空间粒子辐射探测技术

轫致辐射的特点：

与Z12成正比，与m12成反比，因此电子轫致辐射比质 子和其他重离子强106倍 与Z22成正比


与E1成正比
3带电粒子的射程
带电粒子从进入某种物质内到完全停止下来所经过的距离
R ( E0 )
E0
dx
0
0
dE
dE dx
E0
m1m2 4 Z12 e 4 NZ 2
2m112 dE 4 e4 ( )e NZ2 ln( 1.2329) 2 dx m11 I
相对论：
m112 E1 2 2 ln ln 2 2 1 1 dE 4 e4 1 2 I 2 (1 2 ) ( ) e NZ 2 2 dx m11 2 1 2 1 1 1 2 2 8
E 137m1C 2 Z21/ 2 :
2 dE 4 NZ 2 ( Z 2 1) e 1/ 3 1 E1 ln 183 Z 2 18 2 137 dx r m1C 2
dE dx r Z 2 E1 800 dE dx e





4）电子辐射能量损失
Z1 Z 2 e 2 dE dx r m1
m1C 2 E 137m1C 2 Z21/3 :
2 2 E1 1 dE 4 NZ 2 ( Z 2 1) e E 3 1 ln 2 2 137 dx r m1C m1C 2
0
3d B ( ) 0
1）离子射程
投影射程，平均射程，外推射程
同一种粒子在不同物质中的射程：
R1 / R2 2 A1 / 1 A2
具有相同速度的两种不同粒子在同一种物质中的射程：
R ( E0 )
E0
dx
0
0
dE
dE dx
E0
m1m2 4 Z12 e 4 NZ 2

仪器牢固性好（抗冲击、振动、温度、真空） 仪器可靠性好（在空间环境下仪器性能不变，或变化 规律可知）


仪器抗干扰性好（电磁兼容性好、抗辐射、……）
仪器输出输出信号便于传输 仪器尽量小型化



空间物理探测的发展趋势

从普查到精细探测 单点观测到多点观测


从近地到深空，从近地到近太阳
探测仪器从简单到复杂，从普通型到智能型 发展专用卫星探测





空间粒子辐射探测对象
空间粒子辐射指来自太阳系、银河系以及银河系外 的带电粒子、X和射线、中性粒子
太阳风 行星际空间 辐射带 色 球 日 冕 太阳电磁辐射
磁尾
等离子体片
磁层

带电粒子：

银河宇宙线 太阳宇宙线 太阳风等离子体 磁层粒子




极光沉降粒子
星际粒子


初级银河宇宙线的成 分主要是质子 （84.3%），其次是 粒子（14.4%），其 他重核成分（Z=2— 92，1.3%），能谱从 数十MeV到1019eV， 太阳活动极小年强度 约4cm-2.s-1 初级宇宙线粒子与大 气层分子相互作用， 产生次级宇宙线粒子， 这些次级粒子是地基 和空基宇宙线观测的 对象
§1.1探测的基本原理
所有的粒子辐射的测量都基于粒子与物质相互作用
1粒子与物质的相互作用
带电粒子与物质的相互作用主要有以下几种： 电离和激发：入射粒子与靶物质原子核外电子发生库仑作用 （非弹性碰撞），损失部分能量，使这些原子激发或电离。此 过程伴有X射线、俄歇电子、荧光发射

切伦柯夫效应：带电粒子穿过透明介质时，如果它的速度超过 光在该介质中的传播速度时，会沿一定方向发射可见光，即切 伦柯夫辐射

轫致辐射：快速带电粒子运动速度发生改变时，发出能量连续 分布的电磁辐射，（与靶原子核的非弹性碰撞）
原子移位：入射粒子与靶原子核发生弹性碰撞，使得靶原子核 离开原有位置，（电子散射）

带电粒子探测主要利用电离和激发效应，其次是切伦 柯夫效应。基于电离和激发效应的探测器有三种基本 类型。

收集电离电荷的探测器：收集电离产生的正负离子或 电子空穴对，记录它们产生的电压（或电流）脉冲。 为保证有效收集电荷，此类探测器要加以一定电压， 产生足够强的电场。属此类探测器的有气体探测器、 半导体探测器以及液体电离探测器。

