一種空間主動激發(fā)x射線熒光探測器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于空間X熒光探測設(shè)備的結(jié)構(gòu)和熱設(shè)計(jì)，屬于空間探測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]空間高分辨主動激發(fā)X射線譜儀(APXS)是嫦娥三號玉兔號月球車的科學(xué)載荷之一，也是機(jī)械臂上唯一的載荷。它通過攜帶的主動激發(fā)源激發(fā)月巖或月壤中的元素，并探測其產(chǎn)生的特征X射線，從而獲得月球元素的種類及含量信息，為月球地質(zhì)化學(xué)過程和形成演化研究提供重要依據(jù)。
[0003]空間高分辨主動激發(fā)X射線譜儀是嫦娥三號巡視器機(jī)械臂末端，安裝有主動激發(fā)放射源、低功耗、高分辨的X射線熒光探測設(shè)備。探測器對其自帶激發(fā)源激發(fā)產(chǎn)生的月表元素X射線熒光進(jìn)行探測，并形成能譜下傳，供用戶分析反演得到月表的主量元素的含量信肩、O
[0004]它對主要的成巖元素Mg、Al、S1、Ca、Ti和Fe等元素進(jìn)行激發(fā)探測，從而得到月球表面各種主要成巖元素的熒光射線強(qiáng)度，對月球表面的主要元素成分進(jìn)行定量分析。
[0005]空間高分辨主動激發(fā)X射線譜儀主要是行星表面的成分探測。由于沒有空氣或者空氣稀薄，月球和火星表面對低能X射線和帶電粒子的阻止本領(lǐng)遠(yuǎn)低于地球表面，因此，適合對低能的Mg、Al和Si的特征線進(jìn)行激發(fā)探測。由于沒有大氣層保護(hù)，因此月球和火星表面晝夜溫差變化極大，需要考慮對設(shè)備適應(yīng)極端溫度條件的適應(yīng)能力進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0006]美國的NASA、俄羅斯和歐洲ESA等都曾經(jīng)在航天器上攜帶類似的物質(zhì)成分分析設(shè)備，由于其衛(wèi)星平臺可以對設(shè)備進(jìn)行主動控溫，因此，這些設(shè)備都沒有自帶的溫控設(shè)備。在嫦娥三號任務(wù)中，由于APXS為艙外設(shè)備，其與平臺沒有傳導(dǎo)散熱的通道，在月晝，其工作時自身產(chǎn)生的熱量、太陽照射以及月球表面等外熱流對儀器都有熱量輸入，而在月夜條件下，設(shè)備周圍的環(huán)境溫度可達(dá)到_180°C，設(shè)備對外輸出熱量，如果沒有熱量輸入，設(shè)備的溫度也將達(dá)到-180°C，對于設(shè)備內(nèi)部的電子元器件及設(shè)備中的硅漂移室探測器來說，都超過了其額定的耐受溫度范圍，因此，需要對設(shè)備的結(jié)構(gòu)和熱進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，保證設(shè)備能夠在軌正常工作，安全度過月夜。
[0007]目前物質(zhì)成分分析設(shè)備主要包括:
[0008]一、NASA的Surveyors V , VL VII探月任務(wù)中，都攜帶了 α散射化學(xué)成分分析實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)應(yīng)用242Cm同位素α粒子放射源產(chǎn)生的α粒子與其他原子核碰撞后在近180°反沖散射的能譜以及核反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)子能譜來分析獲得月表元素的含量。
[0009]Surveyors V ,VLVII的α探測器選用金硅面壘探測器，質(zhì)子探測選用鋰漂移探測器，探測器由探頭、電子學(xué)構(gòu)成，電子學(xué)位于飛行器的控溫組件內(nèi)部。無自主保溫功能，需要額外15W的加熱功耗。242Cm同位素存在核裂變可能性，每次衰變會有1.6*10_7個中子發(fā)射，需要考慮中子輻照影響。
[0010]二、俄羅斯的 Mars 96 任務(wù)，NASA 的 Mars Pathfinder 任務(wù)、Mars Explorat1nRovers 任務(wù)，Mars Science Laboratory Rover、MSL 任務(wù)以及 ESA 的 Rosetta 任務(wù)都曾使用粒子激發(fā)X射線譜儀，這些任務(wù)中選用244Cm放射源，通過探測背散射的α粒子和樣品中被激發(fā)產(chǎn)生的特征X射線進(jìn)行定量分析。
[0011]以上粒子激發(fā)X射線譜儀設(shè)計(jì)使用242Cm或者244Cm放射性同位素作為激發(fā)源，242Cm(244Cm)同位素存在核裂變可能性，每次衰變會有1.6*10_7個中子發(fā)射，需要考慮中子輻照影響。同時，該探測器采用一體化設(shè)計(jì)，整個外殼為一體，前端和后端無熱阻，基本是一個等溫體。由于采用的同位素原因，無法探測Rb、Sr和Y等微量元素。設(shè)備無自主保溫功能，需要額外的熱控措施。
