GRM復合晶體探測器讀出系統(tǒng)設(shè)計

劉江濤，董永偉，宋黎明，吳伯冰，張永杰，徐 鶴

(1.中國科學院 高能物理研究所，北京 100049；2.中國科學院大學，北京 100049)

γ射線暴(簡稱γ暴)是能探測到的發(fā)生于宇宙學尺度上的恒星級天體中的γ射線爆發(fā)過程，同時伴隨長時間的余輝現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)有的研究，猜測其形成原因是兩個致密天體如中子星或黑洞的合并或是在大質(zhì)量恒星演化為黑洞的過程中產(chǎn)生的。γ暴爆發(fā)時，在很小的空間內(nèi)釋放巨大能量，所以γ暴現(xiàn)象涉及一些僅發(fā)現(xiàn)于極少數(shù)天體現(xiàn)象中的極端條件下的物理過程。在認識和了解宇宙的過程中，γ暴具有重大的科學意義。對γ暴的深入研究，需要實現(xiàn)對γ暴的連續(xù)準確定位，同時測量γ暴的紅移和Epeak等參數(shù)[1-4]?？臻g多波段變源監(jiān)視器(SVOM)是中國和法國多家科研單位聯(lián)合研制的專門用于γ暴探測的科學衛(wèi)星，將于2017年發(fā)射，其主要物理目標為：探測所有已知類型的γ暴；實現(xiàn)對γ暴的快速準確定位；從可見光到硬X射線寬波段范圍內(nèi)對γ暴輻射進行探測；對γ暴的可見光余輝和近紅外余輝進行識別。

γ射線譜儀(GRM)是SVOM的一個重要測量工具，主要用于γ射線能量測量，測量范圍為50～5 000 keV，GRM可對所有被SVOM精確定位的γ暴進行大動態(tài)范圍Epeak測量，且可根據(jù)γ射線能譜的顯著性實現(xiàn)SVOM對γ暴的實時觸發(fā)[5]。

地球軌道天然空間輻射粒子包括地磁場俘獲輻射帶粒子和宇宙射線，輻射粒子包括氫、重離子、電子、X射線、γ射線等，輻射方向基本為4π，且能量分布非常廣。GRM需在復雜的輻射環(huán)境中對某一固定方向的γ射線進行探測，除在探測器前安裝準直器外，探測介質(zhì)由3層閃爍體構(gòu)成，以實現(xiàn)背向入射γ射線反符合和前向入射帶電粒子屏蔽，因此，GRM的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需實現(xiàn)3種信號及其混合信號的甄別，同時需滿足航天電子學設(shè)計可靠性要求。本工作基于跨導放大器原理設(shè)計峰值保持電路，利用FPGA技術(shù)控制整個系統(tǒng)時序。

1 GRM復合晶體探測器

GRM由兩個獨立的γ射線探測器(GRD)組成，GRD的探測能區(qū)為30～5 500 keV，其結(jié)構(gòu)示于圖1。GRD由塑料閃爍體(PS)、NaI(Tl)和CsI(Na)構(gòu)成，3種晶體的直徑均為190 mm。PS的厚度為6 mm，用于屏蔽空間低能帶電粒子；NaI(Tl)閃爍體的厚度為15 mm，是GRD的主探測器晶體；CsI(Na)晶體的厚度為35 mm，是GRD的另外一種主探測晶體，它不僅可擴展GRD的探測能區(qū)，還可屏蔽背向入射的低能X射線和帶電粒子。3種晶體通過光學膠粘合到一起，利用同一個光電倍增管完成光電轉(zhuǎn)換，前端電子學的電荷靈敏前置放大器進行電荷積分，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對GRD輸出的電壓脈沖信號進行處理。

由于空間中的輻射環(huán)境復雜，GRD中的3種閃爍體可能會同時發(fā)光，也可能只有1種或2種晶體發(fā)光，對于GRD的信號來源可分為以下幾種情況：1) 低能帶電粒子正向入射，引起PS發(fā)光；2) 低能帶電粒子背向入射，引起CsI(Na)晶體發(fā)光；3) 能量較高的帶電粒子入射，可能引起3種晶體同時發(fā)光、塑料閃爍體與NaI(Tl)發(fā)光、CsI(Na)與NaI(Tl)發(fā)光；4) 能量較低的X射線正向入射，引起NaI(Tl)發(fā)光，此時，X射線的能量全部沉積在晶體中；5) 能量較低的X射線背向入射，引起CsI(Na)發(fā)光；6) 能量較高的X射線入射，可能引起NaI(Tl)和CsI(Na)同時發(fā)光，也可能僅1種晶體發(fā)光，但只有2種晶體同時發(fā)光時，X射線的能量才能全部沉積。根據(jù)GRM的物理目標，GRM需探測正面入射的中等能量的X射線，GRM信號采集系統(tǒng)需實現(xiàn)對信號來源的甄別，篩選出有效的γ暴事例。

