一種基于微通道板的大面陣探測器系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于微通道板的大面陣探測器，通過對微通道板的設(shè)計，實現(xiàn)了探測器面積的增加，從而縮短脈沖星輪廓的恢復(fù)時間，同時提高探測器的靈敏度。微通道板組件、閃爍體探測器、采集與控制模塊和高壓模塊設(shè)于機殼內(nèi)部，機殼四個側(cè)壁安裝鉭片，機殼提供密封門及其開啟機構(gòu)；微通道板組件由自上而下依次設(shè)置的輸入窗、準直器、第一高壓電極、第二高壓電極、光電陰極、MCP組、第三高壓電極電荷收集陽極和高壓地組成；閃爍體探測器設(shè)于電荷收集陽極下方；采集與控制模塊對所接收的電信號進行反符合判定，對于通過反符合判定的信號，將光子到達時間送給衛(wèi)星平臺處理；高壓模塊用于為微通道板組件和閃爍體探測器提供高壓電源。
【專利說明】—種基于微通道板的大面陣探測器系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于衛(wèi)星空間自主導(dǎo)航【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于微通道板(MCP)的大面陣探測器系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]X射線脈沖星導(dǎo)航是以脈沖星輻射的X射線信號作為外部信息基準，經(jīng)過相應(yīng)的信號和數(shù)據(jù)處理，進行高精度軌道確定、時間同步和姿態(tài)測量，自主生成導(dǎo)航電文和控制指令，維持星座基本構(gòu)形。該技術(shù)能夠為近地軌道、深空探測和星際飛行的各類航天器提供位置、速度、時間和姿態(tài)等導(dǎo)航信息，具有極其重要的工程應(yīng)用價值和戰(zhàn)略意義，已成為國際研究的熱點領(lǐng)域。
[0003]X射線脈沖星探測器是脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)的核心設(shè)備之一。主要任務(wù)是探測脈沖星輻射的X射線光子，提取脈沖輪廓和測量脈沖到達時間Τ0Α，為導(dǎo)航算法提供基本輸入。要實現(xiàn)X射線脈沖星導(dǎo)航，首先需要對脈沖星發(fā)出的周期性X射線進行探測，并對用于導(dǎo)航的脈沖星建立脈沖星數(shù)據(jù)庫。目前，國際還沒有成熟的、可用于導(dǎo)航的脈沖星探測器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種基于微通道板的脈沖星信號采集的大面陣探測器，能夠攜帶在衛(wèi)星平臺上，對脈沖星發(fā)出的周期性X射線進行探測。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0006]一種基于微通道板的大面陣探測器系統(tǒng)，包括:機殼、鉭片、微通道板MCP組件、閃爍體探測器、采集與控制模塊和高壓模塊;MCP組件、閃爍體探測器、采集與控制模塊和高壓模塊設(shè)于機殼內(nèi)部，機殼四個側(cè)壁安裝鉭片，機殼提供密封門及密封門開啟機構(gòu)；
[0007]MCP組件由自上而下依次放置的輸入窗、準直器、第一高壓電極、第二高壓電極、光電陰極、MCP組、第三高壓電極、電荷收集陽極和高壓地組成；輸入窗、準直器和第一高壓電極疊放在一起，第二高壓電極、光電陰極、MCP組和第三高壓電極疊放在一起，電荷收集陽極和高壓地疊放在一起；第一高壓電極與第二高壓電極之間具有間距，第三高壓電極與電荷收集陽極之間具有間距；輸入窗由500?1000納米的聚酰亞胺薄膜在正反面鍍30?100納米的鋁膜形成，準直器采用微孔光學器件，光電陰極采用Csl，MCP組由2片MCP疊放構(gòu)成；電荷收集陽極采用微帶線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，與高壓地之間使用電介質(zhì)隔離；閃爍體探測器設(shè)于電荷收集陽極下方；
[0008]MCP組件和閃爍體探測器分別將采集的光子信號轉(zhuǎn)換成電信號送入采集及控制模塊；
[0009]采集與控制模塊，用于綜合控制，包括:①根據(jù)接收自MCP組件的MCP探測信號和接收自閃爍體探測器的反符合信號進行反符合判定，當反符合信號與MCP探測信號為同一時刻的信號，則認為該時刻的MCP探測信號為高能信號，丟棄；對于通過反符合判定的信號，獲取其光子到達時間并存儲將衛(wèi)星平臺提供的母線電壓進行二次變換，變換出探測器系統(tǒng)內(nèi)部所需的二次電源，同時將母線電壓提供給高壓模塊；③完成高壓模塊的高壓輸出設(shè)置及遙測采集；④完成密封門開啟供電及開啟狀態(tài)遙測接收衛(wèi)星平臺的指令，并將探測器系統(tǒng)內(nèi)部的遙測信息傳輸給衛(wèi)星平臺；
[0010]高壓模塊，用于為MCP組件和閃爍體探測器提供高壓電源；其中，向MCP組件中的第一高壓電極、第二高壓電極和第三高壓電極提供的高壓分別為νω、7/8νω、1/8νω，VQ1=-2400V ;向閃爍體探測器提供的高壓Vq2為1000V。
[0011]較佳地，所述密封門開啟機構(gòu)具有記憶合金驅(qū)動組件和電機驅(qū)動組件，實現(xiàn)記憶合金和電機兩種開啟方式，互為備份，機殼上設(shè)有泄壓閥；探測器系統(tǒng)在地面存儲時，密封門關(guān)閉，機殼內(nèi)部充滿氮氣，壓力在1.2個大氣壓；探測器系統(tǒng)在軌工作時,米用記憶合金驅(qū)動組件或電機驅(qū)動組件將密封門打開，之后進行信號探測。
