中性原子成像单元、成像仪、成像方法及空间探测系统与流程

本申请涉及中性原子成像领域，具体涉及一种中性原子成像单元、成像仪、成像方法及空间探测系统。

背景技术：

整体观察和全球成像己成为有希望解决地球空间物理问题的重要的发展途径之一。由于环电流离子与地冕热粒子成分的电荷交换过程中会产生能量中性原子(ena)，而ena不受磁场束缚，可沿直线以最初的能量离子的速度离开源区。因此遥测ena成像也为区分空间等离子体的时间和空间变化提供了新的机会。

但是空间中性原子探测技术发展的道路并不平坦。空间中存在的极强极紫外/紫外辐射(euv/uv)背景是进行可靠的ena测量的最大障碍。空间界在空间中性原子探测技术领域做了不懈的努力。

对空间ena通量直接实地观测的最初尝试是1968年4月25日的火箭搭载试验。第一个ena探测仪器的技术基于ssd的薄膜剥离技术(foil-stripping)，使ena重新成为带正电粒子，然后对新产生的正电粒子进行分析。随后的ena探测技术发展是增加一个衍射过滤器，把极紫外/紫外辐射的背景过滤掉，以提高传感器的ena与euv/uv光子的比率。然而，由于空间极紫外/紫外辐射极强，衍射过滤器把极紫外/紫外辐射衰减10万倍的同时，中性成分的通量也会下降20倍。因此，这个问题依然没有得到很好的解决。

由于现在低能的ena探测器大多都是利用通道倍增器和微通道板加衍射过滤器做成的，而这些ena探测器依然受到紫外辐射的严重影响，几乎没有得到有科学价值的近地空间低能ena探测结果。

技术实现要素：

为了解决现有技术中ena成像的上述问题，本发明提供一种栅格成像单元、中性原子成像仪、成像系统及成像方法。由此使得ena探测器不受极强极紫外/紫外辐射的影响，实现高时空高分辨率的中性原子成像技术。

根据本发明的第一方面，提供中性原子成像单元，包括至少一组探测单元，至少一组探测单元包括：

至少一个半导体探测器线阵列；以及

至少一个调制栅格，设置在至少一个所述半导体探测器线阵列的前方并且与至少一个所述半导体探测器线阵列一一对应设置，所述调制栅格对入射的中性原子进行傅里叶变换；

其中，所述半导体探测器线阵列的方向与所述调制栅格的狭缝方向一致。

可选地，在与所述调制栅格的狭缝方向垂直的方向上，所述调制栅格在10°范围内对所述中性原子的入射方向进行傅里叶变化。

可选地，每个所述半导体探测器线阵列包括多个硅半导体探测器，所述半导体探测器线阵列的大小介于150mm×45mm～180mm×60mm，所述半导体探测器线阵列与所述调制栅格之间的距离介于10mm～15mm。

可选地，所述硅半导体探测器的灵敏区的表面附镀有多晶硅层及附镀在所述多晶硅层上的铝层，所述多晶硅的厚度介于所述铝层的厚度介于

可选地，所述调制栅格包括单层调制多重狭缝栅格，所述多重狭缝栅格包括周期性排列的非均匀栅格，在每个排列周期中，所述栅格之间的狭缝宽度非均匀地渐变；

所述多重狭缝栅格的大小介于120mm×30mm～130mm×50mm，所述狭缝宽度介于0.9mm～7.2mm，空间周期长度包括60mm。

可选地，还包括设置在至少一个所述探测单元的所述调制栅格前方的准直偏转模块，所述准直偏转模块包括准直器和偏转板。

根据本发明的第二方法，提供一种中性原子成像仪，

包括至少一个成像探头，所述至少一个成像探头包括至少一个权利要求1-6中任意一项所述的中性原子成像单元、至少一个前置放大器单元及至少一个主控和接口单元，其中，至少一个所述中性原子成像单元、至少一个所述前置放大器及至少一个所述主控和接口单元之间电性连接；

至少一个所述中性原子成像单元探测中性原子并对所述中性原子进行成像；

至少一个所述前置放大器单元读取至少一个所述中性原子成像单元的成像数据，并对所述成像数据进行放大。

可选地，至少一个所述前置放大器单元包括多个专用集成电路，多个专用集成电路实时读取至少一个所述中性原子成像单元的成像信号，并对所述成像信号进行放大。

可选地，所述前置放大器单元包括至少一个电荷灵敏前置放大器、至少一个多级整形器及至少一个峰值检测器，所述峰值检测器对所述成像信号的峰值进行检测并保持所述峰值，直至所述峰值被读出。

