晶体模块和包含所述晶体模块的星载空间光电探测单元的制作方法

本发明属于空间探测技术领域，具体涉及一种用于空间探测的晶体模块，以及基于所述晶体模块的光电探测单元。

背景技术：

探测空间高能粒子，需要高能量分辨与高可靠性的结构，且应具有较小的质量。国内过往探测器一般属于搭载，自中国科学院空间科学先导专项启动以来，才逐步有了专门的科学探测载荷，但光电探测单元部分使用的材料往往也还是硬铝合金，质量依然较大。

同时，利用卫星专门开展空间太阳探测在我国尚属首次，与美国rhessi卫星（采用gedetector,参考文献rhessi网站）、日本yohkoh卫星（hxt采用nai）以及欧空局solarorbiter卫星（stix采用cdznte）不同，我们设计采用labr3晶体探测器进行太阳硬x射线探测，其具有高能量分辨与快时间响应等特点，但同时在地面自防护与在轨定标等方面也面临着种种难题。

技术实现要素：

本发明提供了一种新型的晶体模块和包含所述晶体模块的星载空间光电探测单元，在保证结构稳固的前提下，通过合理的规划与改进，提高探测装置结构的紧凑集成性，方便地面更换与维修的同时，确保科学数据的可用性。

本发明共公开的技术方案为：

一种用在星载空间光电探测单元中的晶体模块，包括晶体，其特征在于，设有晶体保护结构、温度检测结构和性能定标结构；

所述晶体保护结构包括管壳、端盖和密封用的石英玻璃片；

所述管壳设有柱状的主体壳腔，晶体安装在所述主体壳腔内，端盖套在管壳的底端，与管壳密封连接，堵住主体壳腔的底部端口；

所述管壳的顶部设有灌胶的通孔凹槽和向内突出的环状凸缘，所述环状凸缘位于所述通孔凹槽与主体壳腔之间，通孔凹槽的直径大于主体壳腔的直径，主体壳腔的直径大于环状凸缘中心通孔的直径；

所述石英玻璃片设置在晶体的顶端，其下表面与晶体顶面贴合，上表面的边缘部位与所述环状凸缘的下表面密封连接，堵住主体壳腔的顶部端口，晶体与管壳和端盖之间的间隙通过光耦合胶填充；

所述通孔凹槽的槽壁上设有溢胶孔，向通孔凹槽内灌胶时，所述溢胶孔用于排出空气和多余的胶液；

所述温度检测结构包括监测晶体温度的热敏电阻，热敏电阻设置在第一沉孔中，所述第一沉孔设置在管壳的顶部；

所述性能定标结构包括用在晶体在轨能量定标中的放射源，所述放射源安装在管壳或端盖上。

在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：

所述端盖包括盖板和折边，盖板内侧表面设有嵌入放射源的安装槽，对应所述安装槽的位置，端盖外侧表面凸起，使盖板任意位置的厚度一致。

管壳的顶部设有第二沉孔，放射源安装在所述第二沉孔中。

所述端盖板的厚度为0.5mm～3.0mm。

所述晶体模块用于探测30kev以上的硬x射线时，放射源为ba133，端盖盖板的厚度为2mm，内部直径为31mm，所述凹槽的直径为5mm，深度0.5mm。

端盖与管壳通过螺纹连接，其连接部位涂抹有防松胶。

一种星载空间光电探测单元，其特征在于，包括光电转换模块和如上所述的晶体模块，所述光电转换模块包括光电转换器件、电子学读出线路板和防护结构：

所述防护结构包括内部衬套、磁屏蔽装置和外部衬套，所述内部衬套和外部衬套均采用镁铝合金材料制成，所述磁屏蔽装置为坡莫合金薄片；

所述内部衬套的顶端和底端均向外设有一定高度的小翻边，用于磁屏蔽装置的安装定位，所述磁屏蔽装置包裹在内部衬套的外侧，其顶部和底部分别抵触在内部衬套上、下两端的小翻边上；所述内部衬套的侧面筒壁上设有通孔槽，使灌入内部衬套的缓冲胶通过所述通孔槽渗出，与磁屏蔽装置接触，提高磁屏蔽装置的接触摩擦力，防止磁屏蔽装置在内部转动；

