入饱和 状态,当铁束能量为120 Me\/时,离子进入到△匕2探测器中,此时在△EZ中能量沉 积低于50 MeV,没有达到电子学系统的饱和值,能量刻度每道为1.1 MeV/道, 这些与氧离子的标定结果是一致的,饱和只是对于低能重粒子会出现这种情况, 对于中高能重离子这种现象就会消失。 根据能量刻度实验的结果,我们对四种带电粒子进行了测试,方法是首先计 算粒子的总能量,确定该粒子所属的能区并计算△E,根据△E一E方法来鉴别带电 粒子的种类。探测结果表明:质子、以粒子的能谱与实验用能量符合很好。从重 离子的能谱中我们可以看到,在半导体探测器中的能量沉积大于50MeV时,将 引起电荷灵敏前置放大器饱和。这种情况仅存在于低能的较小能区范围内,所以 对重粒子而言,在该能区能量偏低。根据实验结果,建议对谱仪的望远镜系统中 金硅面垒探测器由3个减为两个,这两个硅半导体探测器主要是用来作为鉴别粒 子用,而Csl晶体主要是作为沉积能量用,通过调整探测器的厚度减少沉积能量, 使放大电路不产生饱和现象,或通过降低粒子分辨能力来克服饱和现象。对于中 高能重粒子则不存在这种情况。实际_}二低能重离子的饱和不影响在空间的使用, 低能的重离子很难引起单粒子效应,如单粒子翻转(SEU)、单粒子锁定(SEL)、 单粒子焚毁(SEB)。而主要是高能粒子引发单粒子效应。


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