中高能粒子探测器的设计与研制

论文摘要

随着人类空间科学的发展和科技的进步,空间粒子探测技术得到了高速的发展。空间粒子探测所涉及的领域也越来越多,空间物理现象和机制的研究需要粒子探测提供可分析的数据;空间粒子的通量和能谱变化为空间中的灾害性事件提供了警报;空间物理模型的建立需要大量的探测数据支持;载人航天事业的发展也需要空间粒子探测作为保障。因此对空间粒子的探测是人们进行航天活动的基本技术保障;是人们进行空间探测,研究太空物理学现象的基本方法;也是人们认识和研究太空,向太空进军的首要条件。因为中高能量段的粒子与很多物理机制和现象紧密相连,因此对该能段粒子的测量是人类粒子探测相对集中的区域。本文首先讨论的是在对中高能粒子探测器进行物理设计时所使用到的各种技术手段。它是粒子探测器设计好坏与否的关键,也是仪器创新设计的重要环节。为了连接低能粒子和高能粒子的中间能量段,本文详细论述了如何利用磁偏转的方法对中能电子进行测量。文章详实地描述了中能电子探测器的设计方案;介绍了中能电子探测器的方案特点和工作原理;给出了传感器的选择原则和尺寸,并通过蒙特卡罗模拟确定谱仪的能道划分;估算谱仪的测量精度;确定仪器的几何因子和计数率,最后给出了电子学部分的设计方案,并通过电路和放射源实验得到了一定的结论。这也是我国首次以中能粒子为目的进行的探测器设计。在高能粒子探测器设计方面,我国有成熟的技术。本文详细介绍了在现有技术的基础上具有创新性设计的一台高能粒子探测器。该探测器集方向测量,能谱测量,总剂量测量功能于一体,实现了多功能和小型化的成功组合。该仪器中还用到了加偏转磁铁这项新技术。文章还简要介绍了目前现在正在研制的两种新探测器设计,主要针对粒子的LET谱测量和空间中子的测量,这两个仪器是以前我国以前没有做过的。文章的最后详细介绍了在空间粒子探测器设计中的一项新技术,即加偏转磁铁屏蔽电子干扰的技术。通过物理的仿真模拟和最后的实验表明了该项技术的可靠性和实用性,该技术同样是我国首次完成该项技术的攻关,已运用到工程实践中。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 空间粒子辐射
• 1.2 空间粒子辐射的危害
• 1.2.1 粒子辐射对航天器的危害
• 1.2.2 粒子辐射对空间活动的危害
• 1.2.3 粒子辐射对地面活动的危害
• 1.3 空间粒子探测的意义
• 1.3.1 物理意义
• 1.3.2 应用意义
• 第二章 空间粒子探测的现状
• 2.1 空间粒子探测的领域和目标
• 2.2 空间粒子的探测手段
• 2.3 空间粒子探测的现状
• 2.3.1 以物理机制为目的的探测计划
• 2.3.2 以空间环境监测为主的系列卫星
• 2.3.3 国内,国际粒子探测的现状
• 2.3.4 空间粒子探测的趋势
• 2.4 发展和展望
• 第三章 空间中的中高能粒子探测技术研究
• 3.1 空间粒子探测的基本探测器
• 3.2 空间粒子探测器粒子的鉴别方法
• 3.2.1 脉冲幅度分析法
• 3.2.2 能量损失-总能法（ΔE? E 方法）
• 3.2.3 飞行时间法（TOF）
• 3.2.4 能量射程法
• 3.2.5 dE/dX-切伦科夫方法和地磁刚度-切伦科夫方法
• 3.2.6 加磁场或者电场鉴别电子和离子
• 3.2.7 粒子鉴别方法总结
• 3.3 空间粒子探测器的去干扰技术
• 3.3.1 干扰的来源
• 3.3.2 加鉴别阈法去干扰
• 3.3.3 主动屏蔽去干扰
