专利名称：深空探测x射线谱仪本底抑制方法
技术领域：
本发明涉及深空探测技术领域，是一种深空探测x射线谱仪本底抑制 方法，在深空环境下，x射线谱仪系统处理低信噪比的核物理信号时，综
合应用多种技术以抑制本底提取微弱信号的一种方法。
背景技术：
深空X射线谱仪，是专用于深空X射线探测的仪器。 一台空间X射线 探测仪器通常是由准直器、探测器(传感器)、放大器、AD转换器、处理 器和其他人机交互组件等组成。当有X射线光子经由准直器进入探测器灵 敏区域后，会产生相应电流/电压，通过放大，采集数据并显示出来。但 是，宇宙中弥漫的各种带电粒子同样也会从与信号输入相同的输入通道进 入系统，被电路采集到，形成噪声。不仅如此，噪声干扰还会从非信号通 道进入系统，损坏有效信号使其不能被采集到，或者采集结果有偏差，甚 至被误认为是有效信号而被采集，从而对分辨有效信号产生困难。深空探 测X射线谱仪在空间环境下本底干扰复杂，有用信号的信噪比低，迫切需 要解决这个技术难题
发明内容
本发明的目的是提供一套综合应用多种本底抑制技术，可解决在深空 探测中，复杂辐射环境下，低能X射线探测所面临的强干扰、低信噪比技 术困难，适用于深空X射线探测仪器的本底屏蔽与抑制和弱信号的提取。
为达到上述目的，本发明所采用的技术解决方案是
一种深空探测X射线谱仪本底抑制方法，适用于深空复杂辐射环境下 探测低能X射线弱信号的辐射屏蔽与本底抑制；其包括步骤
A) 使用具有强度磁场分布的准直器降低辐射背景在仪器的入射窗口 设置带有磁场分布的准直器，以阻止噪声信号的进入；
B) 使用幅度分析反符合方法减轻噪声污染和降低计数率在仪器内部 设置幅度分析反符合电路，针对信号能量的大小，使用幅度分析的反符合 技术抑制电信号中的噪声，同时降低计数率；
C) 应用多路通道隔离技术多路通道隔离电路通过控制幅度分析反符 合电路中的单稳态器件，把噪声高的信号通道关闭，降低仪器总的噪声。
所述的本底抑制方法，其所述准直器，是一个筒状体，上下两面敞开，
为圆筒或方筒，周壁是四层材料的复合结构；复合结构，由内而外为碳纤 维、铷铁硼、软铁、铝材料层，不同材料层间以环氧树脂胶粘连固接；准 直器一端开口朝向外太空，以接收空间X射线光子，另一端开口与探测器 表面平行放置，位于探测器前端。
所述的本底抑制方法，其所述用具有强度磁场分布的准直器，是指复 合结构壁中的铷铁硼永磁铁的磁场强度，对于l-80keV的空间电子屏蔽， 铷铁硼永磁铁的磁场强度在280高斯-320高斯之间，且磁场的分布均匀。 所述的本底抑制方法，其所述使用幅度分析反符合方法减轻噪声污染和降低计数率，是在噪声信号远远多于有效信号的情况下，使模拟信号通 道处于常关状态，避免噪声信号输入后级，降低计数率；
幅度分析反符合电路包括单道分析器、多路模拟开关和单稳态器件， 两单道分析器输入端分别与滤波成形电路输出端、主放大器输入端电连 接，两单道分析器输出端分别与单稳态器件电连接，单稳态器件输出端与 开关电连接，开关控制主放大器与峰值保持电路之间的通断； 一单道分析 器含有上阈比较器，另一单道分析器含有下阈比较器，幅度范围在上、下 阈值内的信号触发模拟信号通道打开通过，配合单稳态，进入后级电路。
所述的本底抑制方法，其所述多路通道隔离电路，是使用单片机和锁 存器组成通道隔离电路，通道隔离电路输出端与单稳态器件电连接，实现 把产生高噪声的探测器信号从共用通道上隔离出去，降低噪声干扰。
所述的本底抑制方法，其所述单片机型号为80C196,锁存器型号为 54HC373。
所述的本底抑制方法，其所述多路通道隔离电路需软件配合控制单片 机，单片机内预先拷入专门编写的控制软件；控制软件在正常工作时，接 收通过串行总线发送来的控制指令，按照指令要求控制CPU的I/O 口为高 电平或者低电平，进而达到开启通道或隔离通道的目的；在软件加电初始 化时，会赋予I/0 口一个缺省的工作状态，此时所有通道全部打开。