[0012]較佳地，所述采集與控制模塊包括SRAM型的Xilinx FPGA、反熔絲型的ActelFPGA、模擬量采集電路、高壓輸出設(shè)置電路、MCP探測信號調(diào)理采集電路、反符合探測信號調(diào)理采集電路、LVDS接口、電源變換模塊和指令驅(qū)動切換電路；其中，
[0013]MCP探測信號調(diào)理采集電路，與MCP組件的電荷收集陽極相連，對MCP組件輸出的MCP探測信號進行采集和調(diào)理后發(fā)送給Xilinx FPGA ；
[0014]反符合探測信號調(diào)理采集電路，與閃爍體探測器相連，對閃爍體探測器輸出的反符合信號進行采集和調(diào)理后發(fā)送給Xilinx FPGA ；
[0015]模擬量采集電路，與高壓模塊連接，采集高壓模塊的輸出電壓，發(fā)送給XilinxFPGA ；
[0016]高壓輸出設(shè)置電路，與高壓模塊連接，根據(jù)Xilinx FPGA對高壓模塊的設(shè)定指令，對高壓模塊進行輸出控制；
[0017]LVDS接口作為Xilinx FPGA與外界的接口，Xilinx FPGA通過LVDS接口向外部輸出遙測數(shù)據(jù)，通過LVDS接口接收來自外部的遙控指令；
[0018]電源變換模塊，用于將衛(wèi)星平臺提供的+28V母線電壓進行二次變換，轉(zhuǎn)換出采集與控制模塊內(nèi)部所需的二次電源；
[0019]指令驅(qū)動切換電路，將衛(wèi)星平臺提供的+28V母線電壓轉(zhuǎn)換為密封門的開啟電源，在來自Xilinx FPGA的密封門供電指令的指導(dǎo)下，向密封門供電，且根據(jù)Xilinx FPGA的高壓模塊供電指令，利用+28V母線電壓向高壓模塊供電；
[0020]Xilinx FPGA實現(xiàn)MCP探測信號處理、探測信號反符合判定、高壓模塊高壓輸出設(shè)置和遙測采集、密封門開啟控制和遙測采集、以及與衛(wèi)星平臺的數(shù)據(jù)交互；
[0021]Actel FPGA實現(xiàn)對Xilinx FPGA中寄存器的動態(tài)刷新，該寄存器中存儲了 XilinxFPGA的配置信息。
[0022]較佳地，所述指令驅(qū)動切換電路包括指令驅(qū)動電路和指令切換電路；指令驅(qū)動電路與Xilinx FPGA相連，根據(jù)來自Xilinx FPGA的密封門供電指令和高壓模塊供電指令控制指令切換電路中的繼電器；
[0023]指令切換電路中包含五個繼電器，第一 DC/DC和第二 DC/DC ;衛(wèi)星平臺的母線電壓通過第一繼電器連接第一 DC/DC，第一 DC/DC通過第二繼電器連接記憶合金驅(qū)動組件；+28V母線電壓進一步通過第三繼電器連接第二 DC/DC，第二 DC/DC通過第四繼電器連接電機驅(qū)動組件；母線電壓還通過第五繼電器連接高壓模塊。[0024]較佳地，所述電壓模塊包括第一高壓模塊和第二高壓模塊；
[0025]第一高壓模塊將母線電壓轉(zhuǎn)換成MCP組件中電子加速需要的高壓，其高壓輸出有三個可調(diào)電壓，三個可調(diào)電壓的初始狀態(tài)均為-100V，單步調(diào)節(jié)電壓步進為-100V，最終狀態(tài)分別為 V01、7/8V01、1/8V01，Vol=-2400V ；
[0026]第二高壓模塊將母線電壓轉(zhuǎn)換成閃爍體探測器所需要的高壓，其高壓輸出為可調(diào)電壓，初始狀態(tài)為100V，單步調(diào)節(jié)電壓步進為100V，最終狀態(tài)Vffi為1000V ；
[0027]所述采集與控制模塊給第一高壓模塊和第二高壓模塊時，均從各自的初始狀態(tài)開始，依據(jù)單步調(diào)節(jié)電壓步進進行逐級加電，直到到達各自的最終狀態(tài)。
[0028]有益效果:
[0029]1、首先，本發(fā)明采用微通道板作為探測主要器件，微通道板具有時間分辨率高、光子響應(yīng)速度快、易于大面積集成等優(yōu)點，因此可實現(xiàn)探測器的大面積集成。且采用兩個微通道板疊加以提高電子增益。而且，通過輸入窗材料、尺寸選取，準直器器件選取，光電陰極材料選取微通道板尺寸參數(shù)選取，使得本發(fā)明設(shè)計的微通道板組件能夠在盡可能提高大探測面積的情況下，有效地實現(xiàn)軟X射線探測。通過對微通道板的有效利用及集成，實現(xiàn)了探測面積為400cm2的模塊化、大面積探測器。通過面積的增加，可以縮短脈沖星輪廓的恢復(fù)時間，同時提聞探測器精度。
[0030]第二、設(shè)計了 MCP組件中的三個高壓電極的壓差，其中，高壓電極3和地平面間的壓差控制電子的渡越時間，降低渡越時間彌散，提高探測器的時間分辨率；高壓電極2和高壓電極3之間的壓差可以控制探測器的增益，能夠高信噪比的提高探測器輸出信號的幅度；高壓電極I和高壓電極2間的壓差，可使擊中MCP端面的X射線產(chǎn)生的電子進行MCP通道內(nèi)進行倍增放大，提高探測器的探測效率。
[0031]第三、采用準直器及反符合的方式，有效的降低了空間背景噪聲對探測器探測效率的影響，從而提聞探測器精度。
[0032]第四、通過在側(cè)壁增加鉭片的方式，提高探測器內(nèi)部電子器件的抗輻照能