• 3.3.4 被动屏蔽去干扰
• 3.3.5 加磁场或电场屏蔽去干扰
• 3.4 空间粒子探测中的路径差消除技术
• 3.4.1 鉴别误差的产生
• 3.4.2 利用传感器结构消除路径差
• 3.4.3 位置灵敏探测器径迹测量法
• 3.4.4 发展和展望
• 3.5 空间粒子探测器设计中的模拟与仿真计算
• 3.5.1 蒙特卡罗方法的基本思想
• 3.5.2 蒙特卡罗方法的特点
• 3.5.3 TRIM 程序
• 3.5.4 GEANT 程序
• 3.5.5 GEANT 程序与TRIM 程序的对比
• 第四章 中能电子探测器设计与研制
• 4.1 中能粒子的定义与分布
• 4.1.1 中能粒子的定义与分布
• 4.1.2 中能粒子探测的意义
• 4.2 目前对中能粒子的探测情况
• 4.2.1 中能粒子探测的难点
• 4.2.2 探测情况介绍
• 4.3 我国的中能粒子探测器研制（中能电子谱仪设计与研制）
• 4.3.1 中能电子谱仪的目标与创新点
• 4.3.2 主要指标
• 4.3.3 仪器的探测原理与技术方案
• 4.3.4 仪器的物理设计
• 4.3.5 仪器实验
• 4.3.6 下一步的工作
• 4.3.7 小结
• 第五章 高能粒子探测器的创新设计
• 5.1 空间中的高能粒子辐射
• 5.1.1 空间高能粒子的辐射环境
• 5.1.2 高能粒子探测的意义
• 5.1.3 国内外的高能粒子探测情况
• 5.2 高能粒子探测器的发展
• 5.2.1 高能粒子探测器的传感器的发展
• 5.2.2 高能粒子探测器的设计发展
• 5.3 高能粒子探测器的创新设计与研制（多功能,多方向探测器设计）
• 5.3.1 仪器制作的科学目标
• 5.3.2 仪器的物理目标
• 5.3.3 仪器组成
• 5.3.4 仪器的创新点
• 5.3.5 主要指标
• 5.3.6 探测原理与技术放案
• 5.3.7 物理设计
• 5.3.8 总结
• 第六章 最新研制的中高能粒子探测器设计
• 6.1 LET 探测器设计
• 6.1.1 应用背景
• 6.1.2 探测现状
• 6.1.3 仪器的主要指标
• 6.1.4 测量放案
• 6.1.5 工作原理
• 6.2 中子探测器
• 6.2.1 空间中子的来源
• 6.2.2 国内外现状
• 6.2.3 中子探测的意义
• 6.2.4 该仪器的创新点和难点
• 6.2.5 仪器指标
• 6.2.6 技术放案
• 6.3 总结
• 第七章 高能粒子探测器偏转磁铁的研制
• 7.1 空间高能电子环境及其影响
• 7.1.1 空间高能电子的来源和作用机制
• 7.1.2 空间高能电子对粒子探测器的影响
• 7.1.3 空间粒子探测器中的偏转磁铁在国内外应用的现状
• 7.2 粒子探测器中的偏转磁铁设计
• 7.2.1 偏转磁铁的适用范围
• 7.2.2 偏转磁铁设计的基本原则
• 7.2.3 材料的选择
• 7.2.4 结构的选择
• 7.2.5 磁屏蔽
• 7.3 偏转磁铁的模拟计算与实测数据
• 7.3.1 有限元方法简介
• 7.3.2 有限元方法计算磁场分布
• 7.3.3 模拟数据与实测数据的对比
• 7.3.4 磁铁中的反散射结构设计
• 7.4 偏转磁铁的实验验证
• 7.4.1 偏转磁铁的高低温循环实验
• 7.4.2 偏转磁铁的偏转能力实验
• 7.5 卫星用磁铁设计的原则和建议
• 第八章:总结
• 参考文献
• 学术论文的发表情况
• 致谢