風(fēng)云二號(hào)03批衛(wèi)星空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器

韋 飛，王世金，梁金寶，王 月，張申毅，荊 濤，張煥新，張斌全，冷 雙

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190

1 引 言

風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器是我國(guó)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警太陽(yáng)大氣活動(dòng)變化及地球靜止軌道空間環(huán)境帶電粒子擾動(dòng)的重要探測(cè)設(shè)備，能夠?qū)?zāi)害性空間天氣事件進(jìn)行預(yù)警.1997年6月風(fēng)云二號(hào)A星成功發(fā)射以來(lái)，在過(guò)去14年時(shí)間里，01批衛(wèi)星（包括A星、B星）與02批衛(wèi)星（包括C星、D星、E星）空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器成功的業(yè)務(wù)運(yùn)行獲得了大量重要探測(cè)成果，如圖1、圖2所示，風(fēng)云二號(hào)的太陽(yáng)X射線探測(cè)器與空間粒子探測(cè)器，在過(guò)去的23周太陽(yáng)活動(dòng)峰年期間，成功警報(bào)了太陽(yáng)質(zhì)子事件和強(qiáng)磁暴，為我國(guó)衛(wèi)星的在軌安全保障做出了重要的貢獻(xiàn)［1］，也為03批產(chǎn)品在提升探測(cè)性能指標(biāo)和在軌抗背景帶電粒子干擾技術(shù)設(shè)計(jì)方面提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn).

太陽(yáng)X射線探測(cè)器的主要任務(wù)是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)耀斑X射線.太陽(yáng)大氣寧?kù)o時(shí)期，太陽(yáng)X射線流量極低，當(dāng)太陽(yáng)耀斑爆發(fā)時(shí)，高溫高熱的耀斑區(qū)突然釋放大量的X射線［2－3］，太陽(yáng)X射線與太陽(yáng)質(zhì)子事件具有高度相關(guān)性，而太陽(yáng)X射線以光速傳播，先于太陽(yáng)質(zhì)子到達(dá)近地空間，因此，太陽(yáng)X射線監(jiān)測(cè)可對(duì)太陽(yáng)質(zhì)子事件進(jìn)行預(yù)警［4－5］.

高能質(zhì)子重離子探測(cè)器和高能電子探測(cè)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地球靜止軌道空間環(huán)境帶電粒子的通量擾動(dòng)及其能譜分布.地球靜止軌道處于外輻射帶中心的邊沿，大量高能帶電粒子的存在可威脅衛(wèi)星設(shè)備的安全，高能質(zhì)子重離子探測(cè)器與高能電子探測(cè)器對(duì)衛(wèi)星和星載設(shè)備的安全保障具有重要作用.

風(fēng)云二號(hào)01批和02批空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器取得了重要探測(cè)成果，但在業(yè)務(wù)應(yīng)用過(guò)程中也存在一些問(wèn)題，主要在于氣體工作介質(zhì)在真空環(huán)境長(zhǎng)期工作狀態(tài)下性能衰減明顯，要滿足03批衛(wèi)星提出的4年在軌工作壽命要求存在技術(shù)困難.

因此，對(duì)風(fēng)云二號(hào)03批衛(wèi)星空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器的探測(cè)指標(biāo)進(jìn)行了較大的調(diào)整，對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)，由一臺(tái)太陽(yáng)X射線探測(cè)器和一臺(tái)高能質(zhì)子重離子探測(cè)器、一臺(tái)高能電子探測(cè)器組成空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器，作為風(fēng)云二號(hào)03批衛(wèi)星業(yè)務(wù)組成的重要部分.

