成昱旻，蘭小飛，石宗仁，湯秀章

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

望遠鏡式空間帶電粒子探測系統(tǒng)研制

成昱旻，蘭小飛，石宗仁，湯秀章

（中國原子能科學研究院，北京 102413）

為滿足空間高能粒子環(huán)境探測要求，研制了一套數(shù)字化空間電子、質(zhì)子注量率能譜探測系統(tǒng)原理樣機。該探測系統(tǒng)采用了半導體探測器組成的望遠鏡式結(jié)構，并應用了數(shù)字化的信號處理方法，能探測 0.5MeV以上的電子和5～300MeV的質(zhì)子；具有能夠?qū)崟r測量、體積小、重量輕、功耗低及可靠性高等優(yōu)點。對該系統(tǒng)的各探測器的能量分辨率進行了實驗測試，結(jié)果表明：TSi半導體探測器的能量分辨率可達0.5%，Si（Li）探測器的能量分辨率約為1.02%，均在可接受范圍（小于5%）內(nèi)。

空間環(huán)境；帶電粒子；探測系統(tǒng)；半導體望遠鏡；脈沖分析；三重符合

0 引言

開展空間粒子探測一方面可為研究空間物理現(xiàn)象和機制提供分析數(shù)據(jù)，空間粒子的通量和能譜的變化可為空間災害性事件提供預警［1-3］；另一方面可為載人航天的飛行安全提供保障。因此，空間粒子探測既是人們進行空間探測、研究太空物理學現(xiàn)象的基本方法，也是人們認識和研究太空、向太空進軍的必要條件［4-5］。

用于空間粒子探測的探測器主要有以下幾種［3］：1）氣體探測器，它在空間粒子探測的早期曾起過很大作用，現(xiàn)主要用于探測X射線；2）閃爍體探測器，只在探測中高能粒子時適用；3）切倫科夫探測器，亦只用于探測高能粒子；4）半導體探測器，收集帶電粒子入射后由電離效應所產(chǎn)生的電子-空穴對，可測量從低能到高能的絕大部分帶電粒子，其材料主要是硅和鍺。由于半導體探測器具有體積小、重量輕、能量分辨率高等優(yōu)點而廣泛應用于空間粒子的探測，主要用到的有漂移型、面壘型、高純型硅（鍺）探測器［6］。

空間帶電粒子探測方法主要有半導體望遠鏡測量法、電場加速法、磁偏轉(zhuǎn)法等［7］。半導體望遠鏡測量法是基于帶電粒子能量沉積原理，儀器的入射窗非常薄甚至沒有；傳感器使用2～3片半導體探測器再加上電子線路；利用質(zhì)子和電子的射程差異，配以合適的鑒別方法和符合電路進行測量和鑒別。該方法的優(yōu)點是：儀器設計和電子線路、原理簡單；只要儀器工藝和制作技術達到要求，就能較好地滿足能量道劃分和能量測量的需要［8-9］。

在探測器信號處理方面，傳統(tǒng)的模擬信號處理方法由于電子線路體積笨重、抗干擾能力差等缺點，已經(jīng)越來越難以滿足空間探測日益增長的技術需求。而基于數(shù)字信號處理的方法在粒子探測器信號處理中應用越來越廣泛［8］。

由于航天器的特殊性，航天用粒子探測系統(tǒng)與地面粒子探測系統(tǒng)的重大差別主要表現(xiàn)在前者要求體積小、重量輕、功耗低及可靠性高等方面［7-8］。為滿足空間高能粒子環(huán)境探測要求，自研了一套用于航天器艙外和艙內(nèi)電子、質(zhì)子注量率和能譜測量的探測系統(tǒng)（包括硬件和軟件），并通過實驗對該系統(tǒng)的能量分辨率水平進行測試。

1 探測系統(tǒng)硬件結(jié)構設計

探測系統(tǒng)探頭部分采用了硅半導體探測器并使用粒子望遠鏡的結(jié)構方式。粒子鑒別及能譜測量采用了能量射程法、脈沖幅度分析法等?？臻g探測系統(tǒng)要求實時測量、空地通信數(shù)據(jù)量少、體積小，故信號處理部分采用了數(shù)字化的方法。粒子探測系統(tǒng)的整體結(jié)構如圖1所示。