[0033]第五、一個探測器以8組微通道板模塊為基本組成，完成了探測器模塊化的設(shè)計。
[0034]第六、將電子學及高壓部分集成到探測器內(nèi)部，可以大大減少設(shè)備之間的穿艙電纜，從而減少探測器系統(tǒng)的重量。高壓部分可以通過高壓導(dǎo)線直接連接，不需要高壓連接器，從而提高了高壓的可靠性。
[0035]2、本發(fā)明米用記憶合金和電機兩種開啟方式,互為備份，能夠在一種開啟方式失效的情況下，采用另一種開啟方式失效密封門開啟，從而保證探測器系統(tǒng)的正常工作。
[0036]3、本發(fā)明設(shè)計的采集與控制模塊采用兩個FPGA，Xilinx FPGA用于完成各種探測器動作，Actel FPGA實現(xiàn)對Xilinx FPGA中寄存器的動態(tài)刷新，從而能夠有效應(yīng)對空間粒子翻轉(zhuǎn)，而且，指令驅(qū)動切換電路中繼電器組合設(shè)計可以保證密封門的有效開啟。
[0037]4、本發(fā)明設(shè)計高壓模塊為輸出可調(diào)，從而在控制高壓加電時，采用逐級加電方式，能夠保證高壓模塊安全、正常工作，防止高壓沖擊。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1探測器系統(tǒng)組成示意圖。
[0039]圖2探測器系統(tǒng)原理圖。[0040]圖3微通道板組件組成示意圖。
[0041]圖4為采集與控制模塊的組成示意圖。
[0042]圖5為指令驅(qū)動切換電路的組成示意圖。
[0043]圖6為高壓模塊的組成示意圖。
[0044]圖7 (a)和圖7 (b)為機殼正反兩個方向的立體視圖。
[0045]圖8為門舌的結(jié)構(gòu)圖。
[0046]圖9為壓緊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。
[0047]圖10為記憶合金驅(qū)動組件的結(jié)構(gòu)圖。
[0048]圖11 (a)和圖11 (b)為電機驅(qū)動組件的結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0049]下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。
[0050]參見圖1和圖2，該探測器包括機殼、鉭片、微通道板組件、閃爍體探測器、采集與控制模塊和高壓模塊。微通道板(MCP)組件、閃爍體探測器、采集與控制模塊和高壓模塊設(shè)于機殼內(nèi)部，機殼四個側(cè)壁安裝鉭片，機殼提供密封門及密封門開啟機構(gòu)。
[0051]下面對每一部分進行詳細描述。
[0052]1、MCP 組件
[0053]如圖3所示，MCP組件由自上而下依次設(shè)置的輸入窗、準直器、高壓電極1、高壓電極2、光電陰極、微通道板組、高壓電極3、電荷收集陽極和高壓地組成。輸入窗、準直器和高壓電極I疊放在一起，高壓電極2、光電陰極、微通道板組和高壓電極3疊放在一起，電荷收集陽極和高壓地疊放在一起；高壓電極I與高壓電極2之間具有間距，高壓電極3與電荷收集陽極之間具有間距。
[0054]一個探測器可以配備多路MCP組件，本實施例中假設(shè)一個探測器具有8路MCP組件，8組MCP組件陣列排布，從而實現(xiàn)了模塊化設(shè)計，多個探測器可以同時使用，從而實現(xiàn)更大面積的探測。
[0055]?輸入窗。500?1000納米的聚酰亞胺薄膜在正反面鍍30?100納米的鋁膜形成微通道板組件的輸入窗。其功能是屏蔽紫外、可見光以及空間帶電粒子，同時使I?IOkeV軟X射線能有效透過。金屬鋁(Al)膜可以有效的阻擋可見光及空間帶電粒子，但是為確保軟X射線波段的透過率，Al膜的厚度只有幾十納米，需要為其提供結(jié)構(gòu)支撐。聚酰亞胺薄膜材料具有抗腐蝕、抗疲勞、耐高溫、耐沖擊、密度小、噪音低、使用壽命長等特點，適合作為金屬濾光膜的結(jié)構(gòu)支撐，同時聚酰亞胺薄膜材料還可以有效屏蔽紫外線。
[0056]?準直器(ΜΡ0)。為減少空間X射線背景輻射的影響，需要在MCP組件中加裝X射線準直器進行空間濾波，使MCP組件的探測視場角為2。X 2°，使MCP組件只接收來自特定方向的X射線光子。傳統(tǒng)的X射線準直器采用鉛、鉭、鎢等材料制成，體積大、重量沉，不適合于小型化探測器設(shè)計要求。而微孔光學器件(MPO, Micro pore optics),在實現(xiàn)對軟X射線的聚焦和準直的同時，重量和體積會大幅度削減，可以替代傳統(tǒng)的X射線準直器。本發(fā)明采用的MPO尺寸100mmX50mmX 1.2mm,每個微孔的孔徑比為60:1，該孔徑比的選擇可以確保探測器的視場角為2° X2°，同時可屏蔽脈沖星視線方向以外的空間X射線背景光子，提高探測信噪比及探測器的探測靈敏度。[0057]?光電陰極。X射線脈沖星的輻射能流強度非常低，為保證X射線探測器具有足夠高的靈敏度，光電陰極必須具有非常高的量子效率。高量子效率的光電陰極可以提高探測效率，縮短探測積分時間。在I?IOkeV的軟X射線波段，CsI是最合適的光電陰極材料，一是量子效率高；二是穩(wěn)定性好，短時間暴露空氣對量子效率的影響小。本發(fā)明鍍的CsI厚度為2000?3000nm，使探測器對脈沖星輻射的I?IOkeV軟X射線光子的計數(shù)探測效率最優(yōu)。