主要的改進(jìn)措施有：太陽(yáng)X射線探測(cè)器采用了硅漂移傳感器（SDD）替代氣體正比計(jì)數(shù)器，整機(jī)狀態(tài)下對(duì)X射線探測(cè)的能譜分辨能力可達(dá)185eV＠5.9keV，探測(cè)能量范圍由4～100keV調(diào)整為1.5～24.8keV；高能質(zhì)子重離子探測(cè)器和高能電子探測(cè)器繼續(xù)采用離子注入型硅半導(dǎo)體傳感器，大幅度提高了應(yīng)用傳感器的數(shù)量，以擴(kuò)展高能電子和高能質(zhì)子探測(cè)的能量范圍，對(duì)探測(cè)能道進(jìn)行精細(xì)劃分；采用了偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)抑制帶電粒子干擾技術(shù)，使入射窗口的不感興趣帶電粒子偏離入射方向，避免其直接進(jìn)入傳感器或者與窗口材料相互作用產(chǎn)生次級(jí)射線對(duì)探測(cè)能道數(shù)據(jù)造成污染.

圖1 風(fēng)云二號(hào)太陽(yáng)X射線探測(cè)器對(duì)大、中、小各級(jí)別太陽(yáng)耀斑事件歷史統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.1 Solar flares of C，M，and X levels detected by the FY－2series satellites since 1997

圖2 風(fēng)云二號(hào)空間粒子探測(cè)器對(duì)地球靜止軌道高能電子通量歷史探測(cè)結(jié)果Fig.2 Electron flux in the Earth geostationary orbit detected by the FY－2series satellites since 1997

2 科學(xué)目標(biāo)

2.1 探測(cè)目標(biāo)

風(fēng)云二號(hào)03批衛(wèi)星空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器的科學(xué)目標(biāo)主要是：

（1）監(jiān)測(cè)太陽(yáng)耀斑X射線流量變化，確定太陽(yáng)耀斑級(jí)別，實(shí)時(shí)預(yù)警太陽(yáng)質(zhì)子事件；

（2）監(jiān)測(cè)地球靜止軌道空間環(huán)境高能帶電粒子通量擾動(dòng)情況，并對(duì)高能帶電粒子進(jìn)行種類甄別和精細(xì)能譜探測(cè)，滿足衛(wèi)星安全保障需要.

2.2 性能指標(biāo)

各部分探測(cè)功能的性能指標(biāo)如表1.

表1 風(fēng)云二號(hào)03批衛(wèi)星空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器性能Table 1 Performance summary of SEM for FY－2Series 03satellites

3 空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

風(fēng)云二號(hào)03批空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器三臺(tái)單機(jī)通過(guò)太陽(yáng)X射線探測(cè)器與衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行電連接，二次電源和數(shù)據(jù)編碼傳輸電路均設(shè)計(jì)在太陽(yáng)X射線探測(cè)器內(nèi)，分系統(tǒng)單機(jī)見(jiàn)圖3所示，分系統(tǒng)組成見(jiàn)圖4所示.

太陽(yáng)X射線、高能質(zhì)子、重離子、高能電子各探測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)均由傳感器、前置放大器、脈沖成形電路、主放大器、脈沖分析器構(gòu)成主要工作電路.通過(guò)傳感器將單個(gè)的X射線光子、高能質(zhì)子重離子或高能電子轉(zhuǎn)換為與其粒子能量相關(guān)的電荷信號(hào)，然后通過(guò)前置放大器將微弱的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為幅度與電荷量成正比的電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)脈沖成形電路和主放大器將該電壓信號(hào)進(jìn)行放大；由快速脈沖分析器分析脈沖幅度并實(shí)現(xiàn)能譜計(jì)數(shù).

空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器的邏輯控制單元以ACTEL公司生產(chǎn)的FPGA型號(hào)A54SX72A作為主控器件，對(duì)太陽(yáng)X射線、高能質(zhì)子、重離子、高能電子成分實(shí)現(xiàn)微秒脈沖快速分析和數(shù)據(jù)處理，并實(shí)現(xiàn)探測(cè)數(shù)據(jù)編碼傳輸.

為了節(jié)約衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸資源，太陽(yáng)X射線、高能質(zhì)子、重離子、高能電子探測(cè)數(shù)據(jù)均采用數(shù)據(jù)壓縮方法，太陽(yáng)X射線探測(cè)數(shù)據(jù)由16比特壓縮到8比特，高能質(zhì)子重離子、高能電子探測(cè)數(shù)據(jù)由13比特壓縮到8比特，數(shù)據(jù)壓縮誤差小于5%，通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮.

