空间低能电子探测技术综述

把得东，杨生胜，薛玉雄，安 恒

(兰州空间技术物理研究所，真空低温技术与物理重点实验室，甘肃兰州730000)

1 引言

空间低能电子是空间环境的重要组成部分之一，由于能量较低(几电子伏～几十千电子伏)，其分布和运动易受地磁场及空间电场的影响，主要分布在离地球数百公里高度范围内及电离层中。20世纪60年代以后，地球同步轨道的许多通讯卫星接连发生故障，有的甚至彻底损坏。研究人员对故障发生的时间、地点和当时的空间环境进行分析后发现，部分卫星出现故障的原因是空间低能电子的影响，由此，人们才逐渐认识到空间低能电子对卫星的直接影响。空间低能电子对航天器的主要影响有［1］:

1)影响航天器的电控或热控性能，导致航天器系统工作异常，如1994年，Intelsat－k卫星和Anik－E卫星发生的故障就是由于放电产生的干扰脉冲导致指令错乱，使控制系统不能正常工作。

2)空间低能电子容易使太阳电池发生充放电效应，使太阳电池阵发生物理损坏，导致太阳电池输出功率下降。

3)低能电子容易使航天器表面带电，使航天器与带电粒子相互作用的有效截面增大;同时航天器切割磁力线产生的电动势在航天器周围形成电流回路，导致航天器飞行阻力增大，使航天器轨道发生变化。

20世纪70年代后期，我国开始关注空间低能电子对航天器的影响，并在地面和卫星上进行了大量试验工作，由于受许多条件的限制，至今与航天大国相比，在空间低能电子探测方面仍存在一定差距。因此，发展空间低能电子的探测技术，研制高性能、高可靠性的探测器，了解空间低能电子的分布及变化特点，对我国空间探测活动具有重要意义。

2 国外空间低能电子探测技术的发展

用于空间低能电子探测的器件和方法主要有:静电分析器、通道电子倍增管、微通道板、法拉第杯、飞行时间法、朗缪尔探针、半导体探测器等［1］。

静电分析器由具有一定曲率半径，相距一定距离的2块金属板组成，金属板之间施加偏压。金属板的形状分为圆柱型和球型。当静电分析器的结构一定时，通过改变分析器两板之间的电压就可以改变分析器所能接受电子的能量，从而达到测量电子微分能谱的目的。20世纪80年代末，国外的很多卫星采用静电分析器对空间环境中几十电子伏到几十千电子伏的低能电子进行了探测，如DMSP系列卫星利用搭载60°的圆柱型静电分析器，Interball和Auroral Probe卫星利用搭载的127°圆柱型静电分析器对空间低能电子和质子进行2D和1D探测;ISSE－1和ISSE－2卫星上搭载的球状静电分析器，对空间低能电子进行3D和2D测量;AMPTE和IRM卫星上搭载的等离子体探测器、Giotto卫星上的电子等离子体实验、Geotail卫星上的低能粒子探测器、Interball/Tail Probe卫星上的3D粒子谱仪和3D电子分布仪(ELECTRON)以及ClusterⅡ上的粒子谱仪(CIS)等探测器中都采用了带顶盖的半球型静电分析器，对空间环境中的低能电子和其他带电粒子进行探测。利用静电分析器，卫星获得了早期关于空间低能电子的数据［1］。

通道电子倍增管是单通道电子倍增器，具有体积小、质量轻、结构牢固、功耗小、增益高，反应速度快等优点，电子的倍增过程发生在管内壁。在管子两端施加一定的电压，电子经过轴向电场加速而获得能量。低能电子通过入口进入倍增管，与管内壁碰撞产生二次电子，二次电子在电场的作用下获得能量与管内壁碰撞，产生更多的二次电子，在倍增管的出口处(高压端)就能获得电子形成的电流脉冲。该电流脉冲与入射电子的能量相关。涂覆在玻璃管内、外表面的材料必须具有一定的稳定性，能长期暴露在空间环境中。此外，涂覆材料应具有较大的功函数和小的噪声本底，对波长大于200 nm的光不敏感。

