航天项目

• 高能质子传感器
• 紧凑型环境异常传感器（CEASE）
• 数字离子漂移仪（DIDM）
• 静电分析器探测器（ESA）
• 航天飞机电位和返回电子实验（SPREE）

Amptek 的航天仪器项目一览

高能质子传感器（HEP）

HEP 是一种高能质子望远镜，也是一种小型粒子望远镜，用于测量太空中穿透力很强的质子。HEP 可测量 25 到 440 MeV 之间的质子微分能谱和 440 MeV 以上的积分通量。该仪器小巧、轻便，适于太空飞行，结合了新型探测器材料、创新的传感器几何结构以及主被动两种屏蔽，可提供高穿透质子的精确测量结果。有关该仪器描述的论文已发表，并已被 Nucl. Instrum. Meth.A 接受。它的题目是“用于空间辐射研究的高能质子望远镜的设计、开发和校准”，作者 R.H. Redus, B.K. Dichter, M.R. Oberhardt, J.O.McGarity, J. Dalcolmo, S. Woolf, A.C.Huber, J.A. Pantazis.

前言

近地空间环境中的高能质子群对卫星的运行构成了极大的威胁。这些粒子会穿透航天器，对电子和光学元件造成电离辐射损害，并在数字电路中造成闩锁等单粒子效应。人类在测量和模拟地球辐射带中的高能质子方面已经作了重大努力，旨在理解和预测它们对空间系统的影响。尽管在这方面已经取得了重大进展，但人们对能量超过 100 MeV 的内辐射带质子群的了解仍然相对较少。特别是，标准 NASA 质子模型 AP8 必须外推至 100 MeV 以上的能量，因为在这些高能量下几乎没有可用的数据。HEP 用来测量高能质子群，以便开发出精确的基于数据的质子模型，供航天器设计人员和操作人员使用。

在轨测量地球磁层内部区域高能质子的能谱是一项重大的技术挑战。主要困难在于，所关心的量（即围绕某个方向的小立体角上的微分能量质子谱）必须在存在很大的全向穿透质子通量的情况下进行测量。显然，一个关键挑战是如何从大量孔径外质子中高效地区分孔径内质子信号。第二个测量挑战是仪器要尽可能地小巧、轻便，以便适于航天器飞行。一种蛮力方法，也就是设计一种具有足够探测器材料的仪器来阻挡超高能量的质子，会导致设计出来的仪器有几十厘米那么大，并且重量远远超过 10 kg。这对于今天的小型研究卫星来说太大了，而且闪烁体探测器的大尺寸使得它对孔径外的粒子非常敏感。

本文所述的高能质子望远镜（HEP）通过使用以下器件解决了这些难题：（1）薄半导体探测器和分段厚闪烁探测器（由相对较新的闪烁体 Gd2SiO5 制成）的独特组合，以测量入射质子的能量，（2）主动符合要求和被动屏蔽的组合，以减少对大全向通量的响应，以及（3）灵活的机载数据处理系统，以准确测量不可避免的非弹性核散射等复杂效应。HEP 可测量 22 个对数间隔的能量通道中 20 到 440 MeV 的质子的微分能谱和 440 MeV 以上的质子积分通量。它的角分辨率为 12° 全锥，高能质子的几何因子为 1.8×10-2 cm2-ster。HEP 还包括 26 个用于测量背景事件的数据通道。该仪器由两个盒子组成，一个尺寸为 10x10x7 cm3 的传感器头和一个尺寸为 10x10x8 cm3 的电子器件盒。总重量为 2.3 kg，总功耗为 2.5 瓦，总数据速率可以小于每秒 100 字节。

仪器操作

传感器的基本配置如图 1 所示。该传感器包括四个薄半导体探测器（SD），分别表示为 D1、D2、D3 和 D4（从前到后）、两个主闪烁体探测器 S1 和 S2 以及一个否决闪烁体探测器 S3。PIN 光电二极管用于测量每个闪烁体探测器中沉积的能量。该传感器还包括被动屏蔽和一个用于减少来自标称孔径外部通量的准直器以及一个用于减少孔径内低能电子和质子通量的降能器。