[0058]?微通道板組由2片微通道板(MCP)疊加組成，光電陰極貼于微通道板組的一側(cè)，另一邊接觸空氣。MCP是一種大面陣的微通道電子倍增器，具有很高的時間、空間分辨率。當帶電粒子或高能光子撞擊MCP的輸入端通道內(nèi)壁時就會產(chǎn)生次級電子；次級電子在高壓電場的作用下沿著微通道加速前進，通過與通道內(nèi)壁的多次反復(fù)碰撞實現(xiàn)電子雪崩，最后在MCP的輸出端輸出大量的電子。一塊MCP的電子增益為IO4左右，而兩塊MCP的電子增益約為IO6?107。本發(fā)明采用的MCP尺寸為IOOmmX 50mmX 1.2mm，孔徑為21微米，斜切角為6。。
[0059]?電荷收集陽極。采用微帶線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電荷收集陽極。微帶線是一種帶狀導(dǎo)線，與高壓地之間使用電介質(zhì)隔離，其另一面直接接觸空氣，高壓地作為參考面。微帶線的導(dǎo)線厚度、寬度和導(dǎo)線與地之間的距離以及電介質(zhì)的介電常數(shù)決定了微帶線的特性阻抗。本發(fā)明的電荷收集陽極板尺寸為100mmX50mmX Imm,電介質(zhì)采用聚四氟乙烯,厚度為Imm,導(dǎo)帶材料為銅，厚度為35um，寬度為lOOmil，導(dǎo)帶間距為1.4mm，阻抗為50歐姆。
[0060]?高壓電極。如圖3所示，MCP組件中共設(shè)計有3個高壓電極，為電子的運動提供高壓電場，3個高壓電極均連接高壓模塊。其中:
[0061]高壓電極I?3的所需高壓值的絕對值逐級降低，設(shè)高壓電極I所需高壓值Vra=-2400V，則高壓電極2、3所需高壓分別為7/8VQ1=-2100V、l/8VQ1=-300V。那么:
[0062]高壓電極I與高壓電極2之間的壓差為300V，將輸入至MCP端面，但未進入MCP通道的X射線光子產(chǎn)生的光電子重新壓入MCP通道內(nèi)，可使MCP的探測效率提高10?20% ；
[0063]高壓電極2與高壓電極3之間的電壓為1800V，提供兩片級聯(lián)MCP的工作電壓，控制MCP對電子的增益大小、渡越時間及渡越時間彌散；
[0064]高壓電極3與高壓地的之間的電壓為300V，提供MCP輸出電子云團向收集陽極渡越的加速電壓，此電壓控制電子在該空間的渡越時間及渡越時間彌散；
[0065]4、閃爍體探測器
[0066]閃爍體探測器用于高能粒子探測，其置于MCP組件下方，或者如圖1所示，從下方和四周包圍MCP組件。本發(fā)明結(jié)合MCP探測信號和高能粒子探測結(jié)果實現(xiàn)反符合判定。閃爍體探測器主要由閃爍體、光導(dǎo)和光電倍增管組成。高能粒子進入閃爍體時由于光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對生效應(yīng)產(chǎn)生次級電子使閃爍體原子或分子激發(fā)，發(fā)射出光子。利用光導(dǎo)將閃爍體發(fā)射的大部分光子收集到光電倍增管的光陰極上，光子被陰極吸收后由于光電效應(yīng)發(fā)生出光電子，電子在光電倍增管中倍增，最后電子束在陽極負載上產(chǎn)生電壓脈沖。
[0067]本發(fā)明使用塑料閃爍體，它是在基質(zhì)中加入發(fā)光物質(zhì)高溫聚合而成的一種閃爍體，在照射條件下能發(fā)出熒光，可用于α、β、Y、快中子、質(zhì)子、宇宙射線及裂變碎片等的強度探測。塑料閃爍體具有制作簡單、價格低廉、易于加工成形；性能穩(wěn)定，機械強度高，耐振動、耐沖擊等優(yōu)勢。但需要避光保存以保持發(fā)光率穩(wěn)定，不能在高溫條件下使用，性能穩(wěn)定工作溫度范圍為_25°C?50°C。光導(dǎo)將閃爍體發(fā)出的光有效的傳遞給光電倍增管的光電陰極，聚苯乙烯光導(dǎo)透明度好，且它的折射率與塑料閃爍體一致，可以使光在傳輸過程中損失最小。
[0068]5、采集與控制模塊
[0069]采集與控制模塊完成如下主要功能:
[0070]①對MCP組件的探測信號和閃爍體探測器的反符合探測信號進行采集和調(diào)理，調(diào)理包括比較、放大等；當反符合信號與MCP探測信號為同一時刻的信號，則認為該時刻的MCP探測信號為高能信號，并不是所需要的軟X射線信號，將此信號丟掉不存儲下傳，從而實現(xiàn)抑制空間高能粒子噪聲的目的；對于通過反符合判定的信號，獲取其光子到達時間并存儲；
[0071]②將衛(wèi)星平臺提供的一次+28V母線電壓進行二次變換，轉(zhuǎn)換出探測器內(nèi)部所需的二次電源，包括+5V和+3.3V，同時將一次+28V母線電壓經(jīng)過繼電器開關(guān)的控制后作為二次+28V母線電壓提供給高壓模塊。
[0072]③完成高壓模塊的高壓輸出設(shè)置及遙測采集。其中，對高壓輸出設(shè)置包括高壓模塊輸出最終電壓值的設(shè)置，從初始值到達最終值的步進控制，還有高壓模塊主備份的切換。
[0073]④完成密封門開啟供電及開啟狀態(tài)遙測；
[0074]⑤接收衛(wèi)星平臺的指令，并將探測器內(nèi)部的遙測信息通過LVDS接口傳輸給衛(wèi)星
T D O
[0075]實際中，采集與控制模塊使用2片F(xiàn)PGA配合周邊電路實現(xiàn)，如圖4所示，該采集與控制模塊包括SRAM型的Xilinx FPGA、反熔絲型的Actel FPGA、模擬量采集電路、高壓輸出設(shè)置電路、MCP探測信號調(diào)理采集電路、反符合探測信號調(diào)理采集電路、LVDS接口、電源變換模塊和指令驅(qū)動切換電路；其中，