可选地，至少一个所述主控和接口单元为至少一个所述专用集成电路提供操作时序、控制至少一个所述专用集成电路完成所述成像信号的采集及读出、对所述成像信号进行初步融合及处理。

可选地，还包括数据处理单元，用于接收所述前置放大器传输的所述成像信号，并对所述成像信号进行处理、打包及压缩存储。

可选地，至少一个所述成像探头中的所述中性原子成像单元以主控和接口单元作为接口与所述数据处理单元电性连接。

可选地，所述成像探头还包括至少一个壳体，所述壳体包括基部及位于所述基部上方并与所述基部固定连接的扇形部；

所述成像探头中的所述中性原子成像单元的准直偏转模块设置在所述扇形部，所述扇形部的外侧面板构成所述准直偏转模块的准直器，所述准直偏转模块的偏转板设置在所述外侧面板的扇形面板的内侧；

所述中性原子成像单元的至少一个所述调制栅格设置在所述基部的上方，靠近所述壳体的所述扇形部，所述至少一个半导体探测器线阵列设置在所述调制栅格的下方。

可选地，所述前置放大器单元的多个所述专用集成电路及至少一个主控和接口单元相互间隔地设置在所述壳体的下部。

可选地，还包括固定外壳，至少一个所述壳体呈角度地间隔设置在所述固定外壳中，并且至少一个所述壳体中最中间的所述壳体垂直设置在所述固定外壳中。

优选地，至少一个所述壳体之间的角度范围3°-60°。

根据本发明的第三方面，提供一种空间探测系统，包括卫星平台，以及安装于所述卫星平台上的本发明第二方面提供的中性原子成像仪，其中，所述卫星平台包括空间中性原子成像探测微小卫星。

优选地，该空间探测系统还包括微型gps仪，所述微型gps仪搭载在所述卫星平台上。

根据本发明的第四方面，提供一种中性原子成像方法，包括以下步骤：

获取中性原子；

使用调制栅格对所述中性原子进行傅里叶变化；

探测经傅里叶变换的所述中性原子，生成成像信号。

可选地，所述获取中性原子的步骤还包括如下步骤：

偏转带电粒子，探测中性原子。

可选地，所述方法还包括如下步骤：

对所述成像信号进行放大；

对被放大的所述成像信号进行处理、打包及压缩。

可选地，对所述成像信号进行放大的步骤还包括以下步骤：

向至少一个所述前置放大器单元提供操作时序；

按照所述操作时序采集并读取所述成像信号；

对采集并读取的所述成像信号进行初步融合及处理。

可选地，所述按照所述操作时序采集并读取所述成像信号还包括以下步骤：

将所述成像信号进行信号整形并转换成模拟信号；

检测并保持所述模拟信号的峰值，直至所述峰值被读出。

如上所述，本发明的中性原子成像单元、成像仪、成像方法及空间探测系统具有如下技术效果：

1、本发明首次将栅格成像技术应用于中性原子探测及成像领域，具有开创性的意义。采用栅格成像技术对中性原子进行成像，大大提高了中性原子的成像效率，缩短了成像所需的时间，提高了中性原子成像探测的计数率。

2、本发明对中性原子进行成像所采用的硅半导体探测器，其阈值从传统的30kev左右降低为2kev，可以覆盖形成产生地磁暴的绝大部分环电流粒子的能量范围。

3、本发明所述的中性原子成像仪可以包括近千个半导体探测器，探测面积可达100平方厘米，几何因子可达6.6cm²sr，具有很好的空间分辨率、时间分辨率及能量分辨率。

4、本发明的中性原子成像方法，不会受到空间极紫外/紫外辐射的影响，能够保证足够通量的中性原子参与成像，获得更好的成像效果。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1显示为本发明实施例一提供中性原子成像单元中一组探测单元中的半导体探测器线阵列和调制栅格的示意图。