从图 2 可以看到仪器的工作方式，它显示了沉积在每个同轴探测器中的能量与入射质子能量之间的关系。该图显示了平均能量沉积的计算值。计算通过使用定制软件计算任意层数靶中的能量沉积并使用 Bragg-Kleeman 规则估计不在 Janni 表中的化合物和元素的阻止本领来实现。

SD 用于确定入射质子的近似能量范围。例如，来自 D1、D2 和 D3 的符合信号与来自 D4 的信号反符合，这意味着入射质子在后方闪烁体探测器 S2 中停止。通过降能器、D1、D2、S1 和 D3 到达 S2 所需的最小质子能量为 135 MeV，该值根据 Bethe-Bloch 模型计算得出，并通过校准测量验证。通过 S2 以及上述器件到达 D4 所需的最小能量为 185 MeV。因此，上面给出的探测器触发模式 (D1)&(D2)&(D3)&(非 D4) 意味着入射质子能量在 135 和 185 MeV 之间。S1 和 S2 这两个主闪烁体探测器中沉积的能量确定了每个范围内的确切能量。

图 3 基于与图 2 相同的计算显示了 S1 中沉积的能量与 S2 中沉积的能量之间的关系。实线显示了从前面进入的质子在前方闪烁体探测器 S1 中沉积的能量与在后方闪烁体探测器 S2 中沉积的能量之间的关系。如前所述，这条曲线分为三段，分别表示为 A、B 和 C。每个段对应于不同于 SD 的符合模式。HEP 利用被触发的 SD 模式的组合与闪烁体探测器中沉积的能量来唯一地确定入射质子的能量。

质子也可能从后面进入，这将触发 SD 并在闪烁体探测器中沉积能量。图 3 中的虚线显示了这些后入射质子的能量沉积和探测器触发模式，这与入射能量低于约 300 MeV 的前入射质子有所不同。

固态探测器的尺寸决定了角度接收光锥区，因此，如果仪器扫过俯仰角，就可以测量质子的角度分布。对于必须通过所有四个探测器的 C 型质子，D1 和 D4 的半径和间距定义了一个半角为 12° 的接收光锥区。HEP 几何特性的总结如表 1 所示。

表 1.HEP 孔径内通道和几何特性概述。

SD 之间的同步信号要求确保了粒子通过所需的接收光锥区。否决闪烁体探测器 S3 被用来拒绝来自所需接收光锥区之外的粒子，否则可能会触发符合逻辑。仪器还使用了被动屏蔽，它由侧面 5 mm 的铜（60 MeV 的质子范围）、后面 13 mm 的铜（100 MeV 的质子范围）和前面 13 mm 的铜和 2.5 mm 的钨（130 MeV质子范围）组成。这种无源屏蔽减少了全向通量，最大限度地减少了偶然的巧合和脉冲堆积。即使有这种屏蔽，根据 AP8 模型计算出的入射在 S3 上的质子通量（在 4p 立体角上积分）也为 140,000 sec-1。粒子进入 S1 和 S2 的通量预计超过 100,000 sec-1。相比之下，20 MeV 以上孔径内质子的平均通量预计只有 300 sec-1。

表 2 总结了 HEP 探测器的主要特性、能量沉积和根据 AP8 模型估计的计数率。第一行显示了同轴质子到达探测器所需的最小入射能量。S3 值是离轴质子的值。第二行显示了每个探测器中沉积的最大能量，而第三行显示了根据各向同性 AP8 模型估计的最大计数率。

表 2.HEP 探测器响应的主要特性概述。

理想情况下，所有孔径内质子都会沉积能量，如图 2 和 3 所示，孔径外质子不会触发符合逻辑。然而，由于相互作用过程中的统计波动和这些能量下很常见的非弹性核散射事件，孔径内的质子不可避免地会偏离图 2 和图 3 所示的模式。在某些轨道上，以正确能量入射的孔径外质子将穿透 HEP 准直器并被符合逻辑所接受。两个或多个探测器的随机、偶然、同时触发有可能会产生假信号。这些类别的事件形成了一个“背景”，必须对其进行量化，以获得入射光谱的准确数据。HEP 设计用于最小化这些背景事件，但不能消除它们。HEP 对这些事件类别的响应已经在地面校准中进行了建模和测量。HEP 数据处理系统的作用是对这些“背景”事件类型进行在轨测量，以便为这些事件确定校正系数。