一种所述的本底抑制方法使用的电路，其探测器与放大器相连接，放大 器包括低噪声前置灵敏放大器、带通滤波成形放大器和主放大器三部分， 依次与探测器相连接，再接入幅度分析反符合电路，然后进入A/D转换电 路；其幅度分析反符合电路，没有符合要求的信号输入时，信号共用通道 处于常关状态，切断噪声的输入，只有幅度符合要求的信号才能够进入信 号共用通道。
所述的本底抑制方法使用的电路，其还包括针对多路传感信号的实际 要求，设计了可开关任何一路的多路通道隔离电路，使用单片机和锁存器 组成通道隔离功能，通过通讯通路指令指示微处理器控制门电路实现把产 生高噪声的探测器信号从共用通道上隔离出去，降低噪声干扰。
本发明的有益效果是磁场结构对空间带电粒子屏蔽效果明显，适应 深空探测任务中，面对复杂的辐射环境；磁场结构具体实现简单，而且无 明显磁场外漏现象，不会对外部造成磁场环境污染；有效抑制进入探测器
的电信号噪声，降低计数率，适应探测低能x射线产生的低信噪比信号要
求；重量轻体积小，适合空间探测约束；通道控制灵活，在降低噪声污染 的同时还具有了故障隔离的效果。
图1是本发明噪声屏蔽、幅度分析反符合技术和通道隔离技术的电原 理总图。
图2a是本发明中抑制入射窗口带电辐射本底所采用的磁屏蔽准直器 结构模型的立体图2b是本发明中抑制入射窗口带电辐射本底所采用的磁屏蔽准直器 结构模型的俯视图。
具体实施例方式
本发明深空探测X射线谱仪本底抑制方法包括三个部分，首先是，在 仪器的入射窗口设计了带有磁场分布的准直器，以阻止噪声信号的进入。 根据实际需要准直器的结构可以设计为圆桶形或方桶形，本发明中准直器 设计为方筒状的长方体。通常的准直器是单一的金属材料，为了能更好的 屏蔽空间带电粒子和二次粒子，本发明设计为四层复合结构，由内到外分 别为碳纤维、铷铁硼、软铁、铝材料层。在应用中，可以根据实际的效果 采用更多的结构层。由于在准直器中有软铁、铷铁硼材料，所以可以在准 直器的内腔构造出具有一定强度和均匀分布的磁场，强度300高斯左右， 可以根据实际需要增加或减少。由于采用软铁材料可以使得在准直器外部 几乎没有磁场泄漏。其次是，本发明在仪器内部设计了幅度分析反符合技 术，可以针对信号能量的大小，使用幅度分析的反符合技术抑制电信号中 的噪声。通常在噪声不是太显著的情况下，利用幅度分析的反符合技术， 使得模拟信号通道处于常开状态，有噪声产生就关闭模拟信号通道。在实 际中遇到的是噪声信号远远多于有效信号的情况下，适用本发明中的模拟 信号通道处于常关状态的幅度分析反符合技术，有效避免了噪声信号输入 后级。幅度分析反符合电路的主要组成部分是单道分析器、多路模拟开关 和单稳态。单道分析器主要由上阈和下阈比较器组成，作用是把幅度范围 在上下阈值内的信号才允许模拟信号通道打开通过，配合单稳态，可以使 得模拟信号通道平常处于关闭状态，而幅度符合的信号才能进入后面的电 路。最后，由于多路信号共用模拟放大通路的特点，使得单路损坏或噪声 变高就会相互干扰，为防止多通道之间的噪声干扰，利用多路通道隔离技术，把噪声高的信号通道关闭，降低仪器总的噪声。多路通道隔离技术的 通过控制幅度分析反符合电路的单稳态器件起作用的，其组成器件主要有
通用单片机和锁存器。单片机本设计中选择的是80C196,锁存器可用 54HC373。多路通道隔离技术需要软件配合控制单片机。软件是中科院高 能所专门为本系统研制开发的，功能是配合硬件完成采集和通道隔离功 能，性能上着重于软件的可靠性设计。首先在软件结构划分上采用模块化 分解方法降低各模块之间的耦合度；在存储空间的安排上把未用空间填充 进固定值，设置软件陷阱，使软件可以从错误状态自动恢复；.重要高的数 据采用信息冗余措施实现检错功能，防止发出错误操作；对于关键性的控 制信号输出采用定时重复输出方式，可以有效防止元器件由于漏电及其他 偶然因素造成的状态失锁。
