張 巖 郭建華 張永強(qiáng)

(1 中國科學(xué)院暗物質(zhì)與空間天文重點實驗室中國科學(xué)院紫金山天文臺 南京 210033)

(2 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

1 引言

耀斑和日冕物質(zhì)拋射是最劇烈的兩類太陽爆發(fā)現(xiàn)象,現(xiàn)代太陽物理學(xué)普遍認(rèn)為兩者主要由太陽磁場驅(qū)動,但怎樣的磁場可以產(chǎn)生耀斑和日冕物質(zhì)拋射,這在當(dāng)今太陽物理中仍是一個極其重要的問題[1–2].對太陽X射線的觀測,有助于研究太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)和活動周期,了解太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射3者之間的關(guān)系,對太陽物理研究及相關(guān)恒星形成與演化研究有重要的科學(xué)意義[3–5].

先進(jìn)天基太陽天文臺(ASO-S)是中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項規(guī)劃的第2批科學(xué)衛(wèi)星之一,通過多種儀器的聯(lián)合觀測,實現(xiàn)對太陽磁場、太陽耀斑及日冕物質(zhì)拋射3種太陽活動現(xiàn)象內(nèi)在關(guān)系的研究[1].ASO-S搭載了3個科學(xué)載荷,分別是Lyman-α望遠(yuǎn)鏡(LST),全日面磁向儀(FMG)和硬X射線成像儀(HXI)[6].

HXI由3臺單機(jī)組成,分別是準(zhǔn)直器、量能器和電控箱,如圖1所示.為實現(xiàn)在30–200 keV能段對太陽硬X射線進(jìn)行成像觀測,HXI采用了空間調(diào)制成像技術(shù),利用準(zhǔn)直器前后基板安裝92對不同縫寬和指向的金屬鎢光柵,對入射的太陽硬X射線進(jìn)行傅里葉調(diào)制,隨后由量能器測量每對光柵調(diào)制后的X射線通量和能譜,再通過電控箱收集匯總,由衛(wèi)星平臺發(fā)送至地面,最后經(jīng)過地面數(shù)據(jù)處理完成圖像重建工作.

圖1 HXI儀器單機(jī)視圖Fig.1 Schematic view of the HXI payload

量能器作為硬X射線成像儀的重要部件,包含9 × 11個探測單元陣列及相應(yīng)的讀出電子學(xué)系統(tǒng)和高壓分配電路.每個探測單元由1個溴化鑭(LaBr3)晶體和光電倍增管(PMT)組成: 其中92個探測單元位于準(zhǔn)直器光柵正后方,用于測量不同傅里葉分量的X射線通量和能譜; 3個探測單元前端無光柵遮擋,用于直接測量全日面X射線通量; 剩余4個探測單元被金屬鎢完全遮擋,實現(xiàn)對空間環(huán)境帶電粒子本底的測量.讀出電子學(xué)系統(tǒng)安裝于探測單元正后方,用于探測單元輸出信號的放大、成形和采集處理,并將處理后的能譜和通量等科學(xué)數(shù)據(jù),通過科學(xué)數(shù)據(jù)接口定時發(fā)送給電控箱.

根據(jù)ASO-S衛(wèi)星方案論證報告和HXI分系統(tǒng)任務(wù)書的要求,HXI量能器需要觀測能段為30–200 keV的太陽硬X射線,在軌標(biāo)定使用的133Ba可以提供最高能量為381 keV的特征X射線,通過前期測試獲得的探測單元對X射線光子的轉(zhuǎn)換效率約為1 pC/keV (光電管電壓約800 V),考慮一定的余量,要求電子學(xué)系統(tǒng)動態(tài)范圍為0–400 pC.

根據(jù)方案階段的測試,溴化鑭-光電倍增管探測單元的本身能量分辨率在30 keV時約為20%,根據(jù)光子轉(zhuǎn)換率和能量分辨率(采用半高全寬(FWHM)統(tǒng)計)的定義,30 keV光子的輸出信號分布應(yīng)在(30 ± 2.55)pC的范圍內(nèi)(1σ),又因讀出電子學(xué)噪聲應(yīng)顯著小于探測單元信號自身的分布,從而避免造成能量分辨率的惡化,那么按照小于1/5信號分布的要求,讀出電子學(xué)系統(tǒng)噪聲應(yīng)小于500 fC.