1965年，在NASA戈达德航天中心(GSFC，Goddard Space Flight Center)的支持下，邦迪科斯研究实验室(Bendix Research Laboratory)研制了一种无窗的电子倍增器——连续通道型电子倍增管(见图1)。这种电子倍增器体积小、构造简单。戈达德航天中心将其作为较理想的探测器来探测空间低能电子。起初，该探测器采用直线型，倍增管长度和内径的比为50～100。但当倍增管的增益达到107时，再生正离子的反馈会导致倍增管出现不稳定的情况。于是，戈达德空间中心将倍增管的形状由直线型改为圆弧型，长为10 cm，内径1 mm，管子呈270°的弧形(见图2)，通过这种改进来抑制再生正离子反馈引起的不稳定效应。当通道倍增管以高增益方式工作时，可在倍增管输出端获得入射电子产生的唯一的脉冲高度分布。利用脉冲计数器和阈值鉴别技术可测出脉冲的幅度。根据脉冲幅度和入射电子能量之间的对应关系，就能确定入射电子的能量。由于这些特点，连续型通道电子倍增管常搭载于探空火箭，对空间中的低能电子进行探测［2］。此后，研究人员又研制了其他形状的通道电子倍增管，对空间低能电子和质子进行探测。如USA75卫星上搭载的磁层等离子体分析器(MPA)，用6个螺旋型电子倍增管在规定的6个方向上对空间低能电子和质子进行探测;ACE卫星上搭载的太阳风电子质子α粒子监测器(SWEPAM)使用7个大的漏斗型电子倍增管对空间低能电子及其它带电粒子进行探测;AMPTE和IRM卫星上搭载的3D等离子体分析器，采用漏斗状的通道电子倍增管，探测空间低能电子和质子。

由于通道电子倍增管的增益仅与通道长度和直径之比有关，因此，可以把倍增管缩小到工艺允许的程度，形成微通道结构，大量微通道相组合就构成了微通道板(MCP)。微通道板的工作原理与通道电子倍增管相似，其具有探测面积大、增益高、噪声低、时间性能优、空间分辨率好的特点，常用于空间低能电子、质子的探测。如Interball/Tail Probe卫星和ClusterⅡ卫星都采用微通道板对空间低能电子进行探测，探测器的增益达106量级。

图1 通道电子倍增管示意图

图2 弧形通道电子倍增管示意图

除了用静电分析器和通道板对低能电子进行探测外，对冷等离子体和能量较低的热等离子体中的电子也常用法拉第杯、朗缪探针进行探测。如Wind航天器上的太阳风实验(SWE)中使用2个法拉第杯对空间环境中能量在5 eV～5 keV之间的离子(包括电子)进行了3D探测。1995年，Interball和Tail probe航天器上搭载了全方向等离子体传感器法拉第杯(VDP)，对空间环境中能量在0.2～2.4 keV之间的磁层等离子体进行了探测。VDP包括6个完全相同的法拉第杯，这些法拉第杯分别放置在±X轴(卫星的自旋轴)、±Y轴和±Z轴上。法拉第杯上施加的电压为0～2 400 V，并且按照16个梯级变化，以此来探测空间环境中低能电子和质子的能谱。朗缪探针质量小、功耗低、时空分辨率高，结构相对简单，并且探测信息丰富，自20世纪50年代末用于空间等离子体探测(包括空间低能电子探测)以来就受到各个国家的重视。据统计，在NASA的航天计划中，装配朗缪探针的航天器占12.9%。