测量这些背景事件有三种主要方法。首先，许多这类事件都会在 S1 和 S2 闪烁体探测器中产生能量沉积，这些能量沉积不在图 3 所示的曲线上。高达 20% 通过 HEP 的质子会发生核相互作用，产生一种能量沉积模式，这种模式不同于用 Bethe-Bloch 公式计算出的模式。例如，一个 160 MeV 的质子通常会停在 S2 中。如果它在 S2 中发生核相互作用，则它将在 S1 中沉积预期的能量，但在 S2 中沉积的能量较少。在 S1S2 平面“B”段下方有一个区域对应于这种核相互作用。HEP 包括 26 个“背景”数据通道，每个通道都可以对应 S1S2 平面的任意部分，用于测量从后面穿透的粒子、核相互作用和其他效应。第二，产生假信号（其逻辑模式和 S1S2 沉积与孔径内粒子匹配）的相同离轴穿透粒子群也会产生具有不同逻辑模式的信号。因此，HEP 可以返回与预期逻辑不匹配的计数数量，例如，其返回的计数具有与上面的“C”段一致的能量沉积但与“A”一致的逻辑模式。第三，为了量化由于错误否决而丢失或受脉冲堆积影响的脉冲的比例，每个探测器和每个逻辑模式的原始计数率都会被测量。

虽然 HEP 主要用来测量高能质子，但它也可以用来测量高能电子。能量超过 1 MeV 的电子足以穿透铜降能器、D1 和 D2。1-10 MeV 的电子几乎是最小的电离粒子，因此通常会在 D1 和 D2 中沉积相对较少的能量，而在 S1 闪烁体探测器中沉积极少的能量。在 25 MeV 左右的窄能量范围内的质子也会触发 D1 和 D2，而不会在 S1 中沉积太多能量，但是这些质子接近 Bragg 曲线的峰值，因此会在 D1 和 D2 中沉积大量能量。足以在 D1 和 D2 中发生低能量沉积的质子会在 S1 中沉积大量能量。因此，HEP 结合了 S1 脉冲高度分析（要求 6.6 MeV 以下的沉积）和 D1 和 D2 中的脉冲高度分析（要求 0.2 到 2 MeV 之间的同时沉积）来测量高能电子的通量。

HEP 对在轨质子环境的响应相当复杂，但我们对它进行了建模，模型结果与所有校准和实验结果非常吻合。一些复杂的响应，例如由于非弹性核散射或穿透准直器边缘造成的响应，是高能质子相互作用的必然结果。其他一些复杂的响应是由于太空飞行的实际需要（例如有限的屏蔽质量、有限的信号带宽等）造成。HEP 小巧、轻便，适于太空飞行，结合了新型探测器材料、创新的传感器几何结构、主被动两种屏蔽以及灵活的数据处理方案，可提供迄今为止最精确的高穿透质子的测量结果。

如果将 HEP 原始计数率乘以一个考虑到几何因子和非弹性核散射损失的因子，那么对于大约 80 MeV 以上的同位素质子群，结果应该非常准确。在较低能量和损失锥中会有更大的不确定性。对死区时间、堆积和离轴穿透的额外校正可以进一步降低不确定性。最重要的是，HEP 允许测量由核散射、脉冲堆积、孔径外穿透等引起的校正因子。这将为内带中高能质子的测量提供迄今为止最精确的结果。

鸣谢

本研究由美国空军物资司令部 AFRL/VSBS 根据合同 F19628-95-C-0227 赞助。我们想要感谢布鲁克海文国家实验室，特别是交变梯度同步加速器 B2 测试光束的工作人员，特别是 Alan Carroll 和 Craig Woody，为我们在高能量校准和租借重要设备方面提供的支持。我们还要感谢哈佛回旋加速器实验室，特别是 Ethan Cascio 为我们在获取低能量校准数据方面提供的支持。