根據(jù)HXI分系統(tǒng)任務(wù)書的要求,單個探測器需要探測的硬X射線光子的最大流量不小于100 Photons · cm?2·s?1(30 keV),已知準(zhǔn)直器光柵平均透過率為1/4,探測單元前端鋁合金衰減率為1/2 (30 keV),單個探測單元有效面積為4 cm2,可以計算出每個探測單元的最大事例率不小于50 kHz/s.考慮到探測器輸入事例通常服從泊松分布以及讀出電子學(xué)死時間通常應(yīng)小于1/10平均事例間隔,因此要求單通道死時間不大于2μs.

讀出電子學(xué)輸出能譜的能量分辨率來自于太陽硬X射線觀測的物理需求,系統(tǒng)積分非線性則按照常規(guī)讀出電子學(xué)系統(tǒng)要求,不大于2%.表1總結(jié)了量能器讀出電子學(xué)系統(tǒng)的主要性能參數(shù).

表1 HXI量能器讀出電子學(xué)性能指標(biāo)Table 1 The readout electronics performance of the HXI calorimeter

2 讀出電子學(xué)需求和挑戰(zhàn)

讀出電子學(xué)(Read-out electronics,RE)系統(tǒng)首先應(yīng)當(dāng)滿足HXI量能器的各項功能和性能需求.由于量能器探測單元采用LaBr3晶體和PMT的探測方式,讀出電子學(xué)系統(tǒng)應(yīng)具備高精度的電荷測量能力,電子學(xué)噪聲需要小于探測單元(包括LaBr3晶體和光電倍增管)自身的能量分辨率; 讀出電子學(xué)系統(tǒng)動態(tài)范圍應(yīng)大于HXI的能量探測范圍,可以用于補(bǔ)償不同探測單元之間LaBr3晶體光產(chǎn)額及PMT增益的差異.考慮到衛(wèi)星平臺數(shù)據(jù)存儲空間和傳輸帶寬的限制,讀出電子學(xué)系統(tǒng)應(yīng)將采集得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為分能段的事例計數(shù)和能譜數(shù)據(jù),減少星地之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量; 讀出電子學(xué)系統(tǒng)應(yīng)具有在軌標(biāo)定功能,以便及時修正由于溫度或其他環(huán)境參數(shù)變化而造成的測量結(jié)果偏差,并為后續(xù)科學(xué)數(shù)據(jù)處理提供依據(jù).

除了上述基本需求外,針對空間太陽硬X射線成像觀測的特點,HXI讀出電子學(xué)系統(tǒng)還存在以下設(shè)計挑戰(zhàn):

2.1 高事例率讀出

通過分析國外已有的太陽觀測衛(wèi)星的X射線觀測數(shù)據(jù),可以看出太陽X射線流量與太陽耀斑爆發(fā)呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性[7].在太陽平靜時期,其X射線流量幾乎與空間環(huán)境背景一致,小于1 Photons · cm?2·s?1(30–200 keV); 在太陽活動劇烈時期,X射線流量相比于平靜時期有4至5個數(shù)量級的增長[8],可達(dá)到105Photons · cm?2·s?1(30–200 keV).

國外同類探測衛(wèi)星常用的活動式X射線衰減片提高了應(yīng)對高流量信號的能力,在太陽爆發(fā)時移動衰減片遮擋探測單元,降低實際進(jìn)入的X射線流量[9–10],但由于衛(wèi)星平臺的體積和重量限制,HXI量能器無法采用此類方法.讀出電子學(xué)系統(tǒng)一方面需降低單次事例的讀出死時間,提高系統(tǒng)吞吐率; 另一方面應(yīng)具備信號堆積檢測功能,避免在入射X射線事例率較高時,采集到信號堆積后的錯誤幅值.