3.2 太陽(yáng)X射線探測(cè)

3.2.1 傳感器設(shè)計(jì)

圖3 空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器單機(jī)產(chǎn)品（左：太陽(yáng)X射線探測(cè)器；中：高能質(zhì)子重離子探測(cè)器；右：高能電子探測(cè)器）Fig.3 Flight models of the SEM for series 03satellites of FY－2（Left：solar X－ray spectrometer；Middle：high energy proton and ion detector；Right：high energy electron detector）

圖4 風(fēng)云二號(hào)03批空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器工作原理Fig.4 Block diagram of the SEM onboard series 03，F(xiàn)Y－2satellites

太陽(yáng)X射線探測(cè)器的傳感器類型主要有氣體傳感器和半導(dǎo)體傳感器，早期用于太陽(yáng)軟X射線測(cè)量的傳感器主要是氣體探測(cè)器，包括測(cè)量積分電流的電離室和測(cè)量能譜的正比計(jì)數(shù)器.美國(guó)GOES衛(wèi)星太陽(yáng)X射線探測(cè)器就采用了氣體電離室技術(shù)，風(fēng)云二號(hào)（01、02批）衛(wèi)星太陽(yáng)X射線探測(cè)器采用氣體正比計(jì)數(shù)器技術(shù).氣體正比計(jì)數(shù)器具有能譜測(cè)量能力，而測(cè)量積分電流的電離室僅能通過(guò)探測(cè)窗口材料的波長(zhǎng)選擇性和氣體電離室對(duì)光子的吸收效率特性共同選擇探測(cè)X射線的波段范圍［6－8］.

風(fēng)云二號(hào)03批衛(wèi)星太陽(yáng)X射線探測(cè)器采用德國(guó)KETEK公司生產(chǎn)的硅漂移傳感器（Silicon Drift Detector，以下簡(jiǎn)稱SDD），它具有與液氮制冷的高純鍺傳感器相當(dāng)?shù)哪芰糠直媛时绢I(lǐng).SDD采用高度集成的Pilter制冷器實(shí)現(xiàn)傳感器低溫工作，在整機(jī)狀態(tài)下對(duì)X射線的測(cè)量能量分辨率本領(lǐng)可達(dá)185eV＠5.9keV，特別適用于探測(cè)1～25keV能量范圍的X射線.太陽(yáng)X射線探測(cè)器的性能指標(biāo)和能道劃分參數(shù)與美國(guó)GOES衛(wèi)星同類設(shè)備的能道參數(shù)一致，以便于數(shù)據(jù)比對(duì)，主要區(qū)別在于風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星采用了高能譜分辨能力的SDD傳感器，而GOES衛(wèi)星仍然采用不具有能譜分析能力的氣體電離室.

SDD傳感器具有良好的能量分辨率本領(lǐng)主要得益于其在電荷收集結(jié)電容的改善，如圖5所示，電荷收集極不再是普通半導(dǎo)體傳感器的平板電極，而是采用點(diǎn)電極進(jìn)行電荷收集，通過(guò)內(nèi)部形成梯度電場(chǎng)驅(qū)使不同部位的電離電荷向收集極運(yùn)動(dòng)，每個(gè)X射線光子產(chǎn)生的電荷信號(hào)都在收集電極形成與光子能量成正比的增量電荷，如圖6所示.

3.2.2 軌道環(huán)境適應(yīng)性

太陽(yáng)X射線探測(cè)器的軌道環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)包括衛(wèi)星姿態(tài)的適應(yīng)性和軌道空間環(huán)境適應(yīng)性.

