一种基于信号波形的空间中子甄别装置的制作方法

本发明属于空间中子探测领域，涉及一种基于信号波形的空间中子甄别方法，用于航天器在轨空间中子探测载荷。

背景技术：

1、空间环境存在大量高能粒子，包括质子、电子以及中子等，可以穿透航天器外壳进入内部，会产生各种次级辐射，对电子器件及材料产生各种空间辐射效应，同时威胁航天员身体健康。空间高能粒子测量是空间站在轨稳定安全运行的需求，中子作为空间辐射环境的重要组成部分，准确测量空间中子能谱，是保障航天员生命健康与空间站稳定运行的基础。中子能谱的测量可以通过以下方法实现：电离室、正比计数器以及反冲质子望远镜等设备所使用的核反冲法；氟化硼、氦-3正比计数管以及6li闪烁体等设备所使用的核反应法；测量精度较高、仪器设备相对复杂的飞行时间法以及仅能进行粗略测量的阈探测器法。

2、多球中子谱仪系统，通过不同尺寸慢化球对中子慢化作用的不同，利用各慢化球球心所置热中子探测器的计数，根据响应函数通过计算机解谱程序得到中子能谱，具有测量能量范围广、各向同性、灵敏度高等优点。但由于其操作步骤繁琐、测量时间长、设备体积较大，用于空间中子测量时，需要对其进行集成化、小型化的改进。日本宇航探测部所研发的bbnd多球中子谱仪，已经在国际空间站开展测量试验。

3、单球中子谱仪系统，使用位于单个慢化球中不同深度的多个热中子探测器，将单个慢化球划分为不同厚度的多个壳层，实现类似多球中子谱仪不同尺寸慢化球的作用。单球中子谱仪的能谱测量方法与多球中子谱仪的测量方法类似，将多个热中子探测器的计数输入至解谱程序中，程序通过响应函数解谱得到中子能谱。相比于多球中子谱仪，单球中子谱仪具有体积小、重量轻、操作简便的优点，适用于狭小空间。

4、中子能谱仪测量所常用的3he正比计数管，探测原理是基于核反应，其核反应过程如下：

5、3he+n→p+3h+765kevσ＝5333±7b

6、反应产物质子与氚核通过气体时，同3he气体发生电离碰撞，使3he气体分子电离，同时损失部分能量，形成大量的离子对(电子与正离子)。在计数管的其中心阳极丝上加正高压，阳极丝与外壳管壁之间形成电场，在外加电场的作用下，这些电子和正离子分别向正、负电极漂移，电子漂向阳极丝，正离子漂向阴极壁，而被电极收集。探测原理如图1所示。目前的探测装置存在无法将中子信号从其它带电粒子信号(空间质子，电子)中有效甄别的问题。

技术实现思路

1、本发明提出一种基于信号波形的空间中子甄别装置，用于解决现有技术中无法将中子从空间带电粒子有效甄别的问题。

2、本发明通过以下技术方案实现。

3、一种基于信号波形的空间中子甄别装置，包括前3he中子计数器、高压电源、低压电源、前收集电极电荷放大器、主放大器、甄别电路、成形整形电路、输出电路；其中：

4、所述前收集电极电荷放大器用于收集3he中子计数器的电荷，将电荷放大转化为电压，并将电压信号发送到主放大器；

5、所述主放大器接收前收集电荷放大器的电压信号，并对电压信号进行滤波，提高信噪比，并将滤波后的电压信号发送到甄别电路；

6、所述甄别电路将主放大器输出模拟信号转换为数字逻辑脉冲输出；

7、所述成形整形电路接收来自甄别电路的甄别信号，产生标准的ttl信号；

8、所述输出电路接收来自成形整形电路的标准ttl信号，并将ttl信号进行计数处理。

9、本发明的有益效果：

10、1、本发明采用低压电源给电子学系统的各个部分提供合适的电压，高压电源产生合适的高电压，加在3he计数器的阳极端。当入射中子进入探测器时，首先进入慢化体进行慢化，然后进入中子计数管，并与管内3he气体进行核反应生成带电粒子，该带电粒子在正比计数管中充分电离后产生电信号。该信号通过耦合电容接入前置放大器。再经过主放大器、甄别电路、成形整形电路，最后生成标准的ttl信号；

11、2、本发明中子与空间带电粒子产生的电荷被收集电极收集，并由电荷放大器放大为电压脉冲信号。中子产生的电压脉冲信号与空间带电粒子产生的电压脉冲信号存在差异，通过甄别电路对比电压脉冲信号的特征，可以去除空间带电粒子产生的计数信号，保留中子产生的脉冲信号，从而实现空间中子甄别；

