空間低能電子探測技術(shù)綜述

把得東，楊生勝，薛玉雄，安 恒

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，真空低溫技術(shù)與物理重點實驗室，甘肅蘭州730000)

1 引言

空間低能電子是空間環(huán)境的重要組成部分之一，由于能量較低(幾電子伏～幾十千電子伏)，其分布和運動易受地磁場及空間電場的影響，主要分布在離地球數(shù)百公里高度范圍內(nèi)及電離層中。20世紀60年代以后，地球同步軌道的許多通訊衛(wèi)星接連發(fā)生故障，有的甚至徹底損壞。研究人員對故障發(fā)生的時間、地點和當時的空間環(huán)境進行分析后發(fā)現(xiàn)，部分衛(wèi)星出現(xiàn)故障的原因是空間低能電子的影響，由此，人們才逐漸認識到空間低能電子對衛(wèi)星的直接影響。空間低能電子對航天器的主要影響有［1］:

1)影響航天器的電控或熱控性能，導(dǎo)致航天器系統(tǒng)工作異常，如1994年，Intelsat－k衛(wèi)星和Anik－E衛(wèi)星發(fā)生的故障就是由于放電產(chǎn)生的干擾脈沖導(dǎo)致指令錯亂，使控制系統(tǒng)不能正常工作。

2)空間低能電子容易使太陽電池發(fā)生充放電效應(yīng)，使太陽電池陣發(fā)生物理損壞，導(dǎo)致太陽電池輸出功率下降。

3)低能電子容易使航天器表面帶電，使航天器與帶電粒子相互作用的有效截面增大;同時航天器切割磁力線產(chǎn)生的電動勢在航天器周圍形成電流回路，導(dǎo)致航天器飛行阻力增大，使航天器軌道發(fā)生變化。

20世紀70年代后期，我國開始關(guān)注空間低能電子對航天器的影響，并在地面和衛(wèi)星上進行了大量試驗工作，由于受許多條件的限制，至今與航天大國相比，在空間低能電子探測方面仍存在一定差距。因此，發(fā)展空間低能電子的探測技術(shù)，研制高性能、高可靠性的探測器，了解空間低能電子的分布及變化特點，對我國空間探測活動具有重要意義。

2 國外空間低能電子探測技術(shù)的發(fā)展

用于空間低能電子探測的器件和方法主要有:靜電分析器、通道電子倍增管、微通道板、法拉第杯、飛行時間法、朗繆爾探針、半導(dǎo)體探測器等［1］。

靜電分析器由具有一定曲率半徑，相距一定距離的2塊金屬板組成，金屬板之間施加偏壓。金屬板的形狀分為圓柱型和球型。當靜電分析器的結(jié)構(gòu)一定時，通過改變分析器兩板之間的電壓就可以改變分析器所能接受電子的能量，從而達到測量電子微分能譜的目的。20世紀80年代末，國外的很多衛(wèi)星采用靜電分析器對空間環(huán)境中幾十電子伏到幾十千電子伏的低能電子進行了探測，如DMSP系列衛(wèi)星利用搭載60°的圓柱型靜電分析器，Interball和Auroral Probe衛(wèi)星利用搭載的127°圓柱型靜電分析器對空間低能電子和質(zhì)子進行2D和1D探測;ISSE－1和ISSE－2衛(wèi)星上搭載的球狀靜電分析器，對空間低能電子進行3D和2D測量;AMPTE和IRM衛(wèi)星上搭載的等離子體探測器、Giotto衛(wèi)星上的電子等離子體實驗、Geotail衛(wèi)星上的低能粒子探測器、Interball/Tail Probe衛(wèi)星上的3D粒子譜儀和3D電子分布儀(ELECTRON)以及ClusterⅡ上的粒子譜儀(CIS)等探測器中都采用了帶頂蓋的半球型靜電分析器，對空間環(huán)境中的低能電子和其他帶電粒子進行探測。利用靜電分析器，衛(wèi)星獲得了早期關(guān)于空間低能電子的數(shù)據(jù)［1］。