所述外部衬套包括套筒和支架连接结构；

包裹了磁屏蔽装置的内部衬套设置在外部衬套的套筒中，外部衬套套筒的筒口上沿高于内部衬套的筒口上沿，所述光电转换器件与内部衬套、外部衬套侧壁的间隙通过缓冲胶填充；

所述支架连接结构包括设置在套筒底部的第一凸缘、设置在套筒中部或上部的第二凸缘和固定在所述第二凸缘上的安装支架，所述安装支架为框架式结构，电子学读出线路板固定在所述安装支架的顶端，与其下方的光电转换器件电连接；

所述第一凸缘的尺寸大于内部衬套底端小翻边的尺寸，组装时，内部衬套底端小翻边的上表面抵触在第一凸缘的下表面上，用于内部衬套的安装定位，所述第一凸缘同时设有连接晶体模块的对接孔，所述对接孔在径向方向上位于所述底端小翻边的外围；

在对应所述对接孔的位置，晶体模块管壳的顶部设有沉孔型的螺纹连接孔，第二凸缘设有容螺丝刀穿过的预留通孔。

进一步的，所述安装支架包括呈矩形排布的四根立柱，其中的若干个相邻立柱间通过横梁连接，在所述横梁上设置向上向内弯折的凸台翻边，通过三个方向上的凸台翻边对电子学读出线路板限位卡挡，进行固定前的初步定位。所述电子学读出线路板的上方设有导热支架，初步定位后的电子学读出线路板，其边缘部位板体与凸台翻边上表面等高，使导热支架与电子学读出线路板边缘部位接触的同时，与该边缘部位对应的凸台翻边也接触，即通过凸台翻边增加探测单元和导热支架的接触面积，以提高热传导效率。

进一步的，设有监测光电转换模块的温度传感器，所述温度传感器安装在电子学读出线路板与导热支架不接触的凸台翻边上，或者安装在所述第一凸缘上；

温度传感器安装在凸台翻边上时，固定在该凸台翻边上的温度传感器安装孔中；

温度传感器安装在第一凸缘上时，固定在第一凸缘上的温度传感器安装孔中，所述第二凸缘在对应温度传感器安装孔的位置设置穿线孔。

进一步的，所述第二凸缘上设有连接外部整机的对接孔，该对接孔在径向方向上位于所述第一凸缘的外围。

作为优选，所述坡莫合金薄片的厚度设为0.027mm，在内部衬套上包裹三圈。

有益效果：

1）本发明通过结构改进，使晶体模块、光电转换模块相对独立，可解决星载晶体和光电转换模块替换方便性问题，有利于提高航天产品继承性，缩短研制周期；

2）本发明通过结构改进，解决星载晶体模块保护（卫星发射时力学振动及其强烈，晶体极易潮解，需要很好的密封保护）、光电转换模块保护的难题，使得探测装置能够通过空间力学环境的考核，使其满足发射环境需求；

3）本发明晶体模块的设计，可满足探测晶体在轨性能自标定功能，保障探测装置的能量分辨等性能，并供探测晶体在轨温度监测，通过利用地面温度定标减小探测器受热影响变化大（利用地面标定数据对在轨科学数据进行温度补偿或修正），减小科学数据分析的偏差；