[0076]MCP探測信號調(diào)理采集電路，與MCP組件的電荷收集陽極相連，對MCP組件輸出的MCP探測信號進行采集和調(diào)理后發(fā)送給Xilinx FPGA。
[0077]反符合探測信號調(diào)理采集電路，與閃爍體探測器中的光電倍增管相連，對閃爍體探測器輸出的反符合信號進行采集和調(diào)理后發(fā)送給Xilinx FPGA。
[0078]模擬量采集電路，與高壓模塊連接，采集高壓模塊的輸出狀態(tài)，發(fā)送給XilinxFPGA。Xilinx FPGA可以根據(jù)該輸出狀態(tài)判定高壓模塊是否輸出正常、穩(wěn)定。
[0079]高壓輸出設(shè)置電路，與高壓模塊連接，根據(jù)Xilinx FPGA對高壓模塊的設(shè)定指令，對高壓模塊進行輸出控制。
[0080]LVDS接口作為Xilinx FPGA與外界的接口，Xilinx FPGA通過LVDS接口向外部輸出遙測數(shù)據(jù)，通過LVDS接口接收來自外部的遙控指令。
[0081]電源變換模塊，用于將衛(wèi)星平臺提供的一次+28V母線電壓進行二次變換，轉(zhuǎn)換出采集與控制模塊內(nèi)部所需的二次電源，例如5V，3.3V提供給采集與控制模塊的內(nèi)部電路使用。
[0082]指令驅(qū)動切換電路，將衛(wèi)星平臺提供的一次+28V母線電壓轉(zhuǎn)換為密封門的開啟電源，在來自Xilinx FPGA的密封門供電指令的指導(dǎo)下，向密封門供電，且根據(jù)Xilinx FPGA的高壓模塊供電指令，將一次+28V母線電壓轉(zhuǎn)為二次+28V母線電壓向高壓模塊供電。其中，對高壓模塊和密封門的控制均是通過繼電器實現(xiàn)的。[0083]圖5為指令驅(qū)動切換電路的電路圖。如圖所示，其包括指令驅(qū)動電路和指令切換電路。指令驅(qū)動電路與Xilinx FPGA相連，根據(jù)來自Xilinx FPGA的密封門供電指令和高壓模塊供電指令控制指令切換電路中的繼電器。
[0084]指令切換電路中包含繼電器I?5、兩個DC/DC1、DC/DC2。衛(wèi)星平臺的一次+28V母線電壓通過繼電器I連接DC/DC1，DC/DC1通過繼電器2連接記憶合金驅(qū)動組件。一次+28V母線電壓進一步通過繼電器3連接DC/DC2，DC/DC2通過繼電器4連接電機驅(qū)動組件。一次+28V母線電壓還通過繼電器5轉(zhuǎn)換為二次+28V母線電壓繼而連接高壓模塊。
[0085]采集與控制模塊開啟密封門的流程如下:
[0086]步驟1、首先采用記憶合金開啟方式，采集與控制模塊通過向指令驅(qū)動電路發(fā)送密封門供電指令，從而將繼電器I閉合，通過遙測判斷母線電壓是否正常，為記憶合金驅(qū)動機構(gòu)提供電源的DC/DC1是否輸出+3.3V ;遙測正常，進入步驟2 ;如果遙測異常，進入步驟3，采用電機開啟方式，并將繼電器I斷開。
[0087]步驟2、將繼電器2閉合，從而給記憶合金驅(qū)動組件供電，通過遙測判斷密封門是否開啟；如果遙測正常，判定密封門開啟成功；如果遙測異常，進入步驟3，并將繼電器2斷開；其中，對密封門的狀態(tài)遙測是通過與密封門中的傳感器相連實現(xiàn)的。
[0088]步驟3、將繼電器3閉合，通過遙測判斷母線電壓是否正常，為電機驅(qū)動組件提供電源的DC/DC2是否輸出+3.3V ;如果遙測正常，進入步驟4 ;如果遙測異常，判定密封門開啟失敗，探測器將無法工作。
[0089]步驟4、將繼電器4閉合，給電機驅(qū)動組件供電，通過遙測判斷密封門是否開啟；如果遙測正常，判定密封門開啟成功；如果遙測異常，判定密封門開啟失敗，探測器將無法工作。
[0090]采集與控制模塊控制高壓模塊時:采集與控制模塊通過向指令驅(qū)動電路發(fā)送高壓模塊供電指令從而將繼電器5閉合，以實現(xiàn)高壓模塊的加電；通過高壓輸出設(shè)置電路設(shè)定高壓模塊的輸出電壓Vra和Vtj2，通過模擬量采集電路獲得高壓模塊的輸出狀態(tài)。
[0091]Xilinx FPGA實現(xiàn)MCP探測信號處理、探測信號反符合判定、高壓模塊高壓輸出設(shè)置和遙測采集、密封門開啟控制和遙測采集、以及與衛(wèi)星平臺的數(shù)據(jù)交互。
[0092]反熔絲型的Actel FPGA實現(xiàn)對Xilinx FPGA中寄存器的動態(tài)刷新，該寄存器中存儲了 Xilinx FPGA的配置信息，從而應(yīng)對空間粒子翻轉(zhuǎn)。
[0093]6、高壓模塊
[0094]高壓模塊分為2種，S卩“高壓模塊I ”和“高壓模塊2 ”，“高壓模塊I ”將二次+28V母線電壓轉(zhuǎn)換成MCP組件中電子加速需要的高壓；“高壓模塊2”將二次+28V母線電壓轉(zhuǎn)換成閃爍體探測器所需要的高壓。
[0095]“高壓模塊I ”的高壓輸出有VQ1、7/8VQ1、1/8VQ1三個輸出高壓，分別施加給MCP組件中的三個高壓電極。這個三個輸出高壓均為可調(diào)電壓，其初始狀態(tài)均為-100V，單步調(diào)節(jié)電壓步進為-100V，最終狀態(tài)Vqi為-2400V，這樣可以實現(xiàn)逐步啟動。
[0096]“高壓模塊2”的高壓輸出No為可調(diào)電壓，初始狀態(tài)為100V，單步調(diào)節(jié)電壓步進為100V，最終狀態(tài)Vq2為1000V。