通道電子倍增管是單通道電子倍增器，具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)牢固、功耗小、增益高，反應(yīng)速度快等優(yōu)點，電子的倍增過程發(fā)生在管內(nèi)壁。在管子兩端施加一定的電壓，電子經(jīng)過軸向電場加速而獲得能量。低能電子通過入口進入倍增管，與管內(nèi)壁碰撞產(chǎn)生二次電子，二次電子在電場的作用下獲得能量與管內(nèi)壁碰撞，產(chǎn)生更多的二次電子，在倍增管的出口處(高壓端)就能獲得電子形成的電流脈沖。該電流脈沖與入射電子的能量相關(guān)。涂覆在玻璃管內(nèi)、外表面的材料必須具有一定的穩(wěn)定性，能長期暴露在空間環(huán)境中。此外，涂覆材料應(yīng)具有較大的功函數(shù)和小的噪聲本底，對波長大于200 nm的光不敏感。

1965年，在NASA戈達德航天中心(GSFC，Goddard Space Flight Center)的支持下，邦迪科斯研究實驗室(Bendix Research Laboratory)研制了一種無窗的電子倍增器——連續(xù)通道型電子倍增管(見圖1)。這種電子倍增器體積小、構(gòu)造簡單。戈達德航天中心將其作為較理想的探測器來探測空間低能電子。起初，該探測器采用直線型，倍增管長度和內(nèi)徑的比為50～100。但當倍增管的增益達到107時，再生正離子的反饋會導(dǎo)致倍增管出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。于是，戈達德空間中心將倍增管的形狀由直線型改為圓弧型，長為10 cm，內(nèi)徑1 mm，管子呈270°的弧形(見圖2)，通過這種改進來抑制再生正離子反饋引起的不穩(wěn)定效應(yīng)。當通道倍增管以高增益方式工作時，可在倍增管輸出端獲得入射電子產(chǎn)生的唯一的脈沖高度分布。利用脈沖計數(shù)器和閾值鑒別技術(shù)可測出脈沖的幅度。根據(jù)脈沖幅度和入射電子能量之間的對應(yīng)關(guān)系，就能確定入射電子的能量。由于這些特點，連續(xù)型通道電子倍增管常搭載于探空火箭，對空間中的低能電子進行探測［2］。此后，研究人員又研制了其他形狀的通道電子倍增管，對空間低能電子和質(zhì)子進行探測。如USA75衛(wèi)星上搭載的磁層等離子體分析器(MPA)，用6個螺旋型電子倍增管在規(guī)定的6個方向上對空間低能電子和質(zhì)子進行探測;ACE衛(wèi)星上搭載的太陽風電子質(zhì)子α粒子監(jiān)測器(SWEPAM)使用7個大的漏斗型電子倍增管對空間低能電子及其它帶電粒子進行探測;AMPTE和IRM衛(wèi)星上搭載的3D等離子體分析器，采用漏斗狀的通道電子倍增管，探測空間低能電子和質(zhì)子。

由于通道電子倍增管的增益僅與通道長度和直徑之比有關(guān)，因此，可以把倍增管縮小到工藝允許的程度，形成微通道結(jié)構(gòu)，大量微通道相組合就構(gòu)成了微通道板(MCP)。微通道板的工作原理與通道電子倍增管相似，其具有探測面積大、增益高、噪聲低、時間性能優(yōu)、空間分辨率好的特點，常用于空間低能電子、質(zhì)子的探測。如Interball/Tail Probe衛(wèi)星和ClusterⅡ衛(wèi)星都采用微通道板對空間低能電子進行探測，探測器的增益達106量級。