12、3、本发明采用甄别电路实现信号甄别，可以直接与前级放大电路组合，易于集成安装；

13、4、本发明基于信号波形特征甄别中子信号，对比带电粒子与中子诱发的信号波形幅值差异，可以去除空间带电粒子信号计数，易于实现；

14、5、本发明通过设置甄别电路的信号波形对比阈值，可以根据探测需求，调节中子信号判据，有利于试验与工作调试，达到最佳探测效果。

技术特征：

1.一种基于信号波形的空间中子甄别装置，其特征在于，包括前3he中子计数器、高压电源、低压电源、前收集电极电荷放大器、主放大器、甄别电路、成形整形电路、输出电路；其中：

2.如权利要求1所述的一种基于信号波形的空间中子甄别装置，其特征在于，所述前收集电极电荷放大器由结型场效应晶体管、二只双极性晶体管和阻容元件组成，构成米勒积分电路。

3.如权利要求1或2所述的一种基于信号波形的空间中子甄别装置，其特征在于，所述主放大器包括信号极性转化电路、极零相消电路、积分滤波电路、基线恢复电路以及输出电路，并按该顺序依次连接；

4.如权利要求3所述的一种基于信号波形的空间中子甄别装置，其特征在于，所述积分滤波电路采用cr-rc积分滤波电路；时间常数τ等于噪声转角时间τa的cr微分电路，作为前置电荷灵敏放大器后面的白化滤波器，匹配滤波器采取rc电路，cr电路滤去噪声低频成分，rc电路滤去噪声高频成分，选择合适的时间常数，提高信噪比。

5.如权利要求1或2或3所述的一种基于信号波形的空间中子甄别装置，其特征在于，采用比较电路设定甄别阈值vt，输入脉冲幅度大于所述甄别阈值，输出有效逻辑脉冲。

6.如权利要求5所述的一种基于信号波形的空间中子甄别装置，其特征在于，所述甄别阈值vt采用下述方法得到：所以甄别阈值vt主要对中子和质子进行区分，根据下述中子与探测器核反应公式：

7.如权利要求1或2或3所述的一种基于信号波形的空间中子甄别装置，其特征在于，所述甄别电路包含5路甄别通道，每路甄别通道由3个电压比较器、3个钳位二极管以及阻容元件组成。

8.如权利要求1或2或3所述的一种基于信号波形的空间中子甄别装置，其特征在于，所述成形整形电路由施密特触发器构成，当甄别信号为高电平时，输出ttl信号为高；当甄别信号为低电平时，输出ttl信号为低。

9.如权利要求1或2或3所述的一种基于信号波形的空间中子甄别装置，其特征在于，所述输出电路由与非门组成，当输入端信号为l时，允许计数；在输入端为0期间，与非门停止计数；输入的ttl脉冲上升为起始信号，使门变高，计数器重新装入初值并重新开始计数；输入的ttl脉冲下降为停止信号，使门变低结束计数，计数器输出计数值；计数器经过初始化后，当记数起始信号到达时，d触发器输出高电平，计数器的g端电平为高，开始记数；当记数停止信号到达后，d触发器被复位，计数的g端变为低电平，记数停止，计数器保留计数值，直到内读取。控制信号在读取计数值后，产生控制信号，使d触发器复位，清除计数。

技术总结
本发明提出一种基于信号波形的空间中子甄别装置，用于解决现有技术中无法将中子从空间带电粒子有效甄别的问题。包括前<supgt;3</supgt;He中子计数器、高压电源、低压电源、前收集电极电荷放大器、主放大器、甄别电路、成形整形电路、输出电路；所述前收集电极电荷放大器用于收集<supgt;3</supgt;He中子计数器的电荷，将电荷放大转化为电压，并将电压信号发送到主放大器；所述主放大器接收前收集电荷放大器的电压信号，并对电压信号进行滤波，提高信噪比，并将滤波后的电压信号发送到甄别电路；所述甄别电路将主放大器输出模拟信号转换为数字逻辑脉冲输出；所述成形整形电路接收来自甄别电路的甄别信号，产生标准的TTL信号；所述输出电路接收标准TTL信号，并将TTL信号进行计数处理。

技术研发人员：潘腾,姚帅,向宏文,张志平,朱安文,田岱,曲少杰,郑玉展,李衍存,呼延奇,秦珊珊
受保护的技术使用者：北京空间飞行器总体设计部
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15