4）本发明通过结构改进，在提供光电转换模块所需的电磁屏蔽保护的同时，通过模块化的紧凑集成设计，有效降低了结构质量；

5）本发明通过合理的接口（安装孔、连接孔等）设计，显著提高了空间探测器的阵列化集成度。

附图说明

图1为晶体模块的立体结构视图一；

图2为晶体模块的立体结构视图二；

图3为晶体模块的纵向剖面视图；

图4为晶体模块端盖的结构示意图；

图5为晶体模块端盖d-d向的剖面示意图；

图6为晶体模块管壳a-a、b-b向的剖面示意图；

图7为光电转换模块的结构视图；

图8为光电转换模块的纵向剖面视图；

图9为图8的局部结构放大图；

图10为光电转换模块外部衬套的结构视图；

图11为光电转换模块内部衬套的结构视图；

图12为磁屏蔽装置的结构视图；

图13为光电转换模块与导热支架组合的结构视图；

图14为光电探测单元的整体结构视图；

图15为光电探测单元的主视图；

图16为光电探测单元a-a向的剖面视图；

图17为光电探测单元b-b向的剖面视图；

图18为光电探测单元的俯视图。

具体实施方式

为了阐明本发明的结构设计，下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步的介绍。文中所使用的“上”、“下”、“顶”、“底”等方位描述，是为了清楚说明结构所使用的临时参考方向，本领人员可知，根据参照物不同，上述方位描述会有对应变化。

实施例一：

如图1至图5所示的一种用在星载空间光电探测单元中的晶体模块，包括晶体109、晶体保护结构、温度检测结构、性能定标结构和安装接口等组成部分。

所述晶体保护结构包括管壳101、端盖103和石英玻璃片106，本实施例中，所述管壳101、端盖103采用铝制，为了进一步降低结构质量，或可考虑使用镁合金。

所述管壳101的外形呈t型，上部为头部，与光电转换模块对接，呈矩形块状，下部为圆柱形的管体，所述头部和管体一体成型。管壳101内设有圆柱形的主体壳腔，晶体103安装在所述主体壳腔中。

所述端盖103由一体成型的盖板和环形折边组成，所述环形折边内设有内螺纹，端盖103套在管壳101的底端，通过螺纹结构与管壳101紧固连接，堵住主体壳腔的底部端口。在端盖103与管壳101的紧固过程需要涂抹防松胶，一方面用于防松，另一方面在于密封，防止水汽渗入，对晶体进行潮解。

所述管壳101的顶部设有灌胶（灌入光耦合胶，也作为缓冲胶使用）的通孔凹槽和向内突出的环状凸缘，所述环状凸缘位于通孔凹槽与主体壳腔之间，通孔凹槽的直径大于主体壳腔的直径，主体壳腔的直径大于环状凸缘中心通孔的直径，使管壳101的主体管腔到管壳101顶面之间形成变化的阶梯状管腔。

石英玻璃片106设置在晶体103的顶端，堵住主体壳腔的顶部端口，或者说环形凸缘的中心孔。石英玻璃片106的下表面与晶体103顶面紧密贴合，上表面的边缘部位与所述环状凸缘的下表面通过硅胶固定密封。晶体109与管壳101和端盖103之间的间隙则通过光耦合胶填充。

所述通孔凹槽的高度为2mm，通孔凹槽的槽壁上设有溢胶孔102，通孔凹槽内被灌入胶液时，所述溢胶孔102用于排出空气和多余的胶液。所述光耦合胶也作为缓冲胶，对石英玻璃等器件进行缓冲保护。

所述温度检测结构包括监测晶体103温度的热敏电阻，热敏电阻设置在第一沉孔104中，所述第一沉孔104设置在管壳101的顶部，设计为φ2.5mm×6mm（depth），选用mf61型热敏电阻，点胶固定，胶的品种为gd414-c。在地面的试验过程中，利用该热敏电阻测量不同温度下晶体的响应，可得到晶体响应随温度变化的关系。因此，在轨后，只要能够测得晶体的温度，我们就可以进行温度补偿与修正，即所谓的温度定标。

所述性能定标结构包括用在晶体在轨能量定标中的放射源，所述放射源安装在管壳101或端盖103上。

所述端盖103盖板的内侧表面设有可嵌入放射源的安装槽072，对应所述安装槽072的位置，盖板外侧表面凸起，使盖板任意位置在轴向上的厚度一致，即安装槽072为圆柱型凹槽时，外部反映为圆柱形凸台。

管壳101的顶部设有第二沉孔1071（与第一沉孔104相对的一端），放射源安装在所述第二沉孔1071中。所述第二沉孔1071选用深度6mm的m4螺纹孔，安装完毕后可用螺钉旋紧，旋紧前需要对放射源进行点胶处理。