圖1 通道電子倍增管示意圖

圖2 弧形通道電子倍增管示意圖

除了用靜電分析器和通道板對低能電子進行探測外，對冷等離子體和能量較低的熱等離子體中的電子也常用法拉第杯、朗繆探針進行探測。如Wind航天器上的太陽風實驗(SWE)中使用2個法拉第杯對空間環(huán)境中能量在5 eV～5 keV之間的離子(包括電子)進行了3D探測。1995年，Interball和Tail probe航天器上搭載了全方向等離子體傳感器法拉第杯(VDP)，對空間環(huán)境中能量在0.2～2.4 keV之間的磁層等離子體進行了探測。VDP包括6個完全相同的法拉第杯，這些法拉第杯分別放置在±X軸(衛(wèi)星的自旋軸)、±Y軸和±Z軸上。法拉第杯上施加的電壓為0～2 400 V，并且按照16個梯級變化，以此來探測空間環(huán)境中低能電子和質(zhì)子的能譜。朗繆探針質(zhì)量小、功耗低、時空分辨率高，結(jié)構(gòu)相對簡單，并且探測信息豐富，自20世紀50年代末用于空間等離子體探測(包括空間低能電子探測)以來就受到各個國家的重視。據(jù)統(tǒng)計，在NASA的航天計劃中，裝配朗繆探針的航天器占12.9%。

飛行時間法是通過測量粒子飛過一定距離所需的時間來確定粒子的能量。在飛行距離的兩端設(shè)置2個粒子探測器，末端的探測器給出時間和能量信號，前端的探測器在給出時間信號的同時也限定了粒子能量的下限。由于低能粒子探測的能量范圍一般小于100 keV，雖然可以在對能量較低的粒子加速后應(yīng)用飛行時間法，但是這種方法在探測低能電子中還是很少使用，在對低能粒子的成分測量中常用這種方法來獲得粒子的質(zhì)量。如1984年AMPTE/IRM上的超熱離子電荷分析器;1996年FAST上的飛行時間能量角質(zhì)譜儀(TEAMS)，ClusterⅡ上的離子成分和分布函數(shù)分析器(CODIF)等。

隨著半導(dǎo)體工藝和信號處理技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體探測器開始應(yīng)用于空間低能電子的探測中。

1966年，戈達德航天中心研制了用于空間低能電子探測的復(fù)合型表面勢壘二極管探測器。整個探測單元安裝在直徑約2.54 cm的硅片上，探測器靈敏窗的面積為1.27 cm×1.27 cm。硅片的另一面經(jīng)過拋光處理后，蒸鍍兩組互相絕緣且垂直的導(dǎo)體層(見圖3)，每個導(dǎo)體層與探測器的p型層形成一個二極管，導(dǎo)體層是探測信號的讀出通道。利用讀出通道和電路，可以確定低能電子的位置，探測精度取決于導(dǎo)體層的數(shù)目。在同樣的面積上，導(dǎo)體層數(shù)目越多，則探測器的位置分辨率越高［3］。

1990年，CRRES任務(wù)中利用衛(wèi)星上搭載的電子寬視場譜儀(Electron Proton wide Angle Spectrometer，EPAS)探測空間環(huán)境中的低能電子和質(zhì)子。該探測器系統(tǒng)由5個陣列式的固體探測器組成，每個探測器都配備了相應(yīng)的磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，以此來探測空間環(huán)境中的電子(21～285 keV)和質(zhì)子(37～3 200 keV)。粒子形成的圖像以及探測器的角分辨率受入射孔徑、磁極片及粒子在成像平面上的位置共同確定［4～6］。

圖3 復(fù)合型表面勢壘二極管探測器

在歐空局(ESA)的倡導(dǎo)下，PSI、Swiss Industry研制了一系列新型探測器REM(Radiation Environment Monitor)、SREM(Standard Radiation Environment Monitor)(見圖4)，用于空間低能帶電粒子(包括電子)輻射環(huán)境的探測。其中，REM搭載在 MIR國際空間站和 STRV1b衛(wèi)星，SREM搭載在 PROBA1、INTEGRAL和ROSETTA衛(wèi)星上。SREM有3個高精度的粒子探測器，探測誤差小于1%，可實時監(jiān)測較寬范圍內(nèi)的空間低能電子、質(zhì)子，并能通過航天器上的遙感系統(tǒng)向地面?zhèn)魉捅O(jiān)測數(shù)據(jù)。該探測器是一個標準的輻射環(huán)境探測器，具有通用接口，很容易應(yīng)用在空間帶電粒子探測活動中［7～10］。表1是SREM的主要參數(shù)。