[0097]給高壓模塊加電時，高壓模塊I和高壓模塊2均從初始狀態(tài)開始，依據(jù)單步調(diào)節(jié)電壓步進進行逐級加電，直到到達最終狀態(tài)。[0098]“高壓模塊I”和“高壓模塊2”的結(jié)構(gòu)形式相同，如圖6所示，“高壓模塊I”和“高壓模塊2”均包括主份和備份，形成雙機冷備份，每路高壓模塊前均一對一設(shè)有熔斷器，二次+28V母線電壓分別通過一個熔斷器接入高壓模塊I的主份和備份以及高壓模塊2的主份和備份，從而實現(xiàn)對高壓模塊的限流保護，當發(fā)生過流或短路故障時熔斷器熔斷，保證任何一路高壓輸出模塊的故障都不會危及+28V母線。本實施例中，一個探測器具有8路MCP組件和I路閃爍體探測器，一個“高壓模塊I”的輸出可以同時為4路MCP組件供電，每路高壓輸出均為雙機冷備份，因此單個探測器需要4個“高壓模塊1”，最多有2個同時工作?！案邏耗K2”高壓輸出為I路閃爍體探測器供電，每路高壓輸出均為雙機冷備份，因此需要2個高壓“高壓模塊2”，最多有I個同時工作。
[0099]7、機殼
[0100]機殼是探測器的主體支撐部分，機殼內(nèi)部的四個側(cè)壁均安裝有鉭片，用來減少空間輻照對設(shè)備內(nèi)部各器件的影響。機殼上設(shè)有密封門及其密封門開啟機構(gòu)。密封門開啟機構(gòu)具有記憶合金和電機兩種開啟方式，互為備份。探測器在地面存儲時，密封門關(guān)閉，內(nèi)部充氮氣，壓力在1.2個大氣壓左右，確保內(nèi)部MCP組件不接觸空氣。探測器在軌工作時，采用記憶合金驅(qū)動組件或電機驅(qū)動組件將密封門打開，之后進行信號探測。探測器在完成密封門開啟后，開啟機構(gòu)將不再使用。
[0101]圖7(a)和圖7(b)分別為機殼及其密封門開啟機構(gòu)前后兩個方向的立體視圖。如圖所示，包括主體1、密封門2、壓緊機構(gòu)3、記憶合金驅(qū)動組件4、電機驅(qū)動組件5、充氣閥6、泄壓閥7。
[0102]其中，主體I為一面開口的立方盒體,MCP組件和閃爍體探測器上下疊放置于主體I中空腔體的上層，采集與控制模塊和高壓模塊置于主體I中空腔體的下層。
[0103]密封門2置于MCP組件上方，密封門2的一側(cè)通過門軸與主體I連接，門軸上設(shè)有扭簧，密封門2通過扭簧扭轉(zhuǎn)開啟。密封門2在主體I門軸對側(cè)螺釘安裝有門舌19，所述門舌19為帶有凸起的立方體，像突出的舌頭一樣，如圖8所示。密封門2與主體I的相對面上鑲有密封圈，密封門2通過門舌19被壓緊機構(gòu)3緊壓在主體I上，實現(xiàn)對主體I中空腔的密封。
[0104]壓緊機構(gòu)3包括壓緊機構(gòu)主體支撐18、壓桿21和滑塊22，如圖9所示，其中，壓緊機構(gòu)主體支撐18固定在主體I上，壓緊機構(gòu)主體支撐18上設(shè)有轉(zhuǎn)軸，壓桿21 —端固定于壓緊機構(gòu)主體支撐18的轉(zhuǎn)軸上，另一端嵌入滑塊22下部，壓桿21以轉(zhuǎn)軸為支點作為杠桿壓緊門舌19，當滑塊滑動時釋放壓桿，實現(xiàn)解鎖。在轉(zhuǎn)軸上設(shè)有扭簧20，壓桿通過扭簧彈起并限制在一定的角度，不被彈出。
[0105]壓緊機構(gòu)3的一側(cè)安裝記憶合金驅(qū)動組件4，如圖10所示，記憶合金驅(qū)動組件4包括記憶合金驅(qū)動組件外殼23、記憶合金簧25、拉桿24和電極26，其中，記憶合金驅(qū)動組件外殼23固定在主體I上，且內(nèi)部具有導(dǎo)向槽26，拉桿24置于導(dǎo)向槽26中，拉桿24與壓緊機構(gòu)3的滑塊22相連，記憶合金簧25為并緊的拉簧形式，記憶合金簧25通過連接件連接拉桿24,連接件用于將記憶合金簧25的表形轉(zhuǎn)化為拉桿24的移動,記憶合金簧25的兩端連接電極26，電極26連接采集與控制模塊中的指令切換電路的繼電器2。記憶合金簧25的變形帶動拉桿24在導(dǎo)向槽26中滑動。基本原理為:通過電加熱使得記憶合金簧形狀恢復(fù)產(chǎn)生向后拉的拉力，進而通過拉桿24帶動壓緊機構(gòu)3的滑塊22滑動，對壓緊機構(gòu)進行解鎖。
[0106]在壓緊機構(gòu)3的另一側(cè)安放電機驅(qū)動組件5，如圖11所示，電機驅(qū)動組件5包括電機27、電機驅(qū)動組件支撐主體28、傳動連接29、驅(qū)動彈簧31、推桿30和擋塊32。其中，電機驅(qū)動組件支撐主體28安裝在主體I上，電機27和傳動連接29安裝在主體I中，電機27通過傳動連接29控制擋塊32動作，擋塊32為一面開口的圓筒，推桿30 —端穿過擋塊32的開口與壓緊機構(gòu)3的滑塊22相連，另一端將驅(qū)動彈簧31壓在電機驅(qū)動組件支撐主體28內(nèi)部，推桿30與驅(qū)動彈簧31和壓緊機構(gòu)3的滑塊22相連?；驹頌?傳動連接29在電機27轉(zhuǎn)動帶動下轉(zhuǎn)動擋塊32，進而釋放驅(qū)動彈簧31，驅(qū)動彈簧31帶動推桿30向前推，進而帶動壓緊機構(gòu)3的滑塊22活動，從而對壓緊機構(gòu)3進行解鎖。
[0107]記憶合金驅(qū)動組件4采用“拉”的方式，而電機驅(qū)動組件5采用“推”的方式，兩者可獨立工作，互不影響，一種驅(qū)動方式失效時，可以啟動另一種驅(qū)動方式；兩種驅(qū)動方式也可同時啟動，提供的驅(qū)動力為兩者之和，用以應(yīng)對機構(gòu)解鎖受阻的故障模式，提高機構(gòu)解鎖的可靠性。