風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星為自旋穩(wěn)定姿態(tài)，地球公轉(zhuǎn)黃道面與自轉(zhuǎn)赤道面之間存在23.5°的夾角，相對(duì)于太陽(yáng)X射線探測(cè)器而言，由于缺乏對(duì)日定向平臺(tái)，太陽(yáng)方位存在±23.5°的年變化，因此探測(cè)器在南北方向視場(chǎng)角要覆蓋冬夏之間太陽(yáng)方位角的變化.另一方面，由于地球靜止軌道存在大量高能帶電粒子，大視場(chǎng)角的設(shè)計(jì)不利于偏轉(zhuǎn)磁鐵的應(yīng)用，對(duì)高能帶電粒子干擾的抑制效果較差，因此，太陽(yáng)X射線探測(cè)器采取了通過(guò)3個(gè)小視場(chǎng)的準(zhǔn)直器組合成一個(gè)大視場(chǎng)的方法，見(jiàn)圖7所示，每個(gè)準(zhǔn)直器內(nèi)部放置了帶電粒子偏轉(zhuǎn)磁鐵，綜合解決探測(cè)視場(chǎng)和抑制高能帶電粒子干擾的問(wèn)題［9－11］，組合的探測(cè)視場(chǎng)見(jiàn)圖8所示.

3.3 高能帶電粒子探測(cè)

高能帶電粒子探測(cè)的原理是帶電粒子入射到傳感器內(nèi)沉積能量并產(chǎn)生自由電子，自由電子的數(shù)目n和粒子沉積能量Ex的大小成正比.這些自由電子被電極收集后經(jīng)前置放大器和主放大器進(jìn)行線性放大，轉(zhuǎn)化為電壓脈沖信號(hào)［12］.帶電粒子能量和種類不同，沉積能量有差別，電壓脈沖信號(hào)的幅度V與粒子沉積能量大小Ex呈線性關(guān)系，見(jiàn)圖9所示.對(duì)這個(gè)電壓脈沖信號(hào)進(jìn)行幅度分析和符合鑒別，然后將相應(yīng)幅度的信號(hào)輸入到計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)入射粒子能量劃分和種類鑒別.

風(fēng)云二號(hào)03批衛(wèi)星的高能帶電粒子探測(cè)比02批空間粒子探測(cè)器進(jìn)行了大幅度的探測(cè)能譜擴(kuò)展和精細(xì)能道劃分，帶電粒子探測(cè)功能由原來(lái)的1臺(tái)單機(jī)增加到2臺(tái)單機(jī)實(shí)現(xiàn)，使用的傳感器由原來(lái)的3片金硅面壘型半導(dǎo)體傳感器增加到13片離子注入型半導(dǎo)體傳感器.03批衛(wèi)星與美國(guó)GOES衛(wèi)星高能粒子探測(cè)器（EPS）和高能質(zhì)子重離子探測(cè)器（HEPAD）的探測(cè)內(nèi)容和性能指標(biāo)相近，在高能質(zhì)子4～165MeV和重離子α4～20MeV的能量范圍內(nèi)與GOES衛(wèi)星的能道劃分一致；風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星對(duì)能量大于165MeV的質(zhì)子和能量大于20MeV的Alpha重離子不區(qū)分能譜，進(jìn)行寬能段總計(jì)數(shù)探測(cè).

圖7 大視場(chǎng)分割實(shí)現(xiàn)FY－2（03批）衛(wèi)星太陽(yáng)X射線探測(cè)器視場(chǎng)設(shè)計(jì)Fig.7 Divided fields of view （FOV）instead of a whole one for the Solar X－ray Spectrometer，for the purpose of preventing data contamination from plentiful energetic charge particles in the GEO with help of the magnetic irons applied inside the collimator，as well as adapting the SDD detector to the solar incidence angle

美國(guó)GOES衛(wèi)星對(duì)高能電子的探測(cè)分為三個(gè)通道：＞0.6MeV、＞2.0MeV、＞4.0MeV；風(fēng)云二號(hào)03批衛(wèi)星則對(duì)高能電子探測(cè)的能量范圍更寬、探測(cè)能譜劃分更為精細(xì)，0.2～4.0MeV劃分了10個(gè)能量通道，＞4.0MeV為一個(gè)能量通道.高能電子是地球靜止軌道影響衛(wèi)星運(yùn)行的最主要環(huán)境因素之一，能譜分布寬，擾動(dòng)頻繁，風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星對(duì)高能電子的寬能譜探測(cè)范圍和精細(xì)能道劃分有利于提高衛(wèi)星在軌安全保障數(shù)據(jù)服務(wù).