图2显示为本发明实施例一提供的中性原子成像单元的调制栅格的结构示意图。

图3显示为本发明实施例一提供的中性原子成像单元的半导体探测器线阵列的结构示意图。

图4显示为本发明实施例一提供的中性原子成像单元的一组半导体探测器线阵列和调制栅格成像原理示意图。

图5显示为本发明实施例一提供的中性原子成像单元的原理示意图。

图6显示为图5所示的圆圈a部分的放大示意图。

图7显示为本发明实施例二提供的中性原子成像仪的结构示意图。

图8显示为本发明实施例二的一优选实施例提供的中性原子成像仪的结构示意图。

图9显示为本发明实施例二提供的中性原子成像仪的壳体的结构示意图。

图10显示为本发明实施例二提供的中性原子成像仪的固定外壳的结构示意图。

图11显示为本发明实施例四提供的中性原子成像方法的流程图。

附图标记

10调制栅格

101栅格之间的狭缝

11半导体探测器线阵列

110半导体探测器线阵列的承载板

12中性原子的第一入射方向

121第一入射方向的中性原子的计数率

13中性原子的第二入射方向

131第二入射方向的中性原子的计数率

20成像探头

21壳体

211扇形部

212基部

213偏转板

214准直器

22专用集成电路

23主控和接口单元

30中性原子成像仪

31固定外壳

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提供一种中性原子成像单元，本实施例中，该中性原子成像单元包括至少一组如图1所示的探测单元，该探测单元包括半导体探测器线阵列11以及至少一个调制栅格10，该调制栅格10设置在该半导体探测器阵列11前方，并且与至少一个半导体探测器线阵列一一对应设置。在该中性原子成像单元中，上述调制栅格10用于对入射的中性原子的进行傅里叶变换。在本实施例的一优选实施例中，上述中性原子成像单元可以在10度范围内对中性原子的入射方向进行傅里叶变换。

如图2所示，给出了图1所示的中性原子成像单元中的一个调制栅格10的结构示意图。在本实施例中，调制栅格10包括单层调制多重狭缝栅格，如图2所示，该多重狭缝栅格包括周期性排列的非均匀栅格，在每个排列周期中，栅格之间的狭缝101的宽度非均匀地渐变。在本实施例的一优选实施例中，多重狭缝栅格的外侧长度l1介于120mm～130mm，内侧长度l2介于110mm～120mm，外侧宽度h1介于30mm～50mm，内侧宽度h2介于20mm～30mm。即，所述多重狭缝栅格的大小介于120mm×30mm～130mm×50mm。多重狭缝栅格的厚度可以是0.1mm或0.2mm。

在本实施例的另一优选实施例中，所述多重狭缝栅格的狭缝宽度介于0.9mm～7.2mm，该多重狭缝栅格的空间周期长度可以是60mm。

如图3所示，在本实施例的另一优选实施例中，示出了上述中性原子成像单元中半导体探测器线阵列11的结构示意图。如图3所示，至少一个半导体探测器线阵列11排列设置在其承载板110上，该半导体探测器线阵列的承载板的大小介于150mm×45mm～180mm×60mm。在本实施例的更加优选的实施例中，所述半导体探测器线阵列与所述调制栅格之间的距离介于10mm～15mm。

在本实施例的另一优选实施例中，所述半导体探测器线阵列中的半导体探测器包括阈值大约为2kev的薄窗、极低能量阈值的半导体探测器(ssd)，该半导体探测器的灵敏区的表面附镀有多晶硅层以及附镀在该多晶硅层的铝层。在本实施例的更加优选的实施例中，多晶硅的厚度介于铝层的厚度介于在本实施例的最优选的实施例中，所述半导体探测器包括多晶硅层厚度为铝层厚度为的窗厚度的半导体探测器以及多晶硅层厚度为铝层厚度为的窗厚度的半导体探测器。在该优选实施例中，上述半导体探测器能够探测的粒子包括中性的氢原子(h)和氧原子(o)，探测的h的能量范围介于2kev～200kev，o的能量范围介于8kev～250kev。

在本实施例的另一优选实施例中，如图4所示，示出了图1所示的中性原子成像单元的探测单元的原理示意图。如图4所示，来自相同入射方向(即速度相同)的中性原子，例如第一入射方向12或者第二入射方向13所示，通过狭缝宽度变化的调整多重狭缝栅格，该调制多重狭缝栅格对入射的中性原子进行傅里叶变换，因此被探测器线阵列所接收的中性原子的计数率会随探测器的位置变化而变化，如图4所示，探测器线阵列对第一入射方向12的中性原子的计数率121、对第二入射方向13的中性原子的计数率131是随探测器的位置变化而变化的。对于不同的入射方向，例如第一入射方向12、第二入射方向13，调制多重狭缝栅格的傅里叶变换是不同的。利用中性原子成像单元的上述特性，通过对半导体探测器线阵列感测到的中性原子进行傅里叶反演，可以获得中性原子在不同方向的空间分布，从而得到有源区的位置和大小。