表1 SREM的主要參數(shù)

2005年，CLUSTER和POLAR任務(wù)利用搭載的成像電子譜儀(IES，Imaging Electron Spectrometer)對空間低能電子進行探測。成像電子譜儀是針孔照相機，每個針孔照相機中有一個帶狀探測器，用于空間電子的探測，探測器所能探測的電子能量范圍是20～450 keV［11～15］。圖5是探測器的外觀，圖6是其工作原理圖?？臻g低能電子以不同的入射角通過入射孔進入相機，在3個微條固體探測器中沉積能量，產(chǎn)生脈沖信號。微條固體探測器與信號處理電路相連接，固體探測器中產(chǎn)生的脈沖信號通過放大、整形、鑒別、計數(shù)等處理過程后可獲得入射電子的能量及方向。

圖4 SREM外觀

圖5 成像電子譜儀

SOHO任務(wù)中利用搭載的低能粒子和電子探測器LION(Low Energy Ion and Electron instrument)，對空間環(huán)境中的低能質(zhì)子和電子進行探測［16］。LION探測器由2個望遠鏡探頭構(gòu)成，每個探頭由3個探測單元構(gòu)成，探測器中設(shè)置了掃描磁場，探測器所能探測的電子能量范圍為44～300 keV。

2006年，伯克利大學的研究人員利用低能離子注入工藝研制了入射窗很薄的硅二極管探測器，探測器具有極高的量子效率，并應(yīng)用在STEREO任務(wù)中的IMPACT Supra Thermal Electron(STE)探測器和THEMIS任務(wù)中的固體望遠鏡探測器。探測器用2 μm厚的磷摻雜型多晶硅形成很薄的入射窗，電子在入射窗中損失的能量約為350 eV。此外，為了消除雜散光對器件的干擾效應(yīng)，在多晶硅的表面又沉積了2 μm厚的鋁金屬層。該探測器的工藝結(jié)構(gòu)見圖7。整個探測器陣列安裝在厚315 μm、高阻抗的n型硅基底上。在STE中，探測單元按照一行四列的形式安裝，每個探測單元的面積為3 mm×3 mm。同時，在探測單元周圍設(shè)置多個護圈，逐步降低探測單元上的偏壓，移除探測器表面的漏電流。為了使探測單元和最里面的護圈之間沒有壓差，將最里面的護圈接地［見圖8(a)］。與STE中的探測器幾何結(jié)構(gòu)不同，THEMIS探測器［見圖8(b)］由單一的大面積像素(面積約1 cm2)組成，在它的周圍環(huán)繞著多個更小的像素和護圈。探測器靈敏層處于全耗盡狀態(tài)，這大大減小了探測器的漏電流，提高了探測效率。探測器所能探測的電子能量閾值為1.1 keV。將STE 冷卻到－90 ℃時，其能量分辨率可達700 eV［17～19］。

圖6 針孔照相機探測器示意圖

綜上，國外對空間低能電子的探測做了很多的工作，研制了各種類型的探測器，并將它們應(yīng)用于空間探測活動，取得了大量的探測數(shù)據(jù)，促進了人們對空間環(huán)境的了解。隨著新材料、新技術(shù)的發(fā)展，各種高性能、高可靠性的探測器將被送入太空，對空間環(huán)境中的低能電子進行更加準確、全面的探測，取得更大的進步和成果。

