一种微型空间星体表面元素探测装置

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1.本发明属于空间探测技术领域，具体涉及一种微型空间星体表面元素探测装置，可用于高效探测星体表面k、si、mg、th、h、o、fe、ti的含量和分布情况。


背景技术：

2.探测星体表面物质组分，获取主要元素在星体表面的分布情况，用以研究星体的地质演化和寻找与人类生存依赖的水资源，为人类将来在在星体的进一步探测研究和登陆作必要的储备。深空探测平台资源十分有限，造价极其昂贵，需要轻量化、小型化和高效的探测设备来实现对星体表面主要元素的组分和分布情况进行观测。因此，设计一种体积小、重量轻、性能优越的主要元素探测装置来实现星体表面元素的组成和分布情况是很有必要的，也是将来进行更远距离的深空探测的需要。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种微型空间星体表面元素探测装置。
4.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
5.一种微型空间星体表面元素探测装置，包括晶体探测模块、光电转换模块和后端电子学模块，所述晶体探测模块、光电转换模块和后端电子学模块集成在镁合金主体的空腔内部；所述晶体探测模块包括一个cebr3晶体和四块反符合塑料闪烁体；所述cebr3晶体呈圆柱体结构，cebr3晶体表面除了出光面均包覆有反射膜，包覆反射膜的cebr3晶体嵌入在铝合金壳体里，cebr3晶体与铝合金壳体之间充满缓冲胶体；所述四块反符合塑料闪烁体分布在cebr3晶体周围，反符合塑料闪烁体表面包覆有反射膜，从五个方向覆盖住封装后的cebr3晶体，所述反符合塑料闪烁体分别嵌入在铝合金壳体里，反符合塑料闪烁体与铝合金壳体之间充满缓冲胶体；所述光电转换模块包括一套3inpmt(3英寸pmt)和四套相同的1inpmt(1英寸pmt)，1inpmt均匀分布在3inpmt四周，所述3inpmt和四套1inpmt均嵌入在镁合金壳体内部，每个pmt与镁合金壳体之间充满缓冲胶体，所述镁合金壳体固定在镁合金主体内部；所述3inpmt与cebr3晶体匹配，以用于将cebr3晶体的光信号转换为电信号；四套1inpmt分别与四块反符合塑料闪烁体匹配，用于将反符合塑料闪烁体的光信号转换为电信号；所述后端电子学模块通过线缆与光电转换模块连接，包括控制模块、放大器模块和数据处理传输模块，用于处理和传输光电转换模块的电信号。
6.进一步的，所述cebr3晶体的规格为
7.进一步的，所述1inpmt的base板通过支架与镁合金壳体固定，3inpmt的base板通过螺钉与镁合金壳体固定。
8.进一步的，所述镁合金壳体通过螺钉固定安装在镁合金主体内；所述晶体探测模块和后端电子学模块分别通过螺钉安装在镁合金主体内。
9.进一步的，所述镁合金主体与镁合金壳体的材料均采用高强度镁合金mb8或
az40m。
10.进一步的，所述镁合金主体与镁合金壳体均进行黑色阳极化处理，使得其辐射系数≥0.85。
11.进一步的，所述镁合金主体为内有空腔的长方体结构，所述晶体探测模块、光电转换模块和后端电子学模块高度集成在镁合金主体的空腔内部，实现包络尺寸小型化，包络尺寸：200mmx160mmx157mm，探测装置总重量为4.5kg。
12.进一步的，所述探测装置可用于高效探测星体表面k、si、mg、th、h、o、fe、ti的含量和分布情况。
13.进一步的，所述探测装置的能量分辨率优于4％@662kev。
14.进一步的，所述cebr3晶体的出光面用光耦合胶和玻璃盖密封以防止cebr3晶体潮解。
15.本发明的有益效果：
16.(1)本发明元素探测装置采用高效率、高分辨率的cebr3晶体，和高性能的反符合塑料闪烁体ej200作为探测材料，可高效地对星体表面主要元素k、si、mg、th、h、o、fe、ti等发射的伽玛射线进行测量；
17.(2)本发明通过结构集成设计，形成小型化、轻量化的紧凑结构和特定的机械接口，使元素探测装置固定在特定的位置，并使得元素探测装置能够满足空间力学环境的要求，能够承受在发射过程中产生的各种作用力；
18.(3)本发明将cebr3晶体与pmt耦合面的对立面垂直朝向星面，与卫星一起环绕星体表面飞行，对主要元素发射的特征伽玛射线进行探测，结合卫星的位置参数可以计算星体表面主要元素k、si、mg、th、h、o、fe、ti等的含量多少及其在星体表面的分布情况。