圖1　探測系統(tǒng)整體結(jié)構Fig. 1 Whole structure of detection system

該系統(tǒng)由粒子望遠鏡和信號處理兩部分組成。粒子望遠鏡的探測器包括2塊厚100μm的離子注入Si半導體探測器（TSi）和1塊厚5mm的鋰漂移Si半導體探測器。信號處理部分包括核電子學電路和軟件程序。粒子望遠鏡探測器輸出的3路脈沖信號經(jīng)前置電荷靈敏放大器后得到一定幅度的最佳信噪比的脈沖；然后進入數(shù)字儀的 A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換后的信號進入數(shù)字儀的DPP-PHA（脈沖幅度分析）固件進行符合處理，包括梯形濾波成形及幅度分析，以判斷3路信號脈沖是否由同一入射粒子產(chǎn)生；之后將符合的3路信號時間、幅度等信息送入計算機處理。采集軟件控制DPP-PHA固件運行及其與計算機的通信。數(shù)據(jù)處理程序通過信號的分辨系數(shù)識別質(zhì)子和電子，得出最終的能譜。由于在A/D轉(zhuǎn)換器里有多個寄存器，信號處理部分幾乎沒有死時間，所以整個系統(tǒng)的信號處理能力只取決于脈沖成形寬度。而通常前置放大器輸出的脈沖寬度一般為50μs，經(jīng)梯形成形后約為5μs，故其最大測量通量可達105/s數(shù)量級。

1.1帶電粒子望遠鏡

1.1.1望遠鏡結(jié)構設計

粒子望遠鏡結(jié)構如圖 2所示。按粒子入射順序，望遠鏡由以下部件組成：

1）由于半導體探測器對光靈敏，在入口處放置擋光膜，這里采用具一定機械強度的厚15μm的鋁膜。

2） 2個全耗盡透射型離子注入Si半導體探測器，直徑19.54mm，厚100μm，有效探測面積300mm2；出廠噪聲水平11keV FWHM；對241Am α源的出廠分辨率為16keV FWHM。

3）1個Li漂移Si探測器，直徑15.96mm，厚5mm，有效探測面積200mm2；它能阻止30MeV的質(zhì)子；對241Am α源的出廠分辨率為 38keV FWHM。

3個探測器在厚5mm的鋁筒內(nèi)定位和緊固，入口呈喇叭口形，有利于屏蔽低能電子和質(zhì)子。

圖2　粒子望遠鏡結(jié)構Fig. 2 Structure of the particle telescope

粒子望遠鏡各參數(shù)定義見圖2。綜合考慮離子的注量率以及電路處理能力等因素，取α=30°，則探測器的各參數(shù)分別為：h1=h2=31.3mm，h0=16.9mm，h=16.9 + 62.6=79.5mm。立體角? =0.214，占4π立體角的比例為0.017。

為減少側(cè)面入射的電子和低能質(zhì)子，從而減少每個探測器的非關聯(lián)的計數(shù)率，探測器需要選取適當?shù)谋诤?。由于質(zhì)子的穿透能力遠小于電子，此處僅需考慮屏蔽較低能量的電子即可。表1是計算得出的各能量的電子在鋁中的射程。從表1可以看出：當鋁筒壁厚約為5mm時，垂直筒壁入射的2MeV電子將全部被阻止（低于17.5MeV的質(zhì)子也將被阻止）。

表1　電子在鋁中的射程同能量的關系Table 1 Relationship between the range of electrons in aluminum and their energies

1.1.2粒子望遠鏡中能量沉積計算

根據(jù)質(zhì)子和電子在Si中的比能量損失、射程及下述公式編寫程序，計算它們在3個探測器中的能量沉積，其中，E1是粒子的初始能量，Ei和ΔEi分別是入射到第i個探測器的能量及其能量沉積。