2.2 高集成度并行讀出

空間探測儀器的體積和重量受到衛(wèi)星平臺及運載火箭的嚴(yán)格約束,因此HXI量能器采用了緊湊的一體化設(shè)計方式,其單機(jī)結(jié)構(gòu)布局如圖2所示.量能器在碳纖維框架結(jié)構(gòu)中布置了9 × 11個探測單元陣列,并在碳纖維框架后部屏蔽板內(nèi)側(cè)安裝4塊電路板,用于布置讀出電子學(xué)系統(tǒng),每塊電路板面積不超過16 cm × 18 cm.

圖2 HXI量能器布局圖Fig.2 Lay out of the HXI calorimeter

參考暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星的設(shè)計經(jīng)驗[11–12],讀出電子學(xué)系統(tǒng)采用了多通道集成電荷測量芯片,從而降低電路復(fù)雜度,降低電子學(xué)功耗.不同于暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星的數(shù)據(jù)采集和觸發(fā)機(jī)制[13],空間傅里葉調(diào)制成像原理決定了不同傅里葉分量的探測單元之間不存在數(shù)據(jù)相關(guān)性,HXI讀出電子學(xué)系統(tǒng)需要為每個探測單元提供獨立的觸發(fā)采集功能,并擁有獨立的信號放大、成形和采集電路,確保不同通道的數(shù)據(jù)讀出互不影響.

2.3 抗輻射及高可靠性要求

空間儀器的特殊性要求其能夠抵御嚴(yán)酷的外部環(huán)境,無法維修的客觀條件也要求其具備較高的可靠性.針對HXI量能器讀出電子系統(tǒng),空間環(huán)境的主要考驗來自于高能帶電粒子和宇宙線造成的輻射損傷.根據(jù)輻射效應(yīng)基本知識,空間輻射效應(yīng)主要表現(xiàn)在關(guān)鍵元器件的單粒子效應(yīng)(Single Event Effect,SEE)和總劑量損傷(Total Ionizing Dose,TID)兩個方面.讀出電子學(xué)系統(tǒng)需要選用高耐輻射等級的元器件,并在結(jié)構(gòu)上和電路設(shè)計上采用合理措施,提高元器件總劑量和單粒子效應(yīng)防護(hù)等級,滿足空間環(huán)境應(yīng)用要求.

在可靠性方面,探測單元和模擬信號處理部分無法增加冗余備份,主要依靠合理設(shè)置光柵,配合地面圖像重建算法的優(yōu)化,來增加各探測單元數(shù)據(jù)的冗余度.讀出電子學(xué)系統(tǒng)通過在控制現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)芯片內(nèi)部采用3模冗余設(shè)計,在通信接口等方面采用冗余熱備份的方式,增加系統(tǒng)可靠性.

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 電子學(xué)整體結(jié)構(gòu)

讀出電子學(xué)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示,全部99套探測單元的輸出信號被接入到4塊讀出電子學(xué)板,每塊電路板包含2套讀出電子學(xué)模塊,每套模塊由電荷測量芯片,13路運算放大器(Operation Amplifier,OPA)和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(Analog Digital Converter,ADC)芯片,FPGA及遙測電路組成.讀出電子學(xué)系統(tǒng)的供電來自于HXI電控箱的直流-直流轉(zhuǎn)換(DC-DC)模塊,并通過讀出電子學(xué)板上的低壓差穩(wěn)壓芯片(Low Dropout Regulator,LDO)進(jìn)行穩(wěn)壓.

圖3 讀出電子學(xué)框圖Fig.3 Block diagram of the read-out electronics

讀出電子學(xué)模塊通過電荷測量芯片接收來自PMT的信號,經(jīng)過放大和成形后,輸出給外部運算放大器及ADC芯片,同時輸出相關(guān)觸發(fā)信號給控制FPGA,以控制對應(yīng)通道的ADC芯片的轉(zhuǎn)換工作.FPGA完成數(shù)據(jù)采集和能譜累積后,通過科學(xué)數(shù)據(jù)接口將上述數(shù)據(jù)傳送給電控箱.科學(xué)數(shù)據(jù)接口采用低電壓差分信號(LVDS)電平標(biāo)準(zhǔn),碼速率為25 Mbps.為保證全部8套讀出電子學(xué)模塊采集過程同步,電控箱通過RS422接口向所有模塊發(fā)送采集同步信號,信號采用(500 ± 50)ns負(fù)脈沖形式.電控箱發(fā)送的命令信息和讀出電子學(xué)模塊返回的狀態(tài)信息通過命令/狀態(tài)接口傳輸,該接口采用半雙工形式,使用通用異步收發(fā)傳輸(UART)協(xié)議,傳輸碼速率為115.2 kpbs.