收集荧光的探测器：收集被带电离子激发的原子退激 所发出的光子（荧光）。由于荧光很弱，需要通过光 电倍增管进行发达转换和放大，将光脉冲变出较强的 电脉冲，以便于记录。此类仪器主要是闪烁体探测器， 闪烁体本身不需要加高压，但是与之相连的光电倍增 管要加高压 探测粒子径迹的探测器：带电粒子沿其路径产生电荷， 利用其他物理或化学条件围绕这些电荷产生较大的颗 粒、缺陷或火花，产生能够被识别 的粒子径迹。核乳 胶、云室、气泡室、火花室、固体径迹探测器。 切伦柯夫探测器：收集切伦柯夫辐射的探测器，传感 器可以是固体、液体和气体，必须配备光电倍增管进 行放大。


2带电粒子的能量损耗
探测器收集的电荷和荧光与带电粒子瞬时在探测器传感器中损 失（沉积）的能量有直接关系，能量损失与带电粒子本身及吸 收物质的性质有关。
dE 能量损失、阻止本领： dx n ,e , r
1）离子核碰撞能量损失
2 2 2 a ( R / 2) 4 Z Z 2 e dE 0 ( ) n ln( ) 2 dx m21 R0 2 1 2 4



伴随着人类航天活动的开展，先后发现了地球 辐射带、太阳风等离子体、以及获得大量太阳 宇宙线事件的资料，开展了对太阳的成像研究， 这些大大推进了太阳物理、行星际物理、磁层 物理、电离层物理、中高层大气物理等的发展 随着空间X射线和射线测量的发展，人类揭示 了一系列新天体、新过程，大大开阔了人们在 天文学方面的眼界，开辟了X射线天文学和射 线天文学
太阳X射线通量监测
Biblioteka Baidu
太阳软X射线（0.25-4.0keV）成像
宇宙背景射线

中性粒子 大气中子 银河宇宙线和太阳宇宙线同大气相互作用（包括初 级粒子和次级粒子的作用）

太阳中子 能量高于100MeV的太阳耀斑质子与太阳大气相互 作用产生次级中子 中性原子（分子） 空间碎片、微流星


§1带电粒子探测

X射线和射线
E(keV)
0
12.34 (A)
0
1A, E 10keV, soft 1A, E 10keV, hard

0
X X
宇宙X射线 来自太阳系以外的X射线，包括弥散X射线背景和 分立源发射的X射线 太阳X射线 太阳宁静时背景X射线和太阳耀斑时产生的X射线暴 极光带X射线 极光沉降粒子与大气层相互作用，通过轫致辐射产 生的高能光子


空间物理探测的意义

空间物理是实验性很强的学科 空间探测促进了空间物理理论的发展


空间探测验证了空间物理理论的假设 数据处理必须了解探测技术
空间监测是保障人类航天安全的重要基础



空间粒子辐射探测的特殊要求
空间粒子辐射探测技术是在地面辐射（核）探测技术 基础之上发展起来，由于空间环境和条件 的不同， 以及空间辐射粒子本身 的特点，空间粒子辐射探测 有一些特殊要求：




1984.4和1986.2，“东方红二号”，太阳软X射线、 高能质子、高能电子、表面电位 1988.9、1990.9、1999.5，“风云一号A”、“风云 一号B”和“风云一号C”，宇宙线（空间粒子）成 分探测器 1997.6.10，“风云二号”，太阳X射线、空间高能 粒子 1999.10，“资源一号”，极光粒子、粒子辐射、 剂量仪 “神舟”飞船，高能质子、高能电子、低能离子、 表面电位、单粒子事件、大气密度和成分
0
3 d B ( ) 0
m1Z 2 2 RZ2 , m2 ( ) m2 Z12


宇宙空间
太阳系 日地空间
主 要 探 测 器 踪 迹
冥王星轨道30-50AU
Pioneer 10
100AU Pioneer 11 Voyager 2 Voyager 1