3 國內(nèi)空間低能電子探測技術(shù)的發(fā)展

與國外相比，我國對空間低能電子的探測活動起步較晚，但是我國也在積極努力減小差距，利用各種探測技術(shù)和手段，對空間環(huán)境中的低能電子進行探測。我國對空間低能電子的探測活動和相關(guān)的探測器主要有:

20世紀80年代末，我國利用自主研制的30°柱型靜電分析器探測空間低能電子。該靜電分析器通過衛(wèi)星的自旋或馬達的帶動來測量空間低能電子和質(zhì)子及其投射角分布。這種靜電分析器存在的問題是容易產(chǎn)生空間瞬間的投射角效應(yīng)，且靜電分析器本身的視場小，若想探測器獲得較大的視場和幾何因子，只能犧牲能量分辨率。為了彌補柱型靜電分析器的不足，研究人員研制了球狀靜電分析器。這種靜電分析器能同時測量從多個角度入射的粒子，并可進行2D和3D測量。然而，這種靜電分析器卻存在邊緣效應(yīng)，為了克服這個缺點，研究人員又研制了帶頂蓋的半球型靜電分析器，其主要特點是:極角接收范圍廣，可以擴展至360°，在不降低角分辨和能量分辨能力的條件下，能獲取大的幾何因子;其柱對稱性保證了極角響應(yīng)的均勻性，給數(shù)據(jù)處理帶來了方便;它既適用于自旋衛(wèi)星的2D或3D測量，也適用于無自旋衛(wèi)星的1D測量。由于其性能良好，因此被廣泛應(yīng)用在空間低能電子探測活動中。

圖8 STE和THEMIS探測器的結(jié)構(gòu)圖

1981年9月20日，我國將“實踐二號”科學試驗衛(wèi)星送入太空，該衛(wèi)星是一顆綜合性空間科學探測衛(wèi)星，其有效載荷半導(dǎo)體電子單向強度探測器和閃爍計數(shù)器對空間環(huán)境中的帶電粒子(包括低能電子)進行探測。

1994年2月8日，“實踐四號”發(fā)射成功。衛(wèi)星運行在近地點200 km，遠地點36 000 km，傾角28.5°的大橢圓軌道。衛(wèi)星上的有效載荷包括高能質(zhì)子重離子探測器、高能電子探測器、靜電分析器、表面電位探測器、靜態(tài)單粒子事件探測器和動態(tài)單粒子事件探測器。其中的靜電分析器是1/4球形靜電分析器，外殼直徑120 mm，內(nèi)殼直徑116 mm，主要用于探測空間低能電子，其所能探測電子的能量范圍是100 eV～40 keV。靜電分析器的功耗為1.4 W，質(zhì)量6 kg，偏壓為3 700 V，分為16個梯級，可以獲得16個電子能譜。靜電分析器的出口處有7個通道倍增器，分別測量7個方向的電子，獲得電子的角分布。衛(wèi)星在軌運行半年，探測器工作正常，獲得的結(jié)果對開展空間環(huán)境及其效應(yīng)研究、進行航天器工程設(shè)計等均有重要意義［20］。

1999年10月14日中巴合作的“資源一號”極軌衛(wèi)星發(fā)射成功。衛(wèi)星上搭載的有效載荷包括極光粒子探測器、粒子輻射探測器和CMOS輻射效應(yīng)測量儀。這3種有效載荷分別對空間環(huán)境中的低能帶電粒子(包括電子)、艙內(nèi)高能帶電粒子以及CMOS器件的輻射總劑量效應(yīng)進行探測，并獲得了很多重要的數(shù)據(jù)。

2001年1月10日發(fā)射的“神舟二號”飛船搭載了大氣密度探測器、大氣成分探測器、X射線探測器和γ射線探測器，飛船返回艙內(nèi)裝有固體探測器、輻射劑量儀等儀器，對空間環(huán)境中的各種粒子(包括低能電子)進行探測。