3.2 PMT信號輸入及保護(hù)電路

為了減少信號衰減并提高信號抗干擾能力,PMT輸出信號需要進(jìn)行屏蔽保護(hù).綜合考慮量能器單機(jī)內(nèi)部布線空間和讀出電子學(xué)板接插件的布局空間,最終決定選用RG-178型同軸線纜和Nicomatic公司的CMM型接插件進(jìn)行信號傳輸.為簡化設(shè)計,每個讀出電子學(xué)模塊均安裝一個13路同軸線纜輸入接插件,并在量能器單機(jī)總裝時根據(jù)實際探測單元布置情況,接入12或13路PMT信號.

根據(jù)電荷測量芯片數(shù)據(jù)手冊說明,芯片內(nèi)部已經(jīng)添加了靜電放電(ESD)保護(hù)二極管.但是根據(jù)暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星研制經(jīng)驗[11],對于信號輸入管腳依然需要額外添加外部的限流電路和保護(hù)二極管,避免高壓電源加斷電瞬間產(chǎn)生的大脈沖信號對芯片造成損傷.

圖4展示了電荷測量芯片模擬信號輸入管腳的靜電放電保護(hù)電路,其中51 ?電阻提供限流功能.為了減少電路板面積占用,保護(hù)二極管選用Microsemi公司的1N5772二極管陣列芯片,每個芯片可以提供8路信號的ESD保護(hù).需要注意的是,由于兩個保護(hù)二極管在正常工作時的漏電流并不完全一致,因此會產(chǎn)生一個直流電流分量進(jìn)入電荷測量芯片[11],并對實際信號測量造成影響.生產(chǎn)過程中應(yīng)對選用的二極管陣列進(jìn)行篩選,選擇漏電流盡可能相近的芯片,同時利用電荷測量芯片的輸入端電流補(bǔ)償功能,消除漏電流對測量結(jié)果造成影響.

圖4 輸入保護(hù)電路框圖Fig.4 Block diagram of the input protection

3.3 電荷測量芯片及模擬電路

集成電荷測量芯片實現(xiàn)了探測單元信號的放大、觸發(fā)和成形功能,每個芯片提供16路獨立的信號處理通道,讀出電子學(xué)系統(tǒng)通過使用8片電荷測量芯片,實現(xiàn)全部探測單元信號的讀出.在集成電荷測量芯片的選型過程中,首先需要考慮芯片的動態(tài)范圍和噪聲必須滿足儀器的指標(biāo)要求; 其次,成形濾波電路的時間常數(shù)不宜過大,根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù),太陽耀斑爆發(fā)時硬X射線平均流量約為105Photons · cm?2·s?1,考慮到單位時間內(nèi)進(jìn)入探測器的事例數(shù)服從泊松分布,要求電荷測量芯片輸出信號的達(dá)峰時間應(yīng)小于400 ns,避免高事例率條件下發(fā)生信號堆積.綜合考慮上述需求和之前類似探測器的研制經(jīng)驗,在HXI電性件階段,采用IDE3380作為電荷測量芯片來驗證系統(tǒng)功能,在初樣階段更換為添加了新功能的IDE3381芯片.