圖1 GRD結(jié)構(gòu)

2 GRM信號采集系統(tǒng)設(shè)計

GRD由3層閃爍體(PS、NaI(Tl)、CsI(Na))構(gòu)成，共用一個光電倍增管輸出信號，根據(jù)GRD的物理設(shè)計，信號采集系統(tǒng)需完成X射線或帶電粒子在3種晶體中能量沉積的讀出，同時判斷GRD輸出信號的來源，由于3種閃爍體發(fā)光衰減時間常數(shù)不同[6]，可根據(jù)GRD輸出電壓脈沖波形判斷信號來源，因此，GRD信號采集系統(tǒng)包括峰值保持電路、脈沖形狀甄別電路、峰值讀取電路和FPGA控制時序。

2.1 峰值保持電路

峰值保持電路的作用是獲取輸入電壓脈沖的峰值，并產(chǎn)生輸出V0=VI(peak)。GRD的3種晶體中PS的輸出信號最快，其發(fā)光時間與衰減時間只有幾ns，經(jīng)過前端電子學的阻容網(wǎng)絡(luò)后，脈沖寬度變?yōu)榧s300 ns，上升沿約100 ns，因此，峰值保持電路的響應時間應好于100 ns。由于光電倍增管陽極分壓輸出采用高低增益設(shè)計，考慮到信噪比，要求峰值保持電路的線性動態(tài)范圍為300～5 000 mV，保持時間可調(diào)節(jié)，增益為1。

通用的峰值保持電路主要有2種：跨導型與電壓型[7]。電壓型電路原理簡單，但動態(tài)范圍小、小幅度響應差，不具有快響應的特征；跨導型峰值保持電路具有響應速度快、動態(tài)范圍大和誤差小的優(yōu)點，但電路結(jié)構(gòu)較復雜。針對核物理實驗中應用的峰值保持電路，文獻[8-10]介紹了相應的改進方法，但在航天電子學的設(shè)計中還需考慮電路設(shè)計的可靠性、元器件符合航天要求、電路設(shè)計簡單、電路控制簡單等特點，本工作對跨導型峰值保持電路進行了改進，其原理示于圖2。

圖2中，輸入第一級采用跨導放大器可得到優(yōu)異的性能，但由于元器件選型的局限，第一輸入級及隔離級采用運算放大器LM6172，其輸入帶寬為100 MHz，輸入電阻為40 MΩ，壓擺率為3 000 V/μs，信號到達觸發(fā)級采用高速電壓比較器AD8561，其延遲時間為7 ns，放電電路采用集成電路DG541，斷開時間為80 ns，F(xiàn)PGA采用XC2V1000。

FPGA控制整個峰值保持過程。當輸入信號幅度達到比較器的閾值時，比較器的輸出變?yōu)楦唠娖?，F(xiàn)PGA控制模擬開關(guān)斷開，第一級放大器的輸出開始對峰值保持電容C42充電，當輸入信號達到峰值后，D2截止，峰值保持電容C42兩端的電壓值即為輸入脈沖的峰值，F(xiàn)GPA控制ADC完成讀出第二級放大器輸出電壓，此電壓值即為輸入電壓脈沖的峰值，F(xiàn)PGA控制模擬開關(guān)閉合時，C42開始放電，峰值保持結(jié)束，輸出電壓為零，F(xiàn)PGA繼續(xù)等待下一個觸發(fā)信號。