[0012]三、歐空局的Beagle 2任務(wù)攜帶了 X射線譜儀，該設(shè)備包含兩個件，探頭組件和數(shù)據(jù)處理電子學(xué)，選用的放射性同位素激發(fā)源為兩枚55Fe源(105.6MBq)和兩枚ltl9Cd源(8.77MBq)。通過探測樣品中被激發(fā)產(chǎn)生的特征X射線進(jìn)行定量分析，X射線探測器選用300微米厚，7mm2面積的硅PIN探測器。
[0013]該設(shè)備注重小型化設(shè)計(jì)，整體體積較小，雖然前端采用碳纖維材料，因?yàn)闊崛蓐P(guān)系，隔熱效果并不理想，且由于過于緊湊的設(shè)計(jì)，放射源的活度及均勻性都收到一定的限制，因此分析精度也受限。該設(shè)備無主動熱控，無在軌定標(biāo)設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的設(shè)備無主動熱控技術(shù)問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一套月夜生存裝置，應(yīng)用以放射性同位素Pu-238為燃料的RHU為核心，熱功率為4W。在月夜低溫條件下，月夜生存裝置通過散熱面輻射方式為SDD探測器提供熱量。本發(fā)明是一種集成化的高可靠的主動激發(fā)X射線熒光探測器，設(shè)備具備自主距離感知功能，設(shè)備具備在軌定標(biāo)能力，設(shè)備具有自王保溫能力。
[0015]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0016]一種空間主動激發(fā)X射線熒光探測器，其特征在于，包括安裝于巡視器+X面板上的探頭、月夜生存保障裝置，探頭與巡視器艙內(nèi)綜合電子學(xué)板電連接；所述月夜生存保障裝置包塊主動輻射熱源、外部支架、熱控包覆，所述主動輻射熱源位于所述熱控包覆內(nèi)，所述熱控包覆通過所述外部支架固定在巡視器+X面板上；其中，當(dāng)處于月夜?fàn)顟B(tài)時，所述主動輻射熱源與探頭后端相對，為探頭提供主動溫控。
[0017]進(jìn)一步的，還包括一安裝于所述巡視器+X面板上的在軌標(biāo)定裝置，其中，當(dāng)處于在軌標(biāo)定狀態(tài)時，所述探頭前端與所述在軌標(biāo)定裝置相對。
[0018]進(jìn)一步的，所述月夜生存保障裝置包括一雙層套筒，內(nèi)層套筒與外層套筒通過過渡件連接；所述主動輻射熱源位于所述內(nèi)層套筒內(nèi)；所述雙層套筒通過一頂蓋密封；所述在軌定標(biāo)裝置包括標(biāo)準(zhǔn)樣品和支架，所述標(biāo)準(zhǔn)樣品通過該支架固定在巡視器+X面板上。
[0019]進(jìn)一步的，所述探頭特征熒光射線收集功能由硅漂移室探測器完成，所述探頭安裝在位于巡視器+X面板上的一機(jī)械臂上；探頭隔熱安裝在該機(jī)械臂末端。
[0020]進(jìn)一步的，所述探頭包括一外筒，該外筒前端安裝有激發(fā)源組件和紅外距離感知器，外筒內(nèi)部設(shè)有與所述紅外距離感知器的前端電子學(xué)組件。
[0021]進(jìn)一步的，所述前端電子學(xué)組件包括硅漂移X射線探測器、散熱帽、印制電路板安裝支架、電子學(xué)板、散熱銅棒和散熱片；其中，硅漂移X射線探測器與電子學(xué)板電連接，所述電子學(xué)板固定安裝在所述印刷電路板安裝支架上，所述印刷電路板安裝支架固定安裝在所述外筒內(nèi)部，所述散熱帽位于所述外筒前端環(huán)繞所述硅漂移X射線探測器，所述外筒后端采用一散熱片密封；所述硅漂移X射線探測器通過一散熱銅棒與所述散熱片連接。
[0022]進(jìn)一步的，所述散熱片與外筒連接的邊緣設(shè)有凸臺；所述散熱片外表面涂有導(dǎo)熱硅脂；所述外筒后端通過法蘭與一散熱面連接，所述散熱面外表面涂有白漆。
[0023]進(jìn)一步的，所述散熱帽采用翻邊結(jié)構(gòu)與所述電子學(xué)板的前端電路板壓緊連接，且通過螺釘與所述印刷電路板支架連接；所述散熱帽的中心孔與所述硅漂移X射線探測器之間縫隙填充硅橡膠；所述前端電路板表面敷銅；所述散熱帽采用挖槽方式避開接觸硅漂移X射線探測器的針腳。
[0024]進(jìn)一步的，所述散熱片一端面中心設(shè)有一用于固定所述散熱銅棒的凹陷，另一端面開沉孔，凹陷螺釘通過該沉孔將所述散熱片與所述散熱銅棒固定；所述印刷電路板支架為鋁制半環(huán)形結(jié)構(gòu)，兩端分別與所述散熱帽、散熱片連接，底面固定所述電子學(xué)板的母線電路板，內(nèi)部頂面開槽固定所述電子學(xué)板的前級放大電路板和成型電路板，頂面設(shè)有電源線和信號線的線孔，側(cè)面固定到所述外筒內(nèi)壁。
[0025]進(jìn)一步的，所述激發(fā)源組件包括多個激發(fā)源和激發(fā)源支撐結(jié)構(gòu)，所述激發(fā)源圓形均勻分布于所述外筒前端中心區(qū)域，每一激發(fā)源分別與一準(zhǔn)直器連接；所述激發(fā)源支撐結(jié)構(gòu)的材料為聚酰亞胺，且聚酰亞胺表面鍍鋁；多個所述紅外距離感知器圓形均勻分布于所述外筒前端邊緣區(qū)域。
[0026]APXS為巡視器有效載荷系統(tǒng)的單機(jī)設(shè)備，探頭隔熱安裝在機(jī)械臂末端，通過電纜