利用射程-能量關系，

式中?Xi是探測器的厚度，其中?X1=?X2=100μm（相當于0.0233g/cm2），?X3=5mm（相當于1.165g/cm2）；R（Ei）是入射到第i個探測器的能量為Ei的粒子的射程，R（Ei+1）是經(jīng)厚度?Xi探測器的剩余射程。通過內(nèi)插法，找出R（Ei+1）對應的能量Ei+1，則沉積能量為

由以上各式可以計算出各能量質(zhì)子和電子在各探測器中的沉積能量，如圖3所示。

圖3　質(zhì)子和電子在各探測器中的沉積能量Fig. 3 Deposited energy of protons and electrons in the probe

由圖3可知：

1）對于質(zhì)子：① 在2個TSi探測器中的沉積能量隨入射能量增加而單調(diào)減少；入射能量在10MeV以上時沉積能量基本沒有差異；入射能量在300MeV時，能量沉積為67keV，仍然高于噪聲水平。② 在 Si（Li）探測器中，當入射能量＜30MeV時，沉積能量等于入射到該探測器的能量；當入射能量＞30MeV時，能量沉積單調(diào)減少，但仍高于在TSi中沉積能量的50倍；入射能量在30MeV時，沉積能量達到極大。

2）對于電子：當入射能量＜2MeV時，在2 個TSi中的能量沉積隨電子能量增加而單調(diào)減少，最小為36keV，仍然高于噪聲水平；在Si（Li）探測器沉積全部能量。當入射能量≥2MeV時，能量沉積緩慢上升。

綜上，2MeV電子和30MeV質(zhì)子在Si（Li）探測器中具有一個沉積能量極大值，其幅度可作為能量標度。

1.1.3質(zhì)子和電子的鑒別

定義電子和質(zhì)子的分辨系數(shù)為

0.5～20MeV電子的η值為 0.018～0.18，5～300MeV質(zhì)子的η值為10.4～0.227，因此可使用分辨系數(shù)來區(qū)分電子和質(zhì)子。計算的電子和質(zhì)子分辨系數(shù)如圖4所示，分別用黑線和紅線表示，可見電子和質(zhì)子明顯被區(qū)分開來。

圖4　電子和質(zhì)子分辨系數(shù)Fig. 4 Resolving power for electron and proton

1.1.4入射角對沉積能量的影響

編程計算了入射角對沉積能量的影響。α=30°，故對應的粒子入射角是0°～15°。因此取中心角度7.5°為基準入射角。則入射角為0°和15°時的沉積能量相對于以基準角入射時有一定展寬。表 2以200MeV的質(zhì)子為例來說明。

根據(jù)?E3，此時0°和15°入射時對應于7.5°入射時的質(zhì)子能量分別為205.0 MeV和194.1 MeV，其能量誤差差分別為2.5%%和2.9%，均均在可以接受受的誤差范圍內(nèi)內(nèi)。

表2　200 MeV質(zhì)子斜斜入射時的沉積能量展寬Table 2 BBroadening of ddeposited energyy of the 200Mee Voblique-incidencce proton

1.2信號處處理部分

帶電粒粒子在探測器器中產(chǎn)生的電電離脈沖信號號經(jīng)前置放大器器進入數(shù)字儀儀。數(shù)字儀的核核心固件是數(shù)數(shù)字脈沖處理器器（DPP）。

數(shù)字儀儀工作原理如如圖5所示。前前置放大器輸輸出脈沖信號經(jīng)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字字脈沖信號后后分兩路：一路路信號作為觸觸發(fā)和定時，濾濾除噪聲和虛虛假信號，同時時提供觸發(fā)信信號和時間標志信號，觸發(fā)發(fā)信號將控制另另一路的輸出出；另一路信信號經(jīng)DPP的的梯形濾波器成成形后用于測測量脈沖的各各參數(shù)，DPP將將所獲取信號的的時間標志、幅度、波形等等信息集中生生成一個Eventt。在數(shù)字儀的的FPGA間處處理各路的符符合。當每路信號號脈沖幅度超超過閾值后，將將分別產(chǎn)生一一個觸發(fā)請求脈脈沖TST；當3路的TST都都出現(xiàn)在預置置符合窗TTVAWW時，將產(chǎn)生生一個符合輸出觸發(fā)信號。。該信號控制DDPP生成的EEvent是否存存入存儲器。