IDE3380芯片的原理框如圖5所示,PMT輸出信號通過AIN接口輸入芯片,由芯片內(nèi)部的電流輸入模塊(CMIS)補(bǔ)償外部ESD保護(hù)電路的漏電流,同時根據(jù)需要來調(diào)整不同探測單元信號的增益.隨后信號經(jīng)過電荷靈敏放大器(Charge Sensitive Amplifier,CSA)積分放大后分別進(jìn)入慢成形電路(P3)和快成形電路(P4).在慢成形電路中,信號由CR-RC電路濾波成形,輸出信號峰值正比于輸入脈沖信號的電荷量,信號達(dá)峰時間約300 ns,并由跟蹤保持電路(Track ＆ Hold)保持,輸出給外部ADC芯片進(jìn)行采集,考慮到ADC芯片的采樣轉(zhuǎn)換時間約為1.6μs,可以確保單次事例采集的死時間不超過2μs; 在快成形電路中,信號由另一個達(dá)峰時間為50 ns的CR-RC電路成形放大,經(jīng)過一個可配置的比較器產(chǎn)生觸發(fā)信號,輸出給外部控制FPGA,由于溴化鑭晶體的熒光衰減時間不超過25 ns,50 ns達(dá)峰時間可以保證電荷收集彈道損失不大,滿足觸發(fā)要求.

讀出電子學(xué)系統(tǒng)采用每通道獨立觸發(fā)采集的工作方式,觸發(fā)閾值的標(biāo)定采用能譜截斷的方式間接完成,通過觀測不同閾值下采集的能譜數(shù)據(jù)的截斷能量位置,實現(xiàn)觸發(fā)閾值的能量標(biāo)定.

外部運算放大器及ADC電路如圖6所示.因為電荷測量芯片采用單端電壓輸出,所以運算放大器僅作為跟隨電路,增強(qiáng)驅(qū)動能力.由于ADC轉(zhuǎn)換時間是讀出死時間的主要部分,為提高系統(tǒng)讀出事例率,要求ADC轉(zhuǎn)換時間小于1.7μs.在ADC選型中發(fā)現(xiàn),采用Delta-Sigma架構(gòu)的ADC雖然采集精度較高(超過16 bit),但采樣率通常較低,不能滿足轉(zhuǎn)換時間要求; 采用流水線架構(gòu)的ADC芯片可以提供5 MHz以上的采樣率,但功耗基本超過200 mW,如果需要滿足16個通道的信號采集,通常需要配合多路模擬開關(guān),造成電路功耗較高,同時電路板面積也較大;采用逐次逼近寄存器(Successive Approximation Register,SAR)架構(gòu)的ADC芯片采集精度為10–12 bit,采樣率通常為0.2–1 MHz,功耗不超過10 mW,總體性能較為平衡,可以滿足系統(tǒng)對采樣速率和功耗的要求.經(jīng)過對比后選用ADI公司生產(chǎn)的AD7476EP芯片,其采集精度為12 bit,采樣率為600 kHz,功耗小于5 mW,16個通道總功耗不超過80 mW; 芯片采用SOT23封裝,可以在較小的電路板面積上設(shè)計16個通道的采集電路.該芯片也在暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星硅微條探測器上得到成功應(yīng)用,具備在軌飛行經(jīng)驗.

圖5 IDE3380芯片框圖Fig.5 Block diagram of IDE3380 chip

圖6 OPA與ADC電路圖Fig.6 Block diagram of the OPA ＆ ADC

3.4 FPGA數(shù)據(jù)處理

ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA后被處理為科學(xué)數(shù)據(jù)并傳輸給電控箱.根據(jù)HXI的觀測需要,科學(xué)數(shù)據(jù)分為3類: 逐事例數(shù)據(jù)—記錄了每個信號觸發(fā)時間碼和觸發(fā)狀態(tài)等信息,可用于在軌觸發(fā)閾值標(biāo)定; 能譜數(shù)據(jù)—將每次采集的數(shù)據(jù)以能譜形式保存,用于硬射線圖像重建,同時配合內(nèi)部標(biāo)定源可以實現(xiàn)探測單元絕對能量標(biāo)定; 分能段計數(shù)數(shù)據(jù)—直接使用電荷測量芯片(IDE3381)內(nèi)部觸發(fā)單元的分段計數(shù)功能,記錄4種不同閾值的觸發(fā)事例數(shù),用于太陽大耀斑爆發(fā)時( 105Photons · cm?2·s?1)的圖像重建,并可對能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行修正.