所述放射源用于地面和在轨的性能标定，具体到本实施例，由于目标探测30kev以上的硬x射线，设计端盖103盖板的厚度设为2mm，内部直径为31mm；安装槽072直径5mm，深度0.5mm，使用放射源选择ba133（豁免，即放射源活度为ⅴ类以下）。端盖盖板的厚度可根据实际需要进行调整，厚度变化范围为0.5mm～3.0mm。

地面为了实现探测器能量线性标定和绝对能量标定，通常使用放射性同位素标定源的方法。本设计由于提供了放射源（豁免源ba133）的接口，通过放置ba133源，在探测能段范围内可提供32kev，81kev和356kev等多个x射线特征峰，实现了探测器在轨能量线性标定和绝对能量标定功能。

放射源的安装位置可以二选一，各有优劣：端盖上豁免源的安装更为安全且靠近晶体（越靠近晶体，晶体获得的x射线“越纯”，精度就越高。如果远离晶体，放射源的x射线就会穿过其他物质，产生背景本底（也就是杂质），影响精度）；管壳上安装的豁免源位于外部，其特征x射线需穿透一定厚度的壳体，可能引入新的背景本底，但从安装的角度而言则更为方便。

闪烁晶体是指在x射线等高能粒子的撞击下，能将高能粒子的动能转变为光能而发出闪光的晶体。由于探测目标主要瞄准太阳硬x射线，本实施例选用的晶体109为高能量分辨与快时间响应的溴化镧晶体，尺寸为φ25mm×25mm（h），光耦合胶采用rtv612。如果对本底较为敏感，对能量分辨要求不是太高，可选择溴化铈晶体。根据探测目的的不同，晶体可以进行适应性的更换，其他不同类型的闪烁晶体如碘化铯、碘化钠等。光耦合胶类似，亦可以选择rtv615等。

所述的安装接口还包括设置在管壳101头部顶端的螺纹连接孔1051、设置在管壳101头部底端的螺纹连接孔1052，所述螺纹孔1051用于与光电转换模块2的对接，螺纹孔1052用于与整机的对接。所述螺纹孔1051、1052均为m3×10mm的螺纹沉孔，旋紧过程中需要使用防松胶，螺纹孔的深度与大小可根据不同的目的与需求进行适应性修改。

实施例二：

如图14至图17所示的一种星载空间光电探测单元，包括晶体模块1和光电转换模块2。所述晶体模块1的结构设计同实施例一，所述光电转换模块2的结构如图7至图13所示，包括光电转换器件205、电子学读出线路板201（以下简称为pcb板）和防护结构等组成部分。

所述光电转换器件205，用于将晶体109发出的闪光转换为光电子，本实施例汇总采用较为常用的光电倍增管（pmt），由于其为玻璃器件，空间星载装置需经历极为强烈的力学振动环境，故需要缓冲胶204对其进行保护。

所述防护结构还包括内部衬套207、磁屏蔽装置206、外部衬套203和缓冲胶204，所述内部衬套207和外部衬套203均采用镁铝合金材料制成，所述磁屏蔽装置206为坡莫合金薄片，所述缓冲胶204采用硅橡胶，型号为sylgard170，也可以采用其他性质类似的硅橡胶。

所述内部衬套207主体的径向厚度为1mm，其顶端和底端均向外设有0.5mm高度（衬套径向上的高度）的小翻边2072，用于磁屏蔽装置206的安装定位，所述磁屏蔽装置206包裹在内部衬套207的外侧，其顶部和底部分别抵触在内部衬套207顶端和底端的小翻边2072上。

所述磁屏蔽装置206采用的坡莫合金薄片单层厚度为0.027mm，本实施例中设计为在内部衬套207上包裹三圈。光电转换器件容易受外部磁场的影响，因此增加磁屏蔽装置206，为了对磁屏蔽装置进行定位，本实施例镁铝合金制作的内部衬套与外部衬套精细紧凑化设计中，由于采用了金属结构，磁屏蔽装置206能够与内部衬套207接触，从而避免磁屏蔽装置206在空间形成孤立导体，防止其对光电转换器件造成损伤。

