[发明专利]一种基于金刚石探测器的空间飞行时间质谱仪

说明书

本发明提供了一种基于金刚石探测器的空间飞行时间质谱仪，包括二次电子发射薄膜、电极系统、微通道板探测器和电子学设备；所述二次电子发射薄膜用于当离子穿过时生成二次电子；所述电极系统用于将所述二次电子施加电压引导到微通道探测器上；所述微通道探测器接收所述二次电子并输出信号至电子学设备；所述金刚石探测器用于接收离子，将离子总能量转化为电荷脉冲，输出至电子学设备；所述电子学设备用于处理所述微通道探测器的输出信号和所述金刚石探测器输出的电荷脉冲，分析获得入射离子的信息。本发明将金刚石探测器应用于SEE TOF×E质谱仪中，可提升SEE TOF×E质谱仪的探测效率、长周期性能稳定性、和对恶劣空间辐射环境的适应性。

技术领域

本发明属于金刚石探测器应用技术，飞行时间质谱技术，空间带电粒子探测技术领域，具体涉及一种基于金刚石探测器的空间飞行时间质谱仪。

背景技术

飞行时间质谱仪在空间带电粒子探测领域有着十分重要的应用价值。基于二次电子飞行时间测量技术和固体探测器(Solid State Detector，SSD)的SEE TOF×E质谱仪，常用于测量空间环境中几十keV～几MeV的中能离子成分、能谱和角分布信息。SEE TOF×E质谱仪通常由二次电子发射薄膜、电极系统、微通道板探测器(Micro Channel Plate，MCP探测器)、和硅探测器(阵列)构成，但是这种传统方案具有一些不可避免的缺点。

常用于SEE TOF×E质谱仪的硅探测器对可见光敏感，空间环境中往往存在大量的可见光可能对SEE TOF×E质谱仪产生干扰，常用的光屏蔽手段是在二次电子发射薄膜上增加一定厚度的光屏蔽材料，例如polyimide、Ni、Al、Pd等。为了获得足够的光屏蔽能力，薄膜总厚度也不能太薄，一般厚度不低于几十nm。这会导致能量较低、质量数较大的入射离子穿过薄膜后发生较为严重的能量损失、能量歧离和散射，从而影响质谱仪对低能端重离子的能量分辨率、质量分辨率和探测效率。如果使用更为轻薄的二次电子发射薄膜，又会降低探测器的抗光子干扰能力，只能应用于光干扰较弱的空间环境。探测性能和抗干扰能力互相制约难以解耦。

传统SEE TOF×E质谱仪完全依靠二次电子来触发start和stop定时信号测量离子飞行时间。为保证机械强度，二次电子发射薄膜需要使用栅网支撑，透过率一般不高于90％，如使用两层薄膜，透过率不高于80％。另外，MCP对二次电子的响应效率最多不超过85％，加上电极系统对二次电子的收集效率不能保证100％，对二次电子发射效率较低的离子(质量较低、能力较高的重离子)，通过二次电子测量飞行时间的效率将会显著降低。综合两方面因素，传统SEE TOF×E质谱仪单纯依靠二次电子测量飞行时间的方案不利于提高探测效率。

在空间任务周期内，硅探测器经受大剂量空间中高能粒子照射后会发生性能衰减。其主要机制是入射粒子与硅探测器灵敏区的硅原子核发生碰撞引起的位移损伤，大量的位移损伤积累会使硅探测器的死层增厚、噪声增大、载流子收集效率降低，从而引起能量测量下限上升、输出脉冲幅度衰减、能量分辨率降低。因此，基于硅探测器的传统SEE TOF×E质谱仪在任务周期长、辐照环境恶劣的空间任务中难以保证性能长期稳定。

发明内容

本发明的目的在于克服基于硅探测器的传统SEE TOF×E质谱仪在任务周期长、辐照环境恶劣的空间任务中难以保证性能长期稳定的缺陷。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于金刚石探测器的空间飞行时间质谱仪，包括二次电子发射薄膜、电极系统、微通道板探测器和电子学设备；

所述二次电子发射薄膜用于当离子穿过时生成二次电子；

所述电极系统用于将所述二次电子施加电压引导到微通道探测器上；

所述微通道探测器接收所述二次电子并输出信号至电子学设备；

所述质谱仪还包括金刚石探测器；

所述金刚石探测器用于接收离子，将离子总能量转化为电荷脉冲，输出至电子学设备；