FPGA模塊結(jié)構(gòu)如圖7所示,采用存儲控制狀態(tài)機(jī)多通道輪詢的讀出方案.由存儲控制狀態(tài)機(jī)逐個查詢每個通道的數(shù)據(jù)緩存,如果存在觸發(fā)采集的數(shù)據(jù),則進(jìn)行相應(yīng)的能譜數(shù)據(jù)和逐事例數(shù)據(jù)存儲.存儲控制狀態(tài)機(jī)的工作頻率為50 MHz,每4個周期完成一個通道的數(shù)據(jù)處理,1.1μs內(nèi)完成全部13個通道的數(shù)據(jù)處理,小于每個通道ADC芯片的單次轉(zhuǎn)換時間,從而避免輪詢式存儲過程丟失數(shù)據(jù).

圖7 FPGA單元框圖Fig.7 Block diagram of the FPGA units

3.5 高可靠性及抗輻射設(shè)計

ASO-S衛(wèi)星運行在720 km高度太陽同步軌道,根據(jù)軌道環(huán)境仿真結(jié)果,在3 mm等效鋁合金屏蔽條件下,4 yr壽命內(nèi)輻射總劑量小于10 krad (Si),考慮到一定的余量,要求元器件具備30 krad (Si)的總劑量指標(biāo).探測單元晶體厚度為25 mm,因此可以在讀出電子學(xué)板正面替代屏蔽材料,以阻擋大多數(shù)空間輻射; 讀出電子學(xué)板背面采用增加屏蔽板厚度的方式,提高總劑量指標(biāo).暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星元器件輻照試驗表明[14–15],VA160系列電荷測量芯片和APA600型FPGA芯片兩種關(guān)鍵元器件的總劑量指標(biāo)均超過30 krad(Si),HXI讀出電子學(xué)系統(tǒng)采用相同型號的FPGA芯片作為主控芯片,同時IDE3380芯片采用的生產(chǎn)工藝也與VA160相同,生產(chǎn)廠家給出該芯片總劑量水平不低于100 krad (Si),其余元器件也可以通過增加措施滿足總劑量指標(biāo).

針對單粒子鎖定(Single Event Latch-up,SEL)現(xiàn)象,通過添加限流電阻并監(jiān)測電流的方式進(jìn)行防護(hù): 在芯片電源輸入端串聯(lián)0.25 ?的電阻,通過監(jiān)控電阻兩端的電壓差實現(xiàn)對芯片工作電流的監(jiān)控,當(dāng)發(fā)生單粒子鎖定情況時,控制FPGA可以及時關(guān)閉芯片供電保證芯片安全.對于單粒子翻轉(zhuǎn)(Single Event Upset,SEU)現(xiàn)象,通過FPGA內(nèi)部狀態(tài)機(jī)及關(guān)鍵寄存器的3模冗余設(shè)計,同時添加傳輸數(shù)據(jù)校驗,可以有效避免數(shù)據(jù)錯誤.根據(jù)廠家提供的指標(biāo),電荷測量芯片單粒子翻轉(zhuǎn)閾值不小于50 MeV·cm2· mg?1,單粒子閂鎖閾值不低于135 MeV·cm2· mg?1,滿足衛(wèi)星空間環(huán)境的要求.

4 性能測試

4.1 讀出死時間及堆積檢測測試

圖8展示了一次典型的觸發(fā)采集過程,自上而下分別為PMT輸出信號、電荷測量芯片觸發(fā)輸出信號、電荷測量芯片模擬輸出信號、ADC芯片工作使能信號.從圖中可以看出,從PMT輸出信號到ADC完成模數(shù)轉(zhuǎn)換,單次數(shù)據(jù)處理時間約為1.6μs,滿足死時間小于2μs的性能要求.

圖8 觸發(fā)采集波形Fig.8 Waveform of the trigger ＆ sampling

圖9展示高事例率條件下經(jīng)常發(fā)生的信號堆積過程,自上而下分別為PMT輸出信號、電荷測量芯片觸發(fā)輸出信號、電荷測量芯片模擬輸出信號、堆積檢測信號.從圖中可以看出,當(dāng)PMT輸出信號間隔小于ADC采集時間時,電荷測量芯片模擬輸出的信號出現(xiàn)堆積,FPGA通過檢測兩個觸發(fā)信號的時間間隔,判斷出現(xiàn)了信號堆積,堆積監(jiān)測信號輸出高電平,同時停止ADC芯片采集工作,放棄當(dāng)前信號的采集.