紧凑型环境异常传感器（CEASE）

CEASE 概述

CEASE 是一种小型低功耗仪器，可为操作人员提供经过处理的实时原位测量，并自动生成空间辐射环境威胁警报。CEASE 可向主航天器报告以下威胁：

• 电离辐射剂量和剂量率
• 单粒子效应
• 表面和深层充电

S/C 操作员可以利用这些信息采取适当的行动，以免危及任务的执行。如果需要，该仪器还可提供前 72 小时内入射在航天器上粒子通量的详细数据。一旦发生异常，这一功能将使航天器操作员有足够的数据来分析和理解导致异常的原因。

CEASE 是一种标准操作仪器，可在所有航天器上使用。该仪器的机械和电子器件具有尺寸小、功耗低、可靠性高和耐辐射性的特点，使 CEASE 几乎适合所有航天器和飞行任务。仪器的机载智能允许仪器长期无人值守运行，可根据需要给 S/C 操作员提供尽可能多或尽可能少的信息。

CEASE 的首次飞行是在 2000 年 6 月 7 日，搭载在 TSX 5 航天器上，接着是在 2000 年 11 月 15 日进行了第二次发射，搭载在空间技术研究飞行器 2 号上。下次发射定于 2001 年第一季度，将搭载在国防支持计划（DSP）航天器上。

Amptek 感谢美国空军、空间物理部、地球物理局、菲利普斯实验室的支持以及 SAIC 在 CEASE 项目中所做的贡献。

数字离子漂移仪（DIDM）

航天器环境监测仪器

数字离子漂移仪（DIDM）被设计用于测量航天器位置处环境离子的速度矢量。它还可测量离子密度和温度。局部电场强度可以通过电场、离子漂移速度和由机载磁力计测得的磁场之间的关系来获得。

描述

DIDM-1000 系列由两个直接安装在电子器件外壳上的传感器组成。传感器可以指向最适合仪器位置和感兴趣离子种类的方向。通过在仪器内安装专用接口卡，可以连接不同类型的航天器接口。

工作原理

入射离子被聚焦在微通道板（MCP）探测器上，其工作方式类似于一个针孔照相机。轨迹由微通道板输出在楔形和带状阳极上的撞击位置决定。阳极提供了入射离子轨迹的方位角和仰角分量，它们也对应于速度分量。法向速度分量由仪器的减速电位分析仪功能单独确定。

性能

该仪器具有最先进的组件、探测器技术、数据处理能力和测量分辨率。它的性能比同类模拟仪器至少高两个数量级。

 静电分析器探测器（ESA）

Amptek 为国防气象卫星计划（DMSP）卫星制造了SSJ/4 和 SSJ/5 仪器。它们是专门为卫星和空间系统设计的静电分析器探测器（ESA），用于探测和分析电子和离子，并提供关于入射粒子角度分布的信息。ESA 的小尺寸、低功耗、辐射硬化和高可靠性特点使它成为测量磁层带电粒子环境和监测航天器充电事件的理想选择。

SSJ4（ESA-200）是一种圆柱板式的模块化仪器，可检测电子、离子或两者。待分析粒子的能量可以从几 eV 到 60 keV 不等。ESA-200 包括 ESA 板、通道电子倍增器（CEM）探测器、用于驱动分析板并向探测器提供偏压的精密高压发生器以及与航天器相连接的输出逻辑。

SSJ5（ESA-500）也采用模块化设计，但是使用嵌套的球形偏转板系统来同时分析 90° 视场内的电子和离子。它使用了一个适于太空的微处理器，可自定义数据速率、测量范围、机载存储和特定分析算法，如极光边界检测或实时充电测量。

Amptek 到目前为止为 DMSP 项目交付的 SSJ4 和 SSJ5 仪器总计 18 台。

航天飞机电位和返回电子实验（SPREE）

J.O. McGarity, D.J.Sperry, A.W. Everest III, A. Huber, J. Pantazis
Amptek, Inc., 6 De Angelo Drive, Bedford, MA 01730