所述内部衬套207的侧面筒壁上设有均匀分布的长型通孔槽，使灌入内部衬套207的缓冲胶通过所述通孔槽渗出，与磁屏蔽装置206接触，提高磁屏蔽装置206的接触摩擦力，防止磁屏蔽装置206在内部转动。所述外部衬套203包括套筒和支架连接结构：

包裹了磁屏蔽装置206的内部衬套207设置在外部衬套203的套筒中，外部衬套203套筒的筒口上沿高于内部衬套207的筒口上沿，所述光电转换器件205与内部衬套（207）、外部衬套203侧壁的间隙通过缓冲胶204填充；

所述支架连接结构包括设置在套筒底部的第一凸缘、设置在套筒中部或上部的第二凸缘和固定在所述第二凸缘上的安装支架，所述安装支架为框架式结构，pcb板201固定在所述安装支架的顶端，与其下方的光电转换器件205电连接。

所述第一凸缘的外轮廓呈矩形，其长宽尺寸大于内部衬套207底端小翻边的外径尺寸，组装时，内部衬套207底端小翻边的上表面抵触在第一凸缘的下表面上，即底端小翻边的设计同时用于内部衬套207的安装定位，所述第一凸缘同时设有连接晶体模块的对接孔2022，所述对接孔2022在径向方向上位于所述底端小翻边的外围。

在对应所述对接孔2022的位置，晶体模块管壳101的顶部设有沉孔型的螺纹连接孔1051，第二凸缘设有容螺丝刀穿过的预留通孔2022-1，使得操作人员旋紧下部螺钉（安装在晶体模块螺纹孔1051中的螺钉）时工具能够利用所述预留通孔2022-1垂直伸入，旋紧螺钉更为方便。

所述安装支架包括呈矩形排布的四根立柱，其中的三个相邻立柱间通过横梁连接，如图10所示，所述立柱和横梁上共设有7个螺纹孔2023，用于pcb板的安装，其中三个为预先安装，剩余4个可根据需要用于进一步紧固pcb板或用做外部接口，比如走线等。

三个横梁上分别设有向上向内弯折的凸台翻边2034，通过三个方向上的凸台翻边2034对pcb板的侧边进行限位卡挡，便于完成固定前的初步定位。

所述pcb板的上方设有导热支架3，如图13所示的光电探测单元陈列，导热支架3设置在两相邻光电探测单元之间的位置，纵向延伸，导热支架3与左右两侧pcb板边缘部位接触的同时，与该边缘部位对应的凸台翻边2034也接触，凸台翻边2034与初步定位的pcb板上表面等高。通过所述凸台翻边2034可增加光电探测单元和导热支架3的接触面积，有利于提高热传导效率。翻边面积大小可根据热量情况而定，具体到本实施例中，与导热支架3接触的左右两侧凸台翻边宽度2mm，另一侧凸台翻边宽度4mm，长度均为22mm。值得说明的是，空间星载光电探测单元多为阵列结构设计（见暗物质粒子探测卫星bgo量能器等），预留的该凸台翻边2034设计使得相邻的光电探测单元共同连接导热支架，增加阵列探测单元的温度均匀性。

所述光电探测单元还设有监测光电转换模块的温度传感器，所述温度传感器安装在pcb板与导热支架不接触的凸台翻边2034上，或者安装在所述第一凸缘上。温度传感器安装在凸台翻边2034上时，固定在该凸台翻边2034上的温度传感器安装孔2031中，传感器与线缆均用硅橡胶固定；温度传感器安装在第一凸缘上时，固定在第一凸缘上的温度传感器安装孔2033中，所述第二凸缘在对应温度传感器安装孔2033的位置设置穿线孔2032。所述温度传感器的设置便于在轨热平衡后，测定光电转换模块的温度，随后利用地面对其温度定标的结果对光电管在轨的增益进行温度补偿与修正。上述两种安装方式可以同时选用，也可以根据需要二选一。

所述第二凸缘的主体结构也成矩形，第二凸缘边缘处设有连接外部整机的对接孔2021，该对接孔2021在径向方向上位于所述第一凸缘的外围，防止二者在对接时产生干涉。

根据实验对比，本实施例光电转换模块相比于过往光电转换模块的铝合金结构，在满足结构强度的前提下，结构质量降低了约33%。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。