高能質(zhì)子重離子探測(cè)器包括望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，電子學(xué)和機(jī)殼結(jié)構(gòu).望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)包括準(zhǔn)直器、環(huán)形永久磁鐵、擋光膜和多片半導(dǎo)體探測(cè)器，如圖10所示.偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)用于偏轉(zhuǎn)電子，減少傳感器的輻照損失和電子干擾.

高能電子探測(cè)器包括2組望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，電子學(xué)和機(jī)殼結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖11所示.

2組望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)分別用于測(cè)量0.2～1.5MeV的電子和大于1.5MeV的電子，其中用于探測(cè)能量較低的電子的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)包括準(zhǔn)直器、環(huán)形永久磁鐵、擋光膜和多片半導(dǎo)體探測(cè)器.偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將能量更低的電子偏離掉，以保證傳感器的壽命和減少不必要的電子干擾.

另一組望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)探測(cè)能量較高的電子，望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)包括準(zhǔn)直器、擋光膜和4片半導(dǎo)體探測(cè)器，低能電子通過(guò)被動(dòng)屏蔽措施去除.

高能質(zhì)子重離子探測(cè)器與高能電子探測(cè)器的電子學(xué)包括前置放大器、脈沖成形和主放大器、峰保電路、計(jì)數(shù)電路和輸出接口電路，數(shù)據(jù)壓縮功能使8比特記錄105或103個(gè)粒子，探測(cè)器每秒鐘給出各能譜的計(jì)數(shù)率，數(shù)據(jù)采集單元（太陽(yáng)X射線探測(cè)器）每16.4s（對(duì)高能質(zhì)子重離子探測(cè)器）或8.2s（對(duì)高能電子探測(cè)器）采集一組探測(cè)數(shù)據(jù).

4 定標(biāo)試驗(yàn)

空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器的定標(biāo)試驗(yàn)包括放射源定標(biāo)和同步輻射／同步加速器定標(biāo)試驗(yàn)，通過(guò)天然或人工產(chǎn)生的X射線光子、高能質(zhì)子、高能電子成分檢驗(yàn)各臺(tái)單機(jī)對(duì)太陽(yáng)X射線、高能質(zhì)子、重離子和高能電子各種成分的探測(cè)性能指標(biāo)和區(qū)分能力.

4.1 太陽(yáng)X射線探測(cè)器定標(biāo)

4.1.1 放射源定標(biāo)

太陽(yáng)X射線探測(cè)器通過(guò)放射源定標(biāo)試驗(yàn)，獲得X射線光子能量與能道的線性關(guān)系以及探測(cè)器能量分辨率參數(shù)，利用X射線光子能量與能道的線性關(guān)系確定探測(cè)器的能道邊界設(shè)置.定標(biāo)試驗(yàn)連接關(guān)系如圖12所示.

圖12 太陽(yáng)X射線探測(cè)器能量分辨率及能道劃分定標(biāo)試驗(yàn)Fig.12 Calibration examination of the SXRS by radioactive sources

在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)55Fe、241Am進(jìn)行定標(biāo)試驗(yàn)，可獲得放射源三個(gè)峰值能量對(duì)應(yīng)的能道位置及其能量分辨率，如圖13和圖14所示，峰值能量與能道的線性關(guān)系擬合如圖15所示.

4.1.2 同步輻射定標(biāo)

同步輻射產(chǎn)生的X射線光子具有流量大、能量可連續(xù)調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室可提供能量范圍為4～14keV的X射線光束，如圖16所示，上海光源可提供7～30keV的X射線光束，可作為太陽(yáng)X射線探測(cè)器能道劃分定標(biāo)試驗(yàn)的重要光源.