飞行时间法是通过测量粒子飞过一定距离所需的时间来确定粒子的能量。在飞行距离的两端设置2个粒子探测器，末端的探测器给出时间和能量信号，前端的探测器在给出时间信号的同时也限定了粒子能量的下限。由于低能粒子探测的能量范围一般小于100 keV，虽然可以在对能量较低的粒子加速后应用飞行时间法，但是这种方法在探测低能电子中还是很少使用，在对低能粒子的成分测量中常用这种方法来获得粒子的质量。如1984年AMPTE/IRM上的超热离子电荷分析器;1996年FAST上的飞行时间能量角质谱仪(TEAMS)，ClusterⅡ上的离子成分和分布函数分析器(CODIF)等。

随着半导体工艺和信号处理技术的发展，半导体探测器开始应用于空间低能电子的探测中。

1966年，戈达德航天中心研制了用于空间低能电子探测的复合型表面势垒二极管探测器。整个探测单元安装在直径约2.54 cm的硅片上，探测器灵敏窗的面积为1.27 cm×1.27 cm。硅片的另一面经过抛光处理后，蒸镀两组互相绝缘且垂直的导体层(见图3)，每个导体层与探测器的p型层形成一个二极管，导体层是探测信号的读出通道。利用读出通道和电路，可以确定低能电子的位置，探测精度取决于导体层的数目。在同样的面积上，导体层数目越多，则探测器的位置分辨率越高［3］。

1990年，CRRES任务中利用卫星上搭载的电子宽视场谱仪(Electron Proton wide Angle Spectrometer，EPAS)探测空间环境中的低能电子和质子。该探测器系统由5个阵列式的固体探测器组成，每个探测器都配备了相应的磁偏转系统，以此来探测空间环境中的电子(21～285 keV)和质子(37～3 200 keV)。粒子形成的图像以及探测器的角分辨率受入射孔径、磁极片及粒子在成像平面上的位置共同确定［4～6］。

图3 复合型表面势垒二极管探测器

在欧空局(ESA)的倡导下，PSI、Swiss Industry研制了一系列新型探测器REM(Radiation Environment Monitor)、SREM(Standard Radiation Environment Monitor)(见图4)，用于空间低能带电粒子(包括电子)辐射环境的探测。其中，REM搭载在 MIR国际空间站和 STRV1b卫星，SREM搭载在 PROBA1、INTEGRAL和ROSETTA卫星上。SREM有3个高精度的粒子探测器，探测误差小于1%，可实时监测较宽范围内的空间低能电子、质子，并能通过航天器上的遥感系统向地面传送监测数据。该探测器是一个标准的辐射环境探测器，具有通用接口，很容易应用在空间带电粒子探测活动中［7～10］。表1是SREM的主要参数。

表1 SREM的主要参数

2005年，CLUSTER和POLAR任务利用搭载的成像电子谱仪(IES，Imaging Electron Spectrometer)对空间低能电子进行探测。成像电子谱仪是针孔照相机，每个针孔照相机中有一个带状探测器，用于空间电子的探测，探测器所能探测的电子能量范围是20～450 keV［11～15］。图5是探测器的外观，图6是其工作原理图。空间低能电子以不同的入射角通过入射孔进入相机，在3个微条固体探测器中沉积能量，产生脉冲信号。微条固体探测器与信号处理电路相连接，固体探测器中产生的脉冲信号通过放大、整形、鉴别、计数等处理过程后可获得入射电子的能量及方向。

图4 SREM外观

图5 成像电子谱仪

SOHO任务中利用搭载的低能粒子和电子探测器LION(Low Energy Ion and Electron instrument)，对空间环境中的低能质子和电子进行探测［16］。LION探测器由2个望远镜探头构成，每个探头由3个探测单元构成，探测器中设置了扫描磁场，探测器所能探测的电子能量范围为44～300 keV。