2.2 脈沖形狀甄別原理

圖2 峰值保持電路原理

圖3 3種晶體對應的電壓脈沖波形

2.3 GRM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

GRM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖示于圖4。本系統(tǒng)主要由峰值保持電路、脈沖形狀甄別電路和FPGA控制邏輯構(gòu)成，其工作過程為：GRD探頭輸出電壓脈沖信號，通過峰值保持電路實現(xiàn)電壓脈沖峰值獲取和為后續(xù)電路提供獲取前后沿閾值，電壓信號經(jīng)過800 ns延遲芯片后與前后沿閾值符合給出前后沿觸發(fā)信號T1和T2，F(xiàn)PGA控制邏輯通過控制ADC讀取電壓脈沖的峰值，同時根據(jù)T1和T2獲取脈沖的脈沖寬度信息，在FPGA內(nèi)部形成包含幅度與寬度信息的物理事例，控制RS232芯片實現(xiàn)與PC的通信，至此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成了對GRD輸出信號的采集。本系統(tǒng)中比較器采用AD8561，響應時間為10 ns，ADC采用ADC08200，分辨為8 bit，速度為200 MHz，F(xiàn)PGA采用Xilinx公司的2V1000，對脈沖寬度的分辨主要取決于FPGA的工作時鐘，本系統(tǒng)中FPGA的工作時鐘為24 MHz。

3 GRM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能測試

上述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研制完成后，設(shè)計了一些實驗來測試其性能，在所有實驗過程中，設(shè)定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最小觸發(fā)閾值為60 mV，此閾值基本可消除系統(tǒng)噪聲的影響，同時不損失系統(tǒng)的線性范圍。利用函數(shù)發(fā)生器Agilent33521A輸出的脈沖波形模擬GRD的信號，測試本系統(tǒng)對脈沖形狀甄別的性能與脈沖幅度獲取的線性，然后，利用本系統(tǒng)獲取GRD探頭的本底信號。

3.1 函數(shù)發(fā)生器信號輸入實驗

設(shè)置函數(shù)發(fā)生器輸出波形為脈沖，脈沖前沿為60 ns，脈沖下降沿為300 ns，利用不同脈沖寬度信號測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對脈沖形狀的獲取性能。根據(jù)3種閃爍體的實際輸出波形，設(shè)置脈沖寬度分別為300 ns、1 μs和1.7 μs，設(shè)置脈沖輸入幅度為5 V。采用測試系統(tǒng)對3種信號進行數(shù)據(jù)采集，獲取的脈沖寬度分布示于圖5。FPGA內(nèi)部時鐘為24 MHz，系統(tǒng)對脈沖寬度的時間分辨率為41.67 ns。圖5中，橫軸為測試系統(tǒng)獲取輸入脈沖寬度，縱軸為輸入脈沖的計數(shù)，對于固定寬度、固定幅度的電壓脈沖，此系統(tǒng)脈沖寬度響應為單一值，分辨為41.6 ns。以上結(jié)果說明，本測試系統(tǒng)可有效地根據(jù)脈沖前后沿獲取脈沖寬度信息。

圖4 GRM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能框圖

圖5 300 ns、1 μs和1.7 μs電壓輸出脈沖的數(shù)據(jù)采集獲取結(jié)果

圖6 GRM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對電壓脈沖幅度的線性獲取

保持函數(shù)發(fā)生器輸出電壓脈沖的波形不變，改變輸入脈沖波形測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的峰值獲取線性，由于GRD的主探測晶體為NaI(Tl)，設(shè)置輸入脈沖波形寬度為1 μs，脈沖幅度范圍為0.2～10 V，圖6為輸入脈沖幅度與系統(tǒng)獲取峰值的線性關(guān)系，橫軸為輸入脈沖的電壓幅度Vin，縱軸為將峰值保持電路輸入的直流電平數(shù)字化的結(jié)果。改變輸入電壓脈沖的幅度后，獲取對應峰值的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行線性擬合，線性方程為y=-0.058 77+23.000 84x，相關(guān)系數(shù)為0.999 99。

3.2 GRD探頭本底測試結(jié)果

GRM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接入GRD探頭輸出信號，在不加放射源的情況下，測量本底數(shù)據(jù)，測試結(jié)果示于圖7。從圖7中可清晰地分辨出探頭輸出3種脈沖寬度的信號，在系統(tǒng)線性范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可有效對脈沖寬度進行獲取。

a——GRD探頭測試本底信號脈沖寬度與幅度的二維分布；b——本底信號脈沖寬度分布

4 結(jié)論

通過對傳統(tǒng)跨導型放大器的改進，利用FGPA技術(shù)，實現(xiàn)了對多層晶體γ射線探測器輸出信號的峰值和脈沖寬度的精準獲取，此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計穩(wěn)定可靠，符合航天電子學設(shè)計的設(shè)計原則，此系統(tǒng)可滿足對多層晶體探測器的性能研究，同時，也為GRM有效載荷的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理的設(shè)計打下基礎(chǔ)。

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