同步輻射加速器提供X射線光束的試驗(yàn)裝置如圖17所示，同步輻射產(chǎn)生的含有X射線的白光通過(guò)雙晶單色儀分光將X射線光束引出到試驗(yàn)終端，成為單色可用X射線光.通過(guò)雙晶光柵進(jìn)行分光產(chǎn)生的X射線光束不可避免產(chǎn)生高次諧波和散射光子，在進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析時(shí)要特別注意，因此，在進(jìn)行能道劃分定標(biāo)試驗(yàn)時(shí)，要同時(shí)監(jiān)測(cè)同步輻射X射線光譜成分.

同步輻射X射線光束的流量隨光子能量變化極大，可達(dá)4～5個(gè)數(shù)量級(jí)；此外，本試驗(yàn)對(duì)X射線分光的晶體光柵產(chǎn)生的復(fù)雜光譜成分不做具體分析，但在進(jìn)行能道掃描時(shí)必須同時(shí)對(duì)光譜進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用光譜監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)能道邊界進(jìn)行合理修正.

利用同步輻射進(jìn)行X射線光子能量掃描試驗(yàn)，太陽(yáng)X射線探測(cè)器能道一上閾（同時(shí)是輔助能道第4道和第5道分界點(diǎn)）計(jì)數(shù)分別占峰總計(jì)數(shù)的百分比見(jiàn)圖18.試驗(yàn)測(cè)量得到的第4、5道兩個(gè)能道的能量分界點(diǎn)為12.9keV，而設(shè)計(jì)值12.5keV，設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)值的誤差為3.1%.

4.2 高能質(zhì)子重離子探測(cè)器與高能電子探測(cè)器定標(biāo)

4.2.1 放射源定標(biāo)

釋放高能帶電粒子的天然放射源主要有90Sr、207Be等，該定標(biāo)方法用于高能電子探測(cè)器定標(biāo)試驗(yàn)，用于驗(yàn)證在放射源照射條件下探測(cè)器各能道輸出是否與放射源釋放的高能電子能譜分布一致，如圖19所示.圖20是90Sr經(jīng)多道測(cè)試并折算到探測(cè)器能道后各個(gè)探測(cè)能道的歸一化響應(yīng).

圖18 通過(guò)X射線能量掃描確定能道一上閾邊界劃分（4～14keV光束由NSRL提供，8～25keV光束由上海同步輻射光源提供）Fig.18 Energy range of channel 1calibrated by the synchrotron radiation beam（beam light from 4to 14keV provided by NSRL and that from 8to 25keV provided by Shanghai Synchrotron Radiation Facility）

4.2.2 同步加速器定標(biāo)

圖19 放射源定標(biāo)試驗(yàn)Fig.19 Calibration examination of high energy electron detector by radioactive sources

同步加速器定標(biāo)主要用于高能質(zhì)子重離子探測(cè)器定標(biāo)試驗(yàn)，加速器如圖21所示，從加速器發(fā)出的束流經(jīng)過(guò)束流強(qiáng)度和能量調(diào)整入射到探測(cè)器，儀器加電工作并與地面測(cè)試設(shè)備連接，記錄儀器各能道的輸出結(jié)果.定標(biāo)試驗(yàn)中，加速器提供的粒子能量為固定值，通過(guò)降能片調(diào)整粒子束的能量，使其在一定能量范圍內(nèi)變化，對(duì)于每個(gè)粒子能量點(diǎn)，均記錄各能量段輸出結(jié)果，分析輸出結(jié)果隨入射粒子能量的變化情況，給出儀器能譜的劃分和誤差.質(zhì)子和α粒子加速器能道劃分定標(biāo)方案如圖22所示，由于加速器產(chǎn)生粒子束流能量范圍的有限，無(wú)法覆蓋全部探測(cè)器全能譜，在加速器試驗(yàn)中，根據(jù)試驗(yàn)條件選擇一個(gè)或兩個(gè)束流能量點(diǎn).