2006年，伯克利大学的研究人员利用低能离子注入工艺研制了入射窗很薄的硅二极管探测器，探测器具有极高的量子效率，并应用在STEREO任务中的IMPACT Supra Thermal Electron(STE)探测器和THEMIS任务中的固体望远镜探测器。探测器用2 μm厚的磷掺杂型多晶硅形成很薄的入射窗，电子在入射窗中损失的能量约为350 eV。此外，为了消除杂散光对器件的干扰效应，在多晶硅的表面又沉积了2 μm厚的铝金属层。该探测器的工艺结构见图7。整个探测器阵列安装在厚315 μm、高阻抗的n型硅基底上。在STE中，探测单元按照一行四列的形式安装，每个探测单元的面积为3 mm×3 mm。同时，在探测单元周围设置多个护圈，逐步降低探测单元上的偏压，移除探测器表面的漏电流。为了使探测单元和最里面的护圈之间没有压差，将最里面的护圈接地［见图8(a)］。与STE中的探测器几何结构不同，THEMIS探测器［见图8(b)］由单一的大面积像素(面积约1 cm2)组成，在它的周围环绕着多个更小的像素和护圈。探测器灵敏层处于全耗尽状态，这大大减小了探测器的漏电流，提高了探测效率。探测器所能探测的电子能量阈值为1.1 keV。将STE 冷却到－90 ℃时，其能量分辨率可达700 eV［17～19］。

图6 针孔照相机探测器示意图

综上，国外对空间低能电子的探测做了很多的工作，研制了各种类型的探测器，并将它们应用于空间探测活动，取得了大量的探测数据，促进了人们对空间环境的了解。随着新材料、新技术的发展，各种高性能、高可靠性的探测器将被送入太空，对空间环境中的低能电子进行更加准确、全面的探测，取得更大的进步和成果。

3 国内空间低能电子探测技术的发展

与国外相比，我国对空间低能电子的探测活动起步较晚，但是我国也在积极努力减小差距，利用各种探测技术和手段，对空间环境中的低能电子进行探测。我国对空间低能电子的探测活动和相关的探测器主要有:

20世纪80年代末，我国利用自主研制的30°柱型静电分析器探测空间低能电子。该静电分析器通过卫星的自旋或马达的带动来测量空间低能电子和质子及其投射角分布。这种静电分析器存在的问题是容易产生空间瞬间的投射角效应，且静电分析器本身的视场小，若想探测器获得较大的视场和几何因子，只能牺牲能量分辨率。为了弥补柱型静电分析器的不足，研究人员研制了球状静电分析器。这种静电分析器能同时测量从多个角度入射的粒子，并可进行2D和3D测量。然而，这种静电分析器却存在边缘效应，为了克服这个缺点，研究人员又研制了带顶盖的半球型静电分析器，其主要特点是:极角接收范围广，可以扩展至360°，在不降低角分辨和能量分辨能力的条件下，能获取大的几何因子;其柱对称性保证了极角响应的均匀性，给数据处理带来了方便;它既适用于自旋卫星的2D或3D测量，也适用于无自旋卫星的1D测量。由于其性能良好，因此被广泛应用在空间低能电子探测活动中。

图8 STE和THEMIS探测器的结构图

1981年9月20日，我国将“实践二号”科学试验卫星送入太空，该卫星是一颗综合性空间科学探测卫星，其有效载荷半导体电子单向强度探测器和闪烁计数器对空间环境中的带电粒子(包括低能电子)进行探测。

1994年2月8日，“实践四号”发射成功。卫星运行在近地点200 km，远地点36 000 km，倾角28.5°的大椭圆轨道。卫星上的有效载荷包括高能质子重离子探测器、高能电子探测器、静电分析器、表面电位探测器、静态单粒子事件探测器和动态单粒子事件探测器。其中的静电分析器是1/4球形静电分析器，外壳直径120 mm，内壳直径116 mm，主要用于探测空间低能电子，其所能探测电子的能量范围是100 eV～40 keV。静电分析器的功耗为1.4 W，质量6 kg，偏压为3 700 V，分为16个梯级，可以获得16个电子能谱。静电分析器的出口处有7个通道倍增器，分别测量7个方向的电子，获得电子的角分布。卫星在轨运行半年，探测器工作正常，获得的结果对开展空间环境及其效应研究、进行航天器工程设计等均有重要意义［20］。