下面结合图1和图2a和图2b对本技术作进一步说明。 图1是本发明中噪声抑制技术的电路原理图。在图1中，探测器1， 带磁场的准直器结构2，放大器3，滤波成形电路4，主放大器5，幅度分 析反符合电路6，多路隔离7，仪器外壳8。
由虚线框所示的带磁场的准直器结构2的一端开口朝向外太空，另一 端开口端面与探测器1表面平行放置于探测器1前端，屏蔽了进入探测器 l的带电粒子，如图2a、 b所示。放大器3与滤波成形电路4降低噪声， 主放大器5进一步放大信号。反符合电路6利用幅度分析的方法，采集具 有探测幅度范围内的信号。多通道隔离7可以根据需要任意隔离或开通探 测器1的信号输入。所有电路都被仪器的金属外壳8屏蔽。探测器不是简单的与放大器相连接，而是把放大器部分设计为低噪声 前置灵敏放大器、带通滤波成形放大器和主放大器三个主要部分，依次与 探测器相连接，再接入幅度分析反符合电路，然后进入A/D转换电路(图 中没示出)。这样一种配置减少了连接的分布参数干扰，有利于从源头上 减少噪声的产生。带通滤波成形放大器可以充分滤除噪声，提高信噪比和 计数率。在电路实现上，本发明的关键要点之一就是幅度分析反符合电路， 没有符合要求的的信号输入时，信号共用通道处于常关状态，切断噪声的 输入，只有幅度符合要求的信号进入的瞬间约几十微妙的时间范围才能够 进入信号共用通道。这样就减少了噪声污染，降低了采集数据量，进而减 轻了对电子学和软件的处理压力。本发明的另一个关键要点之一是针对多 路传感信号的实际要求，设计了可开关多路信号的通道隔离技术。技术上 使用单片机和锁存器组成通道隔离功能，通过通讯通路指令指示微处理器 控制门电路实现把产生高噪声的探测器信号从共用通道上隔离出去，降低 噪声干扰。
带有一定强度的磁场分布的准直器结构也是本发明的一个关键要点。
图2a是抑制入射窗口带电辐射本底所采用的磁屏蔽准直器结构模型的立 体图，这是一个有上面开口 13、下面开口 14，中间空腔上下贯通，侧面 覆盖四层材料的结构。图2b中，碳纤维内壁9，铷铁硼磁铁层10，防磁 外漏软铁层ll，铝外壁12。
本发明的深空探测X射线谱仪本底抑制方法，在仪器的准直器设计上 采用由外到内分别由铝、铷铁硼、软铁和碳纤维板等材料构成的多层结构， 其中，铷铁硼永磁铁用来产生尽量均匀和平均场强达到一定要求的磁场，从而使带电粒子在到达X射线探测器之前就被偏转到准直器壁上，从而极 大地减少了仪器的本底噪声。其中，铷铁硼磁铁的磁场强度视具体情况而
定，且要求场强均匀，对于l-80keV的空间电子屏蔽，准直器中铷铁硼磁 铁的平均磁场强度要求在280高斯-300高斯范围内。另外，通过在铷铁硼 永磁铁外装配软铁，可以有效地减少磁场的外漏，避免漏磁对外部环境的 影响，在内部添加碳纤维材料则可以对屏蔽过程中产生的次级粒子进行有 效的吸收。金属外壳与外部地电位充分欧姆接触。在探测器的开窗口装配 高反光率的铝薄膜，屏蔽可见光及其他热辐射，这些屏蔽措施从干扰通道 上减少了进入探测器的辐射本底干扰。
权利要求
1.一种深空探测X射线谱仪本底抑制方法，适用于深空复杂辐射环境下探测低能X射线弱信号的辐射屏蔽与本底抑制；其特征是包括步骤A)使用具有强度磁场分布的准直器降低辐射背景在仪器的入射窗口设置带有磁场分布的准直器，以阻止噪声信号的进入；B)使用幅度分析反符合方法减轻噪声污染和降低计数率在仪器内部设置幅度分析反符合电路，针对信号能量的大小，使用幅度分析的反符合技术抑制电信号中的噪声，同时降低计数率；C)应用多路通道隔离技术多路通道隔离电路通过控制幅度分析反符合电路中的单稳态器件，把噪声高的信号通道关闭，降低仪器总的噪声。