我国的空间物理和空间环境探测

1971.3.3，“实践一号”，高能带电粒子、太阳X 射线、空间磁场 1981.9.20，“实践二号”，高能带电粒子、太阳 高能电磁辐射、地球—大气辐射和大气密度 1990.9.3，“大气一号”，高层大气密度及其对卫 星轨道影响 1994.2.8，“实践四号”，空间环境及其效应探测， 高能质子重离子、高能电子、低能离子、表面电 位、静态单粒子事件、动态单粒子事件
空间物理探测技术
空间粒子辐射探测技术
序言

空间粒子辐射探测技术是指利用搭载于飞机、 气球、火箭、卫星以及设置于地面的仪器设 备进行的空间粒子成分、强度、能谱、入射 方向、空间分布、时间变化等测量

发展历史

高能宇宙线的地面观测起源于20世纪二、三十 年代 40年代开始利用火箭探测宇宙线和太阳X射线， 此后利用气球进行观测也有了很大发展 人造卫星出现以后，空间粒子辐射探测有了空 前的发展。卫星探测具有探测时间长、飞越空 间广、不受地球大气影响、受气球磁场影响小 等特点，是目前最重要的空间粒子辐射探测
dE 2 Z Z 1 2 1 ( )e 8 e N a 0 2/ 3 2/ 3 dx ( Z 1 Z 2 )3/ 2 0
7/6
1>0Z12/3 时，满足Bethe-Block 公式：
dE ( ) e dx 4 Z 1 e 4 m112
2
2m112 NZ 2 ln( ) I
相对论能量范围（E0>3m0C2):
( dE )e dx 4 Z 1 e4 m112
2
Ci 2 2m NZ 2 ln( 1 1 ) ln(1 2 ) 2 i I Z2
Fe离子能量损失随能量的变化
3）电子电离能量损失
非相对论：
内辐射带：L1.2~2.5 (600—10000km），中心约3000~5000km
外辐射带：L3.0~8.0(104—6104km），中心约2~2.5 104km

磁层等离子体
包含多种区域等离子体，能量从几eV到数十keV，密度 从0.1~104/cm3

极光沉降粒子 数十eV数百keV的超热粒子，主要是电子，430km左 右最大强度达1010/cm2.s




1999.5.10，“实践五号”，单粒子效应防护对策 研究，单粒子事件检测器、单粒子事件屏蔽效应 实验仪、单粒子翻转实验仪、单粒子事件综合实 验仪、单粒子锁定实验仪、高能质子重离子、高 能电子、辐射剂量仪
“地球空间双星探测计划”，粒子、磁场、低频 电磁波 “空间太阳望远镜”，主光学望远镜、软X射线望 远镜、光学日冕仪、宽带频谱仪、H和白光全日 冕望远镜、太阳和行星际频谱仪 “月球资源探测”月球轨道空间环境探测，太阳 宇宙线、太阳风等离子体


和X射线的定义与区分：物理产生机制、 0.2MeV
宇宙射线 太阳以外的宇宙空间发射的射线，也包括分立 谱和弥散背景
太阳射线 太阳耀斑期间发出的射线 大气射线 初级宇宙线粒子同大气分子相互作用产生的射 线，一种来自于0介子衰变，另一种产生于初级 和次级电子于大气分子的轫致辐射
a R0
Z
a0 Z
2/3 2
2/3 1

靶原子半径
2 Z1Z 2 e 2
12
入射粒子与靶原子的最近距离
m1m2 (m1 m2 )
2）离子电离能量损失
1<0Z12/3 ( 0=2e2/h=2.2106 m/s，为玻尔速 度)时，满足Lindhard-Scharff 公式：


太阳宇宙线是太阳上发生耀斑时发射出的高能带电粒 子，由于它的绝大部分是质子，又称为太阳质子事件， 能量一般从10MeV到数十GeV

太阳风是从太阳连续不断喷射出的等离子体流，速度 200—2000km/s，密度1—100cm-3，温度104—107K

磁层粒子包括辐射带粒子和磁层等离子体