1999年10月14日中巴合作的“资源一号”极轨卫星发射成功。卫星上搭载的有效载荷包括极光粒子探测器、粒子辐射探测器和CMOS辐射效应测量仪。这3种有效载荷分别对空间环境中的低能带电粒子(包括电子)、舱内高能带电粒子以及CMOS器件的辐射总剂量效应进行探测，并获得了很多重要的数据。

2001年1月10日发射的“神舟二号”飞船搭载了大气密度探测器、大气成分探测器、X射线探测器和γ射线探测器，飞船返回舱内装有固体探测器、辐射剂量仪等仪器，对空间环境中的各种粒子(包括低能电子)进行探测。

2002年12月30日发射的“神舟四号”首次对飞船轨道空间环境及其效应进行全面监测，为正式载人飞行摸清了空间环境状况。飞船上搭载了很多探测器，包括高能电子探测器、高能质子探测器、低能粒子探测器、表面电位探测器、大气密度探测器、大气成分探测器、单粒子事件探测器和固体径迹探测器，其中的低能粒子探测器用于空间环境中低能电子、质子及其他带电粒子的探测［21］。

尽管我国对空间低能电子的探测活动较少，低能电子探测器及获取的探测数据都很有限，但是还是取得了一定的成果，促进了我国空间探测活动的发展。

4 结束语

综上所述，国内外都积极采用了各种方法和探测器对空间环境中的低能电子进行探测。这些探测器的共同特点是:只能执行单一的、比较特殊的任务，很难进行可适应性改造;探测速率低，能量范围小，能量分辨率差;探测器具有较大的尺寸、质量和功耗;开发成本高。

而随着空间探测活动的开展，各种长寿命航天器(卫星)的需求与日俱增。这对搭载的空间低能电子探测器提出了更高的要求。

1)能量范围:几电子伏至几十千电子伏;

2)能量分辨率:几十电子伏甚至更低;

3)计数率高;

4)功耗小，约几百毫瓦;

5)尺寸小，质量轻，经过抗辐射加固设计;

6)成本低廉，设计优化;

7)能有效消除本底干扰;

8)能适应空间环境中的各种恶劣因素。

为了满足上述要求，国内外都在积极寻求新方法、新材料和新型高性能、高可靠性的探测器，对空间环境中的低能电子进行探测。这些方法和技术中，最有发展前景的探测器是硅微条探测器(Silicon Micro Strip Detector，SMSD)。

硅微条探测器是在N型硅片的表面，通过氧化和离子注入法、局部扩散法、表面位垒法及光刻等技术工艺制造，其表面是均匀平行的附有一层铝膜的重搀杂P+微条。N型硅片的底面掺入杂质后，制成N型重搀杂N+层，其外层也附有一层铝，作为电极接触。这样制成了表面均匀、呈条形的PN结型单边读出探测器。中间的耗尽层是探测器的灵敏区，当在这些条型PN结加上负偏压(反向偏压)时，耗尽层在外加电场的作用下，随着电压升高而变厚。当电压足够高，耗尽层几乎扩展到整个N－型硅片，探测器基本处于全耗尽状态，此时，探测器的死层变得非常薄。因为探测器内部可移动的载流子密度很低，而探测器本省的电阻率很高，所以探测器内的漏电流很小(＜100 pA)。由于多晶硅的动态电阻与漏电流近似成反比，如长度为6 cm的硅微条，其动态电阻可达1 GΩ。如此大的电阻，导致外加偏压几乎全部加载到耗尽区上，在耗尽区中形成强度很高的电场。其特点是:位置分辨率高，是目前应用的所有探测器中最高的，可以达到1.4 μm;能量分辨率高;线性范围宽;响应时间快，可达到5 ns，实现高计数率;探测器灵敏层的厚度通常为300 μm，很容易实现探测器的小型化。

综上，随着半导体工艺和集成电路技术的发展，硅微条探测器在未来的空间低能电子探测及其他带电粒子探测中将得到广泛应用，推动空间带电粒子探测的发展。

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