附图说明：
19.图1为本发明实施例立体结构示意图；
20.图2为本发明实施例剖面图；
21.图3为本发明实施例晶体探测模块结构示意图；
22.图4为本发明实施例光电转换模块结构示意图；
23.附图标记：1、cebr3晶体；2、反符合塑料闪烁体；3、3inpmt；4、1inpmt；5、镁合金主体；6、镁合金壳体；7、支架；8、后端电子学模块。
具体实施方式
24.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.参照图1～3，本发明实施例提供一种种小型化、轻量化、低功耗的高效微型空间星体表面元素探测装置，可用于高效探测星体表面k、si、mg、th、h、o、fe、ti的含量和分布情况。
26.具体的，本探测装置包括晶体探测模块、光电转换模块和后端电子学模块，所述晶
体探测模块、光电转换模块和后端电子学模块集成在镁合金主体5的空腔内部。
27.所述晶体探测模块包括一个cebr3晶体1和四块反符合塑料闪烁体2；所述cebr3晶体1呈圆柱体结构，规格为cebr3晶体1表面除了出光面均包覆有反射膜(特氟龙)，cebr3晶体1的出光面用光耦合胶和玻璃盖密封以防止cebr3晶体1潮解，包覆反射膜的cebr3晶体1嵌入在铝合金壳体里，cebr3晶体1与铝合金壳体之间充满缓冲胶体，来保护晶体免受力学直接冲击；所述四块反符合塑料闪烁体2均匀分布在cebr3晶体1周围，反符合塑料闪烁体2表面包覆有反射膜(特氟龙)，在特氟龙外围用黑胶带包覆起到保护作用；四块反符合塑料闪烁体中，包括三个直板型反符合塑料闪烁体和一个l型反符合塑料闪烁体，可从五个方向覆盖住封装后的cebr3晶体1，用于降低带电粒子产生的本底。所述反符合塑料闪烁体2分别嵌入在铝合金壳体里，反符合塑料闪烁体2与铝合金壳体之间充满缓冲胶体；所述cebr3晶体1与pmt耦合面的对立面垂直朝向星面。
28.所述光电转换模块包括一套3inpmt3和四套相同的1inpmt4，1inpmt4均匀分布在3inpmt3四周，所述3inpmt3和四套1inpmt4均嵌入在镁合金壳体6内部，每个pmt与镁合金壳体6之间充满缓冲胶体，同时胶体也把pmt固定在镁合金壳体6内，所述镁合金壳体6固定在镁合金主体5内部；所述3inpmt3与cebr3晶体1匹配，以用于将cebr3晶体1的光信号转换为电信号；四套1inpmt4分别与四块反符合塑料闪烁体2匹配，用于将反符合塑料闪烁体2的光信号转换为电信号；
29.所述后端电子学模块通过线缆与光电转换模块连接，包括控制模块、放大器模块和数据处理传输模块，放大器模块把pmt出来的信号进行成形、放大和峰保作用，控制模块和数据处理传输模块用于实现数据的采集和传输。
30.本发明实施例中，所述1inpmt4的base板通过支架7与镁合金壳体6固定，3inpmt3的base板通过螺钉与镁合金壳体6固定；所述镁合金壳体6通过螺钉固定安装在镁合金主体5内；所述晶体探测模块和后端电子学模块分别通过螺钉安装在镁合金主体5内。
31.本发明实施例中，所述cebr3晶体1和四块反符合塑料闪烁体2分别设置在各自的铝合金壳体，5个铝合金壳体位于镁合金主体5内部空腔内，并分别通过螺钉与镁合金主体5固定连接。
32.本发明实施例中，所述镁合金主体5与镁合金壳体6的材料均采用高强度镁合金mb8或az40m，该材料强度高，密度低，可以降低本装置的重量；并且镁合金主体5与镁合金壳体6均进行黑色阳极化处理，使得其辐射系数≥0.85。
33.本发明实施例中，所述镁合金主体5为内有空腔的长方体结构，所述晶体探测模块、光电转换模块和后端电子学模块高度集成在镁合金主体5的空腔内部，实现包络尺寸小型化，包络尺寸：200mmx160mmx157mm，探测装置总重量为4.5kg，能量分辨率优于4％@662kev。
34.本实施例中，所应用的3inpmt和1inpmt均为为日本冰松公司生产的光电倍增管，实现cebr3和塑料闪烁体产生的荧光转换为电信号；所应用的cebr3晶体购于荷兰scionix公司；所涉及的反符合探测塑料闪烁体ej200购于美国ej公司。
35.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护
范围。