在本实施例的另一优选实施例中，所述中性原子成像单元还包括准直偏转模块，所述准直偏转模块包括准直器和偏转板。该准直偏转模块包括准直器和偏转板，通过对偏转板施加偏转电压，将带电粒子，如各种电子和离子偏转掉，使所述栅格成像单元仅探测所述中性原子，并对所述中性原子进行成像。

如图5所示，示出了所述中性原子成像单元的原理示意图。在图5中，所述中性原子成像单元在45度的垂直方向视场角θ上进行中性原子的探测及成像。在本优选实施例中，偏转板213的长度设为190mm，两偏转板之间的间距设为30mm，偏转板213与调制栅格10之间的间距设为30mm，在偏转板213上施加6kv的电压，经过准直器214的粒子，包括中性原子及各种带电粒子，进入带有上述电压的偏转板213，偏转板213对各种带电粒子进行偏转，在本实施例中，上述偏转板能够偏转掉绝大部分30kev的带电粒子，使得仅中性原子进入中性原子成像单元，由中性原子成像单元的调制栅格对中性原子进行傅里叶变换，并由半导体探测器对中性原子进行探测并成像。

进一步参照图6，其示出了图5中圆圈a部分的放大示意图。在本实施例的上述优选实施例中，示出了中性原子成像单元中相邻的两组探测单元，每组探测单元均包括调制栅格10和半导体探测器线阵列11，每组探测单元中的半导体探测器线阵列方向与调制栅格的狭缝方向一致。该相邻的两组探测单元中的调制栅格的狭缝(或探测器线阵列)方向相差18°。因此，对于包括至少一组探测单元的中性原子成像单元来说，其可以在不同的方向上对入射的中性原子进行傅里叶变换。例如，在本实施例的更加优选的实施例中，中性原子成像单元可以包括10组上述探测单元，这样中性原子成像单元中就包括了10组半导体线阵列及调制栅格。在本实施例的更优选的实施例中，每一个半导体探测器线阵列可以包括32单元的半导体探测器。因此，中性原子成像单元就可以包括10×32＝320个半导体探测器。半导体探测器线阵列可以在同一时刻获得调制栅格在10个不同方向上产生的调制信号。上述中性原子成像单元的视野可达10°×45°，角分辨率可达到约2°。因此，该中性原子成像仪可提供高灵敏度、大视野、高角度分辨率的中性原子成像单元。

实施例二

如图7所示，本实施例提供一种中性原子成像仪，其包括至少一个中性原子成像单元、至少一个前置放大器单元以及至少一个主控和接口单元，至少一个中性原子成像单元、至少一个前置放大器单元以及至少一个主控和接口单元之间彼此电性连接。

上述至少一个中性原子成像单元对对中性原子进行探测并进行成像；至少一个前置放大器单元读取至少一个中性原子成像单元的成像数据，并对该成像数据进行初步放大。

前置放大器单元包括多个专用集成电路，多个专用集成电路实时读取至少一个中性原子成像单元的成像信号，并对该成像信号进行放大。

仍然参照图7，在本实施例的一优选实施例中，前置放大器单元包括至少一个电荷灵敏前置放大器、至少一个多级整形器以及至少一个峰值检测器，该峰值检测器对成像信号的峰值进行检测并保持该峰值，直至该峰值被读出。

在本实施例的另一优选实施例中，主控和接口单元为上述至少一个专用集成电路提供操作时序、控制至少一个专用集成电路完成成像信号的采集及读出，对成像信号进行初步融合及处理。

在本实施例的另一优选实施例中，如图8所示，该中性原子成像仪还包括数据处理单元，该数据处理单元接收中性原子成像仪中的前置放大器传输的成像信号，并对该成像信号进行处理、打包及压缩存储。

在本实施例的一优选实施例中，至少一个中性原子成像单元以其中的主控和接口单元作为接口与该数据处理单元通信连接。

实施例三

在本实施例同样提供一种中性原子成像仪，如图9所示，所述中性原子成像仪的成像探头20还包括至少一个壳体21，壳体21包括基部212及位于基部212上方并与之固定连接的扇形部211。在更优选的实施例中，所述扇形部211和基部212可以一体成型，或者可以通过螺钉连接、铆接、焊接等固定连接。如图9所示，中性原子成像单元的准直偏转模块设置在扇形部211，其中扇形部211的外侧面板构成准直偏转模块的准直器214，偏转板213设置在外侧面板的扇形面板的内侧。中性原子成像单元的至少一个探测单元设置在壳体21的基部212的上方，探测单元的调制栅格10靠近扇形部211，半导体探测器线阵列设置在栅格10的下方。例如在本实施例的更加优选的实施例中，调制栅格10和半导体探测器线阵列之间的距离介于10mm～15mm。