2002年12月30日發(fā)射的“神舟四號”首次對飛船軌道空間環(huán)境及其效應(yīng)進行全面監(jiān)測，為正式載人飛行摸清了空間環(huán)境狀況。飛船上搭載了很多探測器，包括高能電子探測器、高能質(zhì)子探測器、低能粒子探測器、表面電位探測器、大氣密度探測器、大氣成分探測器、單粒子事件探測器和固體徑跡探測器，其中的低能粒子探測器用于空間環(huán)境中低能電子、質(zhì)子及其他帶電粒子的探測［21］。

盡管我國對空間低能電子的探測活動較少，低能電子探測器及獲取的探測數(shù)據(jù)都很有限，但是還是取得了一定的成果，促進了我國空間探測活動的發(fā)展。

4 結(jié)束語

綜上所述，國內(nèi)外都積極采用了各種方法和探測器對空間環(huán)境中的低能電子進行探測。這些探測器的共同特點是:只能執(zhí)行單一的、比較特殊的任務(wù)，很難進行可適應(yīng)性改造;探測速率低，能量范圍小，能量分辨率差;探測器具有較大的尺寸、質(zhì)量和功耗;開發(fā)成本高。

而隨著空間探測活動的開展，各種長壽命航天器(衛(wèi)星)的需求與日俱增。這對搭載的空間低能電子探測器提出了更高的要求。

1)能量范圍:幾電子伏至幾十千電子伏;

2)能量分辨率:幾十電子伏甚至更低;

3)計數(shù)率高;

4)功耗小，約幾百毫瓦;

5)尺寸小，質(zhì)量輕，經(jīng)過抗輻射加固設(shè)計;

6)成本低廉，設(shè)計優(yōu)化;

7)能有效消除本底干擾;

8)能適應(yīng)空間環(huán)境中的各種惡劣因素。

為了滿足上述要求，國內(nèi)外都在積極尋求新方法、新材料和新型高性能、高可靠性的探測器，對空間環(huán)境中的低能電子進行探測。這些方法和技術(shù)中，最有發(fā)展前景的探測器是硅微條探測器(Silicon Micro Strip Detector，SMSD)。

硅微條探測器是在N型硅片的表面，通過氧化和離子注入法、局部擴散法、表面位壘法及光刻等技術(shù)工藝制造，其表面是均勻平行的附有一層鋁膜的重攙雜P+微條。N型硅片的底面摻入雜質(zhì)后，制成N型重攙雜N+層，其外層也附有一層鋁，作為電極接觸。這樣制成了表面均勻、呈條形的PN結(jié)型單邊讀出探測器。中間的耗盡層是探測器的靈敏區(qū)，當在這些條型PN結(jié)加上負偏壓(反向偏壓)時，耗盡層在外加電場的作用下，隨著電壓升高而變厚。當電壓足夠高，耗盡層幾乎擴展到整個N－型硅片，探測器基本處于全耗盡狀態(tài)，此時，探測器的死層變得非常薄。因為探測器內(nèi)部可移動的載流子密度很低，而探測器本省的電阻率很高，所以探測器內(nèi)的漏電流很小(＜100 pA)。由于多晶硅的動態(tài)電阻與漏電流近似成反比，如長度為6 cm的硅微條，其動態(tài)電阻可達1 GΩ。如此大的電阻，導(dǎo)致外加偏壓幾乎全部加載到耗盡區(qū)上，在耗盡區(qū)中形成強度很高的電場。其特點是:位置分辨率高，是目前應(yīng)用的所有探測器中最高的，可以達到1.4 μm;能量分辨率高;線性范圍寬;響應(yīng)時間快，可達到5 ns，實現(xiàn)高計數(shù)率;探測器靈敏層的厚度通常為300 μm，很容易實現(xiàn)探測器的小型化。

綜上，隨著半導(dǎo)體工藝和集成電路技術(shù)的發(fā)展，硅微條探測器在未來的空間低能電子探測及其他帶電粒子探測中將得到廣泛應(yīng)用，推動空間帶電粒子探測的發(fā)展。

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