圖5　數(shù)數(shù)字儀工作原理理Fig. 55 The workinng principle of tt he digitizer

由采集集軟件經(jīng)USBB獲取一定時時間下滿足符符合條件的數(shù)字字化脈沖分析析儀的數(shù)據(jù)，解解析出各個沉沉積信號的波形形、幅度、時間間等參數(shù)，并輸輸出表格文件件。數(shù)據(jù)處理程程序處理采集集軟件的輸出出文件，借分辨辨系數(shù)識別質(zhì)子子和電子，隨后分別得到電子和質(zhì)子的的能譜及其分區(qū)區(qū)段的計數(shù)［100］。

2 軟件編編程

2.1采集軟軟件

采用的的數(shù)字儀是CC AEN公司的DT5724，，其DPPP固件是DPPP-PHA（脈沖沖幅度分析）），數(shù)據(jù)采集軟件件使用LabVView2014編寫寫。采集軟件件的作用有：設置置DPP固件的的各參數(shù)；控控制DPP的運運行；從DPP獲取取各Event信信息并進行處處理得到各波波形圖、沉積譜等等；輸出格式式化數(shù)據(jù)供數(shù)數(shù)據(jù)處理軟件進進行最終計算。采集軟件的的控制及顯示示界面如圖6所示。

圖6　采集軟件控制及顯示界面Figg. 6 Control annd display interfaace of the acquissition software

在此探測系系統(tǒng)中，符合合是非常重要要的一環(huán)，它能能保證數(shù)字儀儀的3個通道道同時采集到到的數(shù)據(jù)是來源源于同一個粒粒子在3個探探測器中的沉沉積能量，只有有這樣才能根據(jù)沉積能能量反推入射射粒子的能量。。符合功能在在編寫采集軟軟件中實現(xiàn)。。在數(shù)字化儀DT5724中，數(shù)據(jù)采集的的觸發(fā)信號通通過一個全局觸觸發(fā)信號來控控制，全局觸觸發(fā)信號由各各路的觸發(fā)信號號通過運算生生成。在這里里即是要求3個探測器接受受同一粒子沉沉積能量產(chǎn)生生脈沖使3路路信號同時觸發(fā)發(fā)才能產(chǎn)生全全局觸發(fā)信號號。采用全局局觸發(fā)信號代替替原各路獨自自的觸發(fā)信號號來同時控制制3路的采集即即可實現(xiàn)3路路符合［11］。

2.22數(shù)據(jù)處理程序

采集軟件列列表輸出一定定時間內(nèi)各路路沉積信號的時時間標志、能能量等信息，其中能量幅度度是用與能量成成線性關系的的道數(shù)表示的的。采用一定能量的放射源進進行標定后可可以得到沉積積能量與道數(shù)數(shù)的具體線性關關系，從而將將道數(shù)換算成成沉積能量。在在數(shù)據(jù)處理程序序中也通過時時間標志對3路信號進行行進一步的符合合判定。圖77是數(shù)據(jù)處理理程序的流程程。在程序找出屬屬于同一個入入射粒子產(chǎn)生生的3路沉積積能量后，首先根根據(jù)前文所述述質(zhì)子和電子子的分辨系數(shù)數(shù)判斷入粒子種種類，然后根根據(jù)3個沉積積能量計算判斷其對應的入射射粒子能量。將一定時間內(nèi)所有數(shù)據(jù)處理完后即可得得到入射粒子子的能譜（分分段計數(shù)譜）。。

圖7　數(shù)據(jù)處理程序流程Fig. 7 Flowchart of the data processing program

3 能量分辨率實驗測試

實驗測試了各探測器的能量分辨率（半高展寬/中心能量）。

圖8是實驗測量接入離子注入TSi半導體探測器在不同偏置電壓后參考信號的能量分辨率，確定了離子注入 TSi半導體探測器最佳工作偏壓范圍為50～70V；在這個偏壓下，TSi半導體探測器的能量分辨率最好可達 0.5%。能量分辨率對測量結(jié)果誤差的影響非常小。