仍然参照附图9，在所述壳体20的基部212内部设置有多个专用集成电路22及主控和接口单元23。其中，多个专用集成电路22和主控和接口单元23可以是相互间隔排列的多层，也可以设置集成设置在同一层中。

如图10所示，在本实施例的另一优选实施例中，上述中性原子成像仪30还包括固定外壳31，至少一个成像探头20以由所述壳体21形成的整体构件的形式设置在所述固定外壳31中。优选地，成像探头20呈角度地间隔设置在该固定外壳31中。在更优选的实施例中，最中间的中性原子成像仪20垂直设置在固定外壳31中。

如图10所示的优选实施例中，该中性原子成像仪30包括3个所述成像探头20，中间的成像探头垂直设置在固定外壳31中，两侧的成像探头20与中间的成像探头呈角度地间隔设置在固定外壳31中，成像探头之间的该角度范围可以是3°～60°，例如在本实施例中为10度的角度。

在图10所示的优选实施例中，中性原子成像仪30包括3个所述成像探头20，每个成像探头包括一个中性原子成像单元，如实施例一的更加优选实施例所述，每一个中性原子成像单元可以包括10组探测单元，每个探测单元包括设置为32单元的半导体探测器线阵列及设置在其前方的调制栅格。因此，上述10组探测单元可以在同一时刻获得源区粒子在10个不同方向上经调制栅格产生的调制信号。每个中性原子成像单元的视野为10°×45°。本实施例的中性原子成像仪包括3×10×32＝960个半导体探测器。在32单元线阵列ssd中，每个半导体探测器单元的面积约为0.1cm²，因此本优选实施例的中性原子成像仪的3×10×32个ssd的面积约为100cm²。因此整个中性原子成像系统的视野超过30°x45°，角分辨率可达到约2°。因此，该包括近千个半导体探测器的中性原子成像仪能够测量来自全方位的中性原子，具有高空间分辨率，例如2°×2°的空间分辨率；探测的h的能量范围介于2kev～200kev，o的能量范围介于8kev～250kev，具有高能量分辨率，例如δe/e-1kev；另外还具有高时间分辨率，例如1～10秒。

实施例四

本实施例提供一种中性原子成像方法，该成像方法通过实施例三所述的中性原子成像系统进行成像。如图11所示，该方法包括如下步骤：

获取中性原子；

对所述中性原子进行傅里叶变化；

探测经傅里叶变换的所述中性原子并进行成像，生成成像信号。

在本实施例的优选实施例中，获取中性原子的步骤还包括如下步骤：

对带电粒子进行偏转，使得仅中性原子被探测到。

在本实施例的一优选实施例中，所述方法还包括如下步骤：

对所述成像信号进行放大；

对被放大的所述成像信号进行处理、打包及压缩。

在本实施例的另一优选实施例中，对所述成像信号进行放大的步骤还包括以下步骤：

向至少一个所述前置放大器单元提供操作时序；

按照所述操作时序采集并读取所述成像信号；

对采集并读取的所述成像信号进行初步融合及处理。

在本实施例的另一优选实施例中，所述按照所述操作时序采集并读取所述成像信号还包括以下步骤：

将所述成像信号进行信号整形，将所述成像信号转换成模拟信号；

检测并保持所述模拟信号的峰值，直至所述峰值被读出。

综上，本发明上述实施例提供的中性原子成像单元、成像仪、成像方法及空间探测系统具有如下技术效果：

1、本发明首次将栅格成像技术应用于中性原子探测领域，具有开创性的意义。采用栅格成像技术对中性原子进行成像，大大提高了中性原子的成像效率，缩短了成像所需的时间，提高了中性原子成像探测的计数率。

2、本发明对中性原子进行成像所采用的硅半导体探测器，其阈值从传统的30kev左右降低为2kev，可以覆盖形成产生地磁暴的绝大部分环电流粒子的能量范围。

3、本发明所述的中性原子成像仪可以包括近千个半导体探测器，探测面积可达100平方厘米，几何因子可达6.6cm²sr，具有很好的空间分辨率、时间分辨率及能量分辨率。

4、本发明的中性原子成像方法，不会受到空间极紫外/紫外辐射的影响，能够保证足够通量的中性原子参与成像，获得更好的成像效果。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。