[0108]主體I上設(shè)有充氣閥6和泄壓閥7，充氣閥6和泄壓閥7與主體I空腔連通。泄壓閥7主要是在衛(wèi)星發(fā)射階段及在軌期間，通過外部大氣壓的降低，將探測器內(nèi)部的氮氣排除，保證在軌時，探測器內(nèi)部的氣壓與外部的氣壓平衡。充氣閥6用于氮氣的充入。
[0109]本發(fā)明的探測器系統(tǒng)開始采集后，其工作模式有三種，分別是:正常采集模式、進入SAA區(qū)模式和休眠模式。
[0110]在正常采集模式下，高壓模塊按照VQ1=-2400V、Vq2=IOOOV輸出高壓，采集與控制模塊采集探測信號并進行反符合判定和信號存儲。
[0111]當衛(wèi)星進入南大西洋輻射異常(SAA)區(qū)后，切換到進入SAA區(qū)模式，在此模式下，采集與控制模塊暫停采集，并控制高壓模塊I輸出的Vm幅值下降到-1000V。衛(wèi)星離開SAA區(qū)后，采集與控制模塊控制高壓模塊I輸出的Vw幅值恢復(fù)到-2400V，并恢復(fù)到正常采集模式。
[0112]在正常采集模式下，采集與控制模塊每完成一個周期的數(shù)據(jù)采集后，進入休眠模式；在該休眠模式下，采集與控制模塊控制高壓模塊斷電，衛(wèi)星平臺母線僅為探測器采集與控制模塊供電，此時，只下傳遙測數(shù)據(jù)和科學數(shù)據(jù)。其中，科學數(shù)據(jù)是指X射線光子信號，遙測數(shù)據(jù)是指反映探測器內(nèi)部各功能是否正常的健康數(shù)據(jù)。在休眠模式下，不再響應(yīng)進入SAA區(qū)模式。
[0113]本發(fā)明設(shè)計了進入SAA區(qū)模式，原因是:SAA區(qū)是南大西洋輻射較大的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)干擾較大，因此在通過該區(qū)域的時間內(nèi)，探測器切換到進入SAA區(qū)模式，從而將高壓模塊輸出電壓降下來，但并不降到休眠電壓，因為高壓的升高和降低時逐級變化的，通過SAA區(qū)域的時間很短，如果直接降到休眠電壓將會加長高壓恢復(fù)時間，從而導(dǎo)致盲區(qū)的出現(xiàn)。而在SAA區(qū)將高壓降低，但不切斷，這樣可以在脫離SAA區(qū)后以最快的速度恢復(fù)高壓。
[0114]綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于微通道板的大面陣探測器系統(tǒng)，其特征在于，包括:機殼、鉭片、微通道板MCP組件、閃爍體探測器、采集與控制模塊和高壓模塊;MCP組件、閃爍體探測器、采集與控制模塊和高壓模塊設(shè)于機殼內(nèi)部，機殼四個側(cè)壁安裝鉭片，機殼提供密封門及密封門開啟機構(gòu)； MCP組件由自上而下依次放置的輸入窗、準直器、第一高壓電極、第二高壓電極、光電陰極、MCP組、第三高壓電極、電荷收集陽極和高壓地組成；輸入窗、準直器和第一高壓電極疊放在一起，第二高壓電極、光電陰極、MCP組和第三高壓電極疊放在一起，電荷收集陽極和高壓地疊放在一起；第一高壓電極與第二高壓電極之間具有間距，第三高壓電極與電荷收集陽極之間具有間距；輸入窗由500~1000納米的聚酰亞胺薄膜在正反面鍍30~100納米的鋁膜形成，準直器采用微孔光學器件，光電陰極采用Csl，MCP組由2片MCP疊放構(gòu)成；電荷收集陽極采用微帶線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，與高壓地之間使用電介質(zhì)隔離；閃爍體探測器設(shè)于電荷收集陽極下方； MCP組件和閃爍體探測器分別將采集的光子信號轉(zhuǎn)換成電信號送入采集及控制模塊； 采集與控制模塊，用于綜合控制，包括:①根據(jù)接收自MCP組件的MCP探測信號和接收自閃爍體探測器的反符合信號進行反符合判定，當反符合信號與MCP探測信號為同一時刻的信號，則認為該時刻的MCP探測信號為高能信號，丟棄；對于通過反符合判定的信號，獲取其光子到達時間并存儲將衛(wèi)星平臺提供的母線電壓進行二次變換，變換出探測器系統(tǒng)內(nèi)部所需的二次電源，同時將母線電壓提供給高壓模塊完成高壓模塊的高壓輸出設(shè)置及遙測采集；④完成密封門開啟供電及開啟狀態(tài)遙測接收衛(wèi)星平臺的指令，并將探測器系統(tǒng)內(nèi)部的遙測信息傳輸給衛(wèi)星平臺； 高壓模塊，用于為MCP組件和閃爍體探測器提供高壓電源；其中，向MCP組件中的第一高壓電極、第二高壓電極和第三高壓電極提供的高壓分別為VQ1、7/8VQ1、1/8VQ1，Vol=-2400V ；向閃爍體探測器提供的高壓Vq2為1000V。
2.如權(quán)利要求1所述的探測器系統(tǒng)，其特征在于，所述密封門開啟機構(gòu)具有記憶合金驅(qū)動組件和電機驅(qū)動組件，實現(xiàn)記憶合金和電機兩種開啟方式，互為備份，機殼上設(shè)有泄壓閥；探測器系統(tǒng)在地面存儲時，密封門關(guān)閉，機殼內(nèi)部充滿氮氣，壓力在1.2個大氣壓；探測器系統(tǒng)在軌工作時，采用記憶合金驅(qū)動組件或電機驅(qū)動組件將密封門打開，之后進行信號探測。