圖8　TSi半導體探測器能量分辨率Fig. 8 Energy resolution of TSi semiconductor detector

采用241Amα源對5mm厚的Si（Li）探測器進行了以下3項內(nèi)容的測試，目的是測量探測系統(tǒng)的噪聲：

1）不接探測器、加高壓，只接入?yún)⒖夹盘枺缓鬁y脈沖譜；

2）接入探測器、加偏壓，測參考信號的譜；

3）加入放射源，重復2）的過程，標定噪聲。由于是直接在空氣中測量，同時放射源并不是專用于刻度的放射源，其質(zhì)量不能完全滿足要求，導致測得241Amα源的能譜成了一個連續(xù)譜，但可以估算出探測器的噪聲信號的量級。

5mm厚Si（Li）探測器的測試結(jié)果見圖9。

圖9 5mm厚Si（Li）探測器的測試Fig. 9 Test of Si（Li） detector of 5mm thick

圖9左圖是第1）項和第2）項的結(jié)果的比較，明顯可以看出下圖峰的半高寬79.1道（FWHM）要遠大于上圖。這個展寬可以認為是由 5mm厚Si（Li）探測器噪聲引起的，由此得Si（Li）探測器的能量分辨率約為79.1/7781≈1.02%。

圖9右圖是測試第3）項時得到的沉積譜。當偏壓低于200V時，幾乎沒有辦法測到放射源的α能譜——因為偏壓太低，α粒子在探測器內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對復合率太高。隨著偏壓的加高，放射源的信號幅度增加，在偏壓超過400V以后，變化不大——可以把500V偏壓的放射源的能譜的截止道數(shù)（約6100道）看成是241Am源α粒子的最大能量5486keV。其對應的信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號半高寬為 79.5道。因此測得能量分辨率約為79.5/6100×5486keV≈71keVFWHM。由于受測試條件的限制，這個噪聲比探測器實際的噪聲要大。

因缺少90Sr β放射源，暫未進行以下2項測試：測量探測系統(tǒng)的符合分辨曲線以確定符合窗的大??；對探測系統(tǒng)的道數(shù)-能量轉(zhuǎn)化關系進行標定。

4 結(jié)束語

設計研制了包括粒子望遠鏡、核電子學電路等硬件以及采集軟件、數(shù)據(jù)處理程序等軟件在內(nèi)的全套電子和質(zhì)子探測系統(tǒng)原理樣機。使用該系統(tǒng)，可以將質(zhì)子和電子入射到望遠鏡產(chǎn)生的電離信號逐步處理得到入射粒子的能量，并最終得出一定時間的累積能譜。測試和計算表明，探測系統(tǒng)能量分辨率、其他種類粒子干擾、入射角不同等引起的測量誤差均在可以接受的范圍內(nèi)。

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（編輯：許京媛）

Development of space charged particle detection system of telescope style

CHENG Yumin， LAN Xiaofei， SHI Zongren， TANG Xiuzhang
（China Institute of Atomic Energy， Beijing 102413， China）

A space charged particle detection system is developed for detecting the space electron and proton fluence rate spectra， with a telescope-style structure made up of semiconductor detectors， and digital methods are used. It can detect electrons of more than 0.5 MeV and protons between 5 MeV and 300 MeV. The system is characterized by light weight， low power consumption， small size and high reliability.The energy resolution of the system is tested. The results show that the best energy resolution of the TSi semiconductor detectors is up to 0.5%， and that of the Si（Li）semiconductor detectors is about 1.02%:both are within the acceptable range（＜5%）.

space environment； charged particles； detection system； semiconductor telescope； pulse analysis；triple coincidence

V417+.9

A

1673-1379（2016）04-0364-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.04.005

2016-03-10；

2016-07-10

成昱旻（1990—），男，碩士研究生，現(xiàn)主要從事半導體粒子探測系統(tǒng)研究；E-mail:575958261@qq.com。指導教師：蘭小飛（1981—），男，博士學位，副研究員，現(xiàn)主要從事激光與物質(zhì)相互作用以及激光核物理方面的研究；湯秀章（1966—），男，博士學位，研究員，主要從事激光驅(qū)動慣性約束聚變和強激光技術應用方面的研究。