技术特征：
1.一种微型空间星体表面元素探测装置，其特征在于，包括晶体探测模块、光电转换模块和后端电子学模块，所述晶体探测模块、光电转换模块和后端电子学模块集成在镁合金主体(5)的空腔内部；所述晶体探测模块包括一个cebr3晶体(1)和四块反符合塑料闪烁体(2)；所述cebr3晶体(1)呈圆柱体结构，cebr3晶体(1)表面除了出光面均包覆有反射膜，包覆反射膜的cebr3晶体(1)嵌入在铝合金壳体里，cebr3晶体(1)与铝合金壳体之间充满缓冲胶体；所述四块反符合塑料闪烁体(2)分布在cebr3晶体(1)周围，反符合塑料闪烁体(2)表面包覆有反射膜，从五个方向覆盖住封装后的cebr3晶体(1)，所述反符合塑料闪烁体(2)分别嵌入在铝合金壳体里，反符合塑料闪烁体(2)与铝合金壳体之间充满缓冲胶体；所述光电转换模块包括一套3inpmt(3)和四套相同的1inpmt(4)，1inpmt(4)均匀分布在3inpmt(3)四周，所述3inpmt(3)和四套1inpmt(4)均嵌入在镁合金壳体(6)内部，每个pmt与镁合金壳体(6)之间充满缓冲胶体，所述镁合金壳体(6)固定在镁合金主体(5)内部；所述3inpmt(3)与cebr3晶体(1)匹配，以用于将cebr3晶体(1)的光信号转换为电信号；四套1inpmt(4)分别与四块反符合塑料闪烁体(2)匹配，用于将反符合塑料闪烁体(2)的光信号转换为电信号；所述后端电子学模块通过线缆与光电转换模块连接，包括控制模块、放大器模块和数据处理传输模块，用于处理和传输光电转换模块的电信号。2.根据权利要求1所述的微型空间星体表面元素探测装置，其特征在于，所述cebr3晶体(1)的规格为3.根据权利要求1所述的微型空间星体表面元素探测装置，其特征在于，所述1inpmt(4)的base板通过支架(7)与镁合金壳体(6)固定，3inpmt(3)的base板通过螺钉与镁合金壳体(6)固定。4.根据权利要求1所述的微型空间星体表面元素探测装置，其特征在于，所述镁合金壳体(6)通过螺钉固定安装在镁合金主体(5)内；所述晶体探测模块和后端电子学模块分别通过螺钉安装在镁合金主体(5)内。5.根据权利要求1所述的微型空间星体表面元素探测装置，其特征在于，所述镁合金主体(5)与镁合金壳体(6)的材料均采用高强度镁合金mb8或az40m。6.根据权利要求1所述的微型空间星体表面元素探测装置，其特征在于，所述镁合金主体(5)与镁合金壳体(6)均进行黑色阳极化处理，使得其辐射系数≥0.85。7.根据权利要求1所述的微型空间星体表面元素探测装置，其特征在于，镁合金主体(5)为内有空腔的长方体结构，所述晶体探测模块、光电转换模块和后端电子学模块高度集成在镁合金主体(5)的空腔内部，实现包络尺寸小型化，包络尺寸：200mmx160mmx157mm，探测装置总重量为4.5kg。8.根据权利要求1所述的微型空间星体表面元素探测装置，其特征在于，所述探测装置可用于高效探测星体表面k、si、mg、th、h、o、fe、ti的含量和分布情况。9.根据权利要求1所述的微型空间星体表面元素探测装置，其特征在于，所述探测装置的能量分辨率优于4％@662kev。10.根据权利要求1所述的微型空间星体表面元素探测装置，其特征在于，所述cebr3晶体(1)的出光面用光耦合胶和玻璃盖密封，以防止cebr3晶体潮解。

技术总结
本发明提供一种微型空间星体表面元素探测装置，包括集成在镁合金主体内的晶体探测模块、光电转换模块和后端电子学模块；晶体探测模块包括一个CeBr3晶体和四块反符合塑料闪烁体，CeBr3晶体表面除了出光面均包覆有反射膜，四块反符合塑料闪烁体分布在CeBr3晶体四周；光电转换模块包括3inPMT和四套1inPMT，3inPMT与CeBr3晶体匹配，以用于将CeBr3晶体的光信号转换为电信号，四套1inPMT分别与四块反符合塑料闪烁体匹配，用于将反符合塑料闪烁体的光信号转换为电信号；后端电子学模块包括控制模块、放大器模块和数据处理传输模块，用于处理和传输光电转换模块的电信号。本装置体积小、重量轻、低功耗，可用于高效探测星体表面K、Si、Mg、Th、H、O、Fe、Ti的含量和分布情况。Ti的含量和分布情况。Ti的含量和分布情况。


技术研发人员：黄永益
受保护的技术使用者：中国科学院紫金山天文台
技术研发日：2021.11.05
技术公布日：2022/3/7