3.如權(quán)利要求1所述的探測器系統(tǒng)，其特征在于，所述采集與控制模塊包括SRAM型的Xilinx FPGA、反熔絲型的Actel FPGA、模擬量采集電路、高壓輸出設(shè)置電路、MCP探測信號調(diào)理采集電路、反符合探測信號調(diào)理采集電路、LVDS接口、電源變換模塊和指令驅(qū)動切換電路;其中， MCP探測信號調(diào)理采集電路，與MCP組件的電荷收集陽極相連，對MCP組件輸出的MCP探測信號進行采集和調(diào)理后發(fā)送給Xilinx FPGA ； 反符合探測信號調(diào)理采集電路，與閃爍體探測器相連，對閃爍體探測器輸出的反符合信號進行采集和調(diào)理后發(fā)送給Xilinx FPGA ； 模擬量采集電路，與高壓模塊連接，采集高壓模塊的輸出電壓，發(fā)送給XilinxFPGA ; 高壓輸出設(shè)置電路，與高壓模塊連接，根據(jù)Xilinx FPGA對高壓模塊的設(shè)定指令，對高壓模塊進行輸出控制；LVDS接口作為Xilinx FPGA與外界的接口，Xilinx FPGA通過LVDS接口向外部輸出遙測數(shù)據(jù)，通過LVDS接口接收來自外部的遙控指令； 電源變換模塊，用于將衛(wèi)星平臺提供的+28V母線電壓進行二次變換，轉(zhuǎn)換出采集與控制模塊內(nèi)部所需的二次電源； 指令驅(qū)動切換電路，將衛(wèi)星平臺提供的+28V母線電壓轉(zhuǎn)換為密封門的開啟電源，在來自Xilinx FPGA的密封門供電指令的指導(dǎo)下，向密封門供電，且根據(jù)Xilinx FPGA的高壓模塊供電指令，利用+28V母線電壓向高壓模塊供電； Xilinx FPGA實現(xiàn)MCP探測信號處理、探測信號反符合判定、高壓模塊高壓輸出設(shè)置和遙測采集、密封門開啟控制和遙測采集、以及與衛(wèi)星平臺的數(shù)據(jù)交互； Actel FPGA實現(xiàn)對Xilinx FPGA中寄存器的動態(tài)刷新，該寄存器中存儲了 Xilinx FPGA的配置信息。
4.如權(quán)利要求3所述的探測器系統(tǒng)，其特征在于，所述指令驅(qū)動切換電路包括指令驅(qū)動電路和指令切換電路；指令驅(qū)動電路與Xilinx FPGA相連，根據(jù)來自Xilinx FPGA的密封門供電指令和高壓模塊供電指令控制指令切換電路中的繼電器； 指令切換電路中包含五個繼電器，第一 DC/DC和第二 DC/DC ;衛(wèi)星平臺的母線電壓通過第一繼電器連接第一 DC/DC，第一 DC/DC通過第二繼電器連接記憶合金驅(qū)動組件；+28V母線電壓進一步通過第三繼電器連接第二 DC/DC，第二 DC/DC通過第四繼電器連接電機驅(qū)動組件；母線電壓還通過第五繼電器連接高壓模塊。
5.如權(quán) 利要求1所述的探測器系統(tǒng)，其特征在于，所述電壓模塊包括第一高壓模塊和第二高壓模塊； 第一高壓模塊將母線電壓轉(zhuǎn)換成MCP組件中電子加速需要的高壓，其高壓輸出有三個可調(diào)電壓，三個可調(diào)電壓的初始狀態(tài)均為-100V，單步調(diào)節(jié)電壓步進為-100V，最終狀態(tài)分別為 V01、7/8V01、1/8V01，Vol=-2400V ； 第二高壓模塊將母線電壓轉(zhuǎn)換成閃爍體探測器所需要的高壓，其高壓輸出為可調(diào)電壓，初始狀態(tài)為100V，單步調(diào)節(jié)電壓步進為100V，最終狀態(tài)Vffi為1000V ； 所述采集與控制模塊給第一高壓模塊和第二高壓模塊時，均從各自的初始狀態(tài)開始，依據(jù)單步調(diào)節(jié)電壓步進進行逐級加電，直到到達各自的最終狀態(tài)。
6.如權(quán)利要求5所述的探測器系統(tǒng)，其特征在于，第一高壓模塊和第二高壓模塊均包括主份和備份，形成雙機冷備份，每路高壓模塊前均一對一設(shè)有熔斷器，母線電壓通過熔斷器接入高壓模塊。
7.如權(quán)利要求1至6任意一項所述的探測器系統(tǒng)，其特征在于，當衛(wèi)星平臺進入南大西洋輻射異常區(qū)時，采集與控制模塊控制所述下降到-1000V ;當衛(wèi)星平臺脫離南大西洋輻射異常區(qū)時，采集與控制模塊控制所述Vm回復(fù)到-2400V。
8.如權(quán)利要求1所述的探測器系統(tǒng)，其特征在于，所述微孔光學器件的尺寸為10OmmX50mmX 1.2mm,每個微孔的孔徑比為 60:I ；一塊 MCP 尺寸為 10OmmX50mmX 1.2mm,孔徑為21微米，斜切角為6° ； 電荷收集陽極板尺寸為IOOmmX 50mmX Imm,電介質(zhì)采用聚四氟乙烯,厚度為1mm,微帶線材料為銅，厚度為35 μ m，寬度為lOOmil，帶間距為1.4mm，阻抗為50歐姆； CsI厚度為2000~3000納米。
9.如權(quán)利要求1所述的探測器系統(tǒng)，其特征在于，閃爍體探測器由塑料閃爍體、聚苯乙烯光導(dǎo)和光電倍增管組成。
10.如權(quán)利要求1所述的探測器系統(tǒng)，其特征在于，一個探測器系統(tǒng)集成8組MCP組件，8組MCP組件按陣列排布。`
【文檔編號】G01C21/02GK103630133SQ201310653593
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月5日
【發(fā)明者】邵飛, 胡慧君, 徐延庭, 康旭輝, 連劍, 孫書坤 申請人:中國航天科技集團公司第五研究院第五一三研究所