高能質(zhì)子重離子加速器定標(biāo)試驗(yàn)中采用了高能質(zhì)子射線對(duì)探測(cè)器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中僅質(zhì)子通道產(chǎn)生了計(jì)數(shù)輸出，He粒子通道無(wú)計(jì)數(shù)輸出.根據(jù)蘭州近代物理所加速器輸出質(zhì)子能量范圍，高能質(zhì)子加速器定標(biāo)試驗(yàn)選取了3個(gè)閾值能量點(diǎn)進(jìn)行定標(biāo)試驗(yàn)，分別為：15MeV、40MeV、80MeV.

圖22 加速器能道劃分定標(biāo)試驗(yàn)Fig.22 Block diagram for high energy proton and heavy ion detector calibration experiment at Lanzhou HIRFL

15MeV閾值附近，高能質(zhì)子重離子探測(cè)器選取了5個(gè)能量點(diǎn)進(jìn)行定標(biāo)測(cè)試，高能質(zhì)子重離子探測(cè)器對(duì)各能量入射質(zhì)子響應(yīng)輸出情況見(jiàn)表2所示.

根據(jù)高能質(zhì)子重離子探測(cè)器對(duì)15MeV質(zhì)子響應(yīng)情況，探測(cè)器P2、P3通道變化影響情況見(jiàn)圖23所示.

表2 高能質(zhì)子重離子探測(cè)器對(duì)同步加速器束流的響應(yīng)結(jié)果Table 2 Calibrating data of the High Energy Proton and Alpha Particle Detector under 13MeV to 15MeV proton beam from LANZHOU Synchrotron Accelerator

圖23 15MeV定標(biāo)及擬合結(jié)果Fig.23 Energy distinguished by channels P2and P3calibrated by 15MeV proton beam

根據(jù)擬合結(jié)果，15MeV閾值能量測(cè)試結(jié)果為：能道P2、P3邊界值為13.99MeV，閾值能量半高寬0.28MeV.

同理，對(duì)40MeV和80MeV閾值附近，高能質(zhì)子重離子探測(cè)器選取了5個(gè)或更多能量點(diǎn)進(jìn)行定標(biāo)測(cè)試，相應(yīng)能道響應(yīng)輸出情況分別見(jiàn)圖24和圖25所示.

根據(jù)擬合結(jié)果，40MeV閾值能量測(cè)試結(jié)果為：能道P4、P5邊界值為40.95MeV，閾值能量半高寬1.59MeV.80MeV閾值能量測(cè)試結(jié)果為：能道P5、P6邊界值為75.28MeV，閾值能量半高寬2.48MeV.

5 結(jié) 語(yǔ)

圖24 40MeV定標(biāo)及擬合結(jié)果Fig.24 Energy distinguished by Channels P4and P5calibrated by 15MeV proton beam

圖25 80MeV定標(biāo)及擬合結(jié)果Fig.25 Energy distinguished by Channels P5and P6calibrated by 15MeV proton beam

風(fēng)云二號(hào)03批空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器在02批產(chǎn)品的成功經(jīng)驗(yàn)和探測(cè)成果基礎(chǔ)上進(jìn)行了重大技術(shù)改進(jìn)，應(yīng)用了SDD傳感器探測(cè)X射線的新方法，太陽(yáng)X射線探測(cè)器能譜分辨率本領(lǐng)可達(dá)到185eV＠5.9keV；對(duì)地球靜止軌道空間環(huán)境高能帶電粒子的探測(cè)能量范圍覆蓋了200keV以上的高能電子和4MeV以上的高能質(zhì)子和重離子，并且進(jìn)行了精細(xì)的能道劃分，可以進(jìn)一步提高我國(guó)當(dāng)前的空間天氣預(yù)警業(yè)務(wù)能力.

風(fēng)云二號(hào)03批空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器的太陽(yáng)X射線探測(cè)器、高能質(zhì)子重離子探測(cè)器和高能電子探測(cè)器通過(guò)放射源定標(biāo)、同步輻射定標(biāo)和同步加速器定標(biāo)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明探測(cè)器的能道劃分與設(shè)計(jì)值一致性良好，可以滿足空間環(huán)境監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的需求.

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