M.R. Oberhardt, D. A. Hardy, 和 W.E.Slutter
菲利普斯实验室、地球物理局、马萨诸塞州汉斯科姆空军基地 01730-5000

M. P. Gough
布莱顿苏塞克斯大学工程与应用科学学院，BN1 9QT, U K

摘要

航天飞机电位和返回电子实验（SPREE）是一个等离子体诊断系统，是美国航天局/意大利/美国空军系留卫星系统 1（TSS-1）的一部分，搭载在航天飞机有效载荷舱中。SPREE 可测量离子和电子粒子通量的能量和角度特征，并处理这些数据以识别波-粒子之间的相互作用（WPI）。SPREE 收集的数据对于量化 TSS-1 的电动力学行为是不可或缺的。该系统由一个基于多微处理器的数据处理单元（DPU）、一对安装在旋转平台上的嵌套式三方形非球面静电分析器、一个空间粒子相关器系统和两个适于太空的高密度（> 2gb）数据记录器组成。静电分析器在一个 100°角的扇形上同时测量电子和离子，该扇形被分成 10 个 10°宽的区域。可编程扫描高压电源提供了 32 个对数间隔的偏转电压，可覆盖 10 eV 至 10 keV 的能量范围。旋转工作台使分析器能够从航天飞机舱看到所有角度。分析器在 10E3 至 10E12 粒子/cm² 粒子通量和 0 至 10 MHz WPI 的动态范围内工作。SPREE 能够在具有高压浪涌（> 2×10E-4 托）、有效电子束和射频脉冲的环境中工作。在这些条件下，SPREE DPU 使用机载算法来评估和报告航天飞机相对于当地等离子体的电荷水平。

前言

航天飞机电位和返回电子实验（SPREE）被设计为系留卫星系统（TSS-1）仪器的一部分。它于 1992 年 8 月随航天飞机（STS-46）飞向太空。TSS-1 系统由一颗可部署卫星和一套安装在航天飞机舱和卫星上的仪器组成。通过使用导电系绳，卫星被部署到距离航天飞机大约 20 公里的地方。当导电系绳穿过地球磁场时，会产生一个电动势，从而在驱动卫星和航天飞机之间产生一个电流。如果该电流允许流动，它会通过负载电阻流到航天飞机接地端或发射收集电流的电子枪1,2,3。由这两种配置中的任何一种引起的电荷不平衡都会导致航天飞机充电，SPREE 会对这种充电进行测量和报告。

当卫星部署好后，TSS-1 上的电子束系统可以在高达几千伏的电压下发射高达 500 mA 的电流。甚至在 256 米处的局部位置也达到了大约 50 伏和 15 mA 的电流。几千瓦电子束可能通过波-粒子相互作用（WPI）与周围等离子体相互作用，产生等离子体加热以及其他扰动。航天飞机周围的局部磁场方向或鞘层电位的发展可能导致很大一部分电子束返回到航天飞机。我们偶尔会观察到电子通量比局部等离子体提供的通量大许多个数量级。这些返回电流使航天飞机接地相对于周围的等离子体呈负值。

TSS-1 飞行任务的 SPREE 具体目标是：

• 在 TSS-1 飞行任务的所有阶段监测航天飞机的地面电位
• 根据 TSS-1 电子束系统的运行，确定返回到航天飞机的返回电流
• 在测量的粒子分布函数中，指定在 TSS-1 运行期间发生相干波-粒子相互作用或其他周期性行为的能量和角度

SPREE 系统建立在为 Ampte、Giotto 和 CRRES 卫星开发的探测器和 DPU 技术的基础上。SPREE 系统由四个主要的子系统组成：

1. 一对安装在旋转台上的嵌套式三方形球面静电分析器（ESA），用于测量 10 eV 至 10 keV 的电子和离子通量，视角为 2π 立体角。
2. 一个空间粒子相关器（SPACE），用于测量电子和离子通量的调制。
3. 一对高密度数字磁带录音机。
4. 一个基于多微处理器的 DPU，设计用于控制其他子系统，执行航天飞机电位的在轨实时测定，并处理航天飞机的命令、动力和遥测接口。

（节选结束）