2. 根据权利要求1所述的本底抑制方法，其特征是所述准直器， 是一个筒状体，上下两面敞开，为圆筒或方筒，周壁是四层材料的复合结 构；复合结构，由内而外为碳纤维、铷铁硼、软铁、铝材料层，不同材料 层间以环氧树脂胶粘连固接；准直器一端开口朝向外太空，以接收空间X 射线光子，另一端开口与探测器表面平行放置，位于探测器前端。
3. 根据权利要求1或2所述的本底抑制方法，其特征是所述用具有强度磁场分布的准直器，是指复合结构壁中的铷铁硼永磁铁的磁场强 度，对于l-80keV的空间电子屏蔽，铷铁硼永磁铁的磁场强度在280高斯-320高斯之间，且磁场的分布均匀。
4.根据权利要求1所述的本底抑制方法，其特征是所述使用幅度分 析反符合方法减轻噪声污染和降低计数率，是在噪声信号远远多于有效信号的情况下，使模拟信号通道处于常关状态，避免噪声信号输入后级，降 低计数率；幅度分析反符合电路包括单道分析器、多路模拟开关和单稳态器件， 两单道分析器输入端分别与滤波成形电路输出端、主放大器输入端电连 接，两单道分析器输出端分别与单稳态器件电连接，单稳态器件输出端与 开关电连接，开关控制主放大器与峰值保持电路之间的通断； 一单道分析器含有上阈比较器，另一单道分析器含有下阈比较器，幅度范围在上、下 阈值内的信号触发模拟信号通道打开通过，配合单稳态，进入后级电路。
5. 根据权利要求1所述的本底抑制方法，其特征是所述多路通道隔 离电路，是使用单片机和锁存器组成通道隔离电路，通道隔离电路输出端 与单稳态器件电连接，实现把产生高噪声的探测器信号从共用通道上隔离 出去，降低噪声干扰。
6. 根据权利要求5所述的本底抑制方法，其特征是所述单片机型号为80C196,锁存器型号为54HC373。
7.根据权利要求l、 5或6所述的本底抑制方法，其特征是所述多 路通道隔离电路需软件配合控制单片机，单片机内预先拷入专门编写的控 制软件；控制软件在正常工作时，接收通过串行总线发送来的控制指令， 按照指令要求控制CPU的I/O 口为高电平或者低电平，进而达到开启通道 或隔离通道的目的；在软件加电初始化时，会赋予I/0 口一个缺省的工作形放大器和主放大器三部分，依次与探测器相连接，再接入幅度分析反符 合电路，然后进入A/D转换电路；其幅度分析反符合电路，没有符合要求的信号输入时，信号共用通道 处于常关状态，切断噪声的输入，只有幅度符合要求的信号才能够进入信 号共用通道。
8.
9.根据权利要求8所述的本底抑制方法使用的电路，其特征是还包 括针对多路传感信号的实际要求，设计了可开关任何一路的多路通道隔离 电路，使用单片机和锁存器组成通道隔离功能，通过通讯通路指令指示微 处理器控制门电路实现把产生高噪声的探测器信号从共用通道上隔离出 去，降低噪声干扰。
全文摘要
一种应用于深空探测X射线谱仪的本底抑制方法，涉及深空探测的抗辐照技术，包括步骤A)使用具有强度磁场分布的准直器降低辐射背景；B)使用幅度分析反符合方法减轻噪声污染和降低计数率；C)应用多路通道隔离技术，把噪声高的信号通道关闭，降低仪器总的噪声。本发明方法综合利用带有磁场的准直器屏蔽背景粒子、幅度分析反符合和多路通道隔离技术进行仪器本底抑制。
文档编号G01T1/00GK101587191SQ200810112208
公开日2009年11月25日 申请日期2008年5月21日 优先权日2008年5月21日
发明者崔兴柱, 张家宇, 张承模, 彭文溪, 曹学蕾, 杨家卫, 梁晓华, 汪锦州, 王焕玉, 勇 陈, 旻 高 申请人:中国科学院高能物理研究所