圖9 堆積檢測波形Fig.9 Waveform of the pile-up detection

由于堆積檢測電路采用放棄堆積信號采集的處理方式,會對太陽硬X射線流量測量造成影響,因此在未來IDE3381電荷測量芯片中需要添加能譜計數(shù)功能,通過直接利用快成形濾波電路的輸出,統(tǒng)計當(dāng)前通道的事例率,并用該數(shù)據(jù)作為實際測量能譜和流量數(shù)據(jù)的修正.

4.2 線性動態(tài)范圍及噪聲測試

通過更改標(biāo)定電路的輸出電壓,可以模擬不同電荷量的輸入,實現(xiàn)讀出電子學(xué)線性動態(tài)范圍測試.從圖10可以看出,讀出電子學(xué)模擬電路部分在30–462 pC輸入電荷的范圍內(nèi)輸出基本維持線性,擬合結(jié)果計算得到積分非線性小于2%.

圖10 線性測試結(jié)果Fig.10 Result of the linearity test

通過標(biāo)定電路輸入小信號脈沖,可以測量電子學(xué)系統(tǒng)的探測下線和基線噪聲情況,測量結(jié)果如圖11所示.對于小于10 pC的輸入信號,電荷測量芯片輸出為恒定值,其數(shù)值由內(nèi)部多級放大電路的失調(diào)電壓決定,因此讀出電子學(xué)系統(tǒng)無法測量小于10 pC的信號.圖中誤差棒為數(shù)據(jù)峰值高斯擬合后得到的標(biāo)準(zhǔn)差,代表了電子學(xué)的噪聲水平.通過計算可以得到,電子學(xué)系統(tǒng)讀出噪聲不超過120 fC,滿足讀出電子學(xué)系統(tǒng)噪聲小于500 fC的要求,對量能器能量分辨率影響小于0.4% (30 keV).

4.3 能量分辨率測試

使用133Ba和241Am兩種放射源,可以測量HXI量能器的實際能量分辨率,圖12和圖13為測試結(jié)果能譜.需要指出的是,由于LaBr3晶體含有138La,其衰變退激發(fā)的X射線和同時發(fā)生的俄歇電子效應(yīng)會產(chǎn)生36 keV的能量沉積,與133Ba的31 keV特征X射線相互疊加,因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合和能量分辨率計算時應(yīng)當(dāng)將兩者分離.由于133Ba放射源和LaBr3晶體內(nèi)138La的活度均是已知的,通過雙高斯擬合的方式,可以分別獲得兩個特征峰的分辨率.根據(jù)測試能譜計算結(jié)果,HXI量能器可以在31 keV實現(xiàn)19.7%的能量分辨率,在59.5 keV和81 keV分別獲得13.6%和11.9%的能量分辨率,優(yōu)于27%能量分辨率的設(shè)計指標(biāo),可以有效提升分能段成像時的精度.

圖11 噪聲測試結(jié)果Fig.11 Result of the noise test

圖12 133Ba能譜結(jié)果Fig.12 Spectrum of the 133Ba source

圖13 241Am能譜結(jié)果Fig.13 Spectrum of the 241Am source

5 總結(jié)與展望

本文介紹了先進(jìn)天基太陽天文臺衛(wèi)星硬X射線成像儀載荷量能器的讀出電子學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計,該系統(tǒng)可以實現(xiàn)99路探測單元信號的并行讀出和能譜處理,其電子學(xué)讀出死時間小于2μs,動態(tài)范圍內(nèi)(30–400 pC)積分非線性小于2%,電子學(xué)噪聲小于120 fC,配合LaBr3晶體和PMT探測單元能量分辨率可達(dá)19.7% (31 keV).滿足ASO-S衛(wèi)星硬X射線成像儀對讀出電子學(xué)系統(tǒng)的性能要求,并可應(yīng)用于其他空間太陽X射線探測項目.