空間反符合杯測量系統(tǒng)電子讀出電路的設(shè)計(jì)

李 肖，張珅毅，張偉杰

（1.中國科學(xué)院 空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京　100190；2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京　100190）

空間反符合杯測量系統(tǒng)電子讀出電路的設(shè)計(jì)

李 肖1，2，張珅毅1，張偉杰1

（1.中國科學(xué)院 空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京100190）

為消除空間粒子測量中干擾粒子對粒子探測器測量精度的影響，空間反符合杯測量技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。本文介紹了空間干擾粒子的來源及反符合杯測量系統(tǒng)的原理，針對系統(tǒng)測試需求，基于A225F芯片對系統(tǒng)輸出脈沖讀出電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對A225F芯片的使用做了詳細(xì)介紹，實(shí)現(xiàn)了高計(jì)數(shù)率下準(zhǔn)高斯波形的整形，通過仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)的合理性。

反符合；粒子探測；前置放大器；A225F

空間中的粒子包括質(zhì)子、電子、重離子、中子等，一般使用傳感器疊層形式的望遠(yuǎn)鏡探測器進(jìn)行測量，通過測量粒子在各片傳感器中的沉積能量，利用預(yù)設(shè)的邏輯工作方式分析粒子的種類、能量和LET等信息。如風(fēng)云三號的高能粒子探測器[1]、天宮1號的多向粒子探測器[2]。然而，在粒子測量過程中，一些從視場內(nèi)入射的干擾粒子可能會觸發(fā)錯(cuò)誤的邏輯工作方式導(dǎo)致系統(tǒng)對粒子種類、能量等信息的誤判；除了視場內(nèi)的粒子干擾，穿越衛(wèi)星和機(jī)殼屏蔽進(jìn)入探測系統(tǒng)的粒子也會造成影響。一般情況下，干擾粒子造成的誤差可達(dá)到10～ 20%，因此必須采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)消除干擾粒子的誤差。

目前消除測量中粒子干擾的方法主要有兩種：一是被動(dòng)屏蔽法，通過增加機(jī)殼的厚度提高屏蔽能力，消除視場外粒子的干擾，這種方法簡單易行，但是會增加載荷重量，且屏蔽能力有限，對于能量較高的粒子無法屏蔽，以風(fēng)三為例，即便將機(jī)殼厚度增加到10 mm，也只能屏蔽50 MeV以下的質(zhì)子，50 MeV以上的質(zhì)子同樣會穿透屏蔽層入射到傳感器系統(tǒng)中產(chǎn)生干擾；

二是主動(dòng)屏蔽法，即在探測器內(nèi)部增加反符合杯探測器，在電路上以反符合的方式消除干擾粒子[3]，雖然會增加額外的電路測量系統(tǒng)，但是反符合杯去除干擾粒子效率非常高，通過實(shí)測可達(dá)到95%以上，在測量某些通量比較低的粒子時(shí)非常有效。

圖1為粒子探測器簡要的結(jié)構(gòu)模型，主探測通過能量-射程法（△E×E）對高能離子進(jìn)行鑒別。為防止從張角外斜入射的粒子對測量精度造成干擾，在探測器的底部和周圍包裹閃爍體成杯狀作反符合應(yīng)用。如圖中S2、D7所示，后接光探測器對探測到的信號進(jìn)行收集，組成反符合杯測量系統(tǒng)。

圖1　粒子探測器示意圖Fig.1　Structure schematic of particle detector

1　設(shè)計(jì)需求

電子讀出電路主要由模擬信號采集部分和數(shù)字信號采集部分組成，前端模擬電路主要是將傳感器的電荷信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，并通過放大整形，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的信噪比和計(jì)數(shù)率；后端數(shù)字電路通過高速ADC將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，通過FPGA或數(shù)字采集卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，并在上位機(jī)顯示干擾粒子的計(jì)數(shù)。由于前端模擬信號的采集是電子讀出系統(tǒng)的核心，因此本節(jié)重點(diǎn)分析反符合測量系統(tǒng)的讀出電路。

反符合測量系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的電荷信號由前置放大器收集處理，前置放大器主要是作為探測器和后端電路系統(tǒng)之間的一個(gè)接口，即“預(yù)”放大器，一般在電路系統(tǒng)組裝時(shí)將其緊靠探測器并與之構(gòu)成一個(gè)整體（探頭），后端通過電纜與主放大器連接。為滿足低噪聲的需求，電路設(shè)計(jì)時(shí)多采用電荷靈敏前置放大器，將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號供后端電路采集處理[4]。

探測器產(chǎn)生的信號在時(shí)間上是隨機(jī)的，輸出信號一般均成一定寬度和一定形狀的脈沖，因而有可能出現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)信號堆疊在一起，形成信號堆積，使測量造成誤差。在電路設(shè)計(jì)過程中需充分考慮計(jì)數(shù)率及脈沖堆疊問題，反符合測量杯系統(tǒng)用于探測8～100 Mev范圍的核子，經(jīng)調(diào)研可知粒子通量每秒鐘約幾十個(gè)，所需計(jì)數(shù)率較低，100 kHz的計(jì)數(shù)率足以滿足計(jì)數(shù)需求。

2　總體設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)選用AMPTEK公司的A225F低噪聲電荷靈敏前置放大器，它是集電荷靈敏前置放大器和整形高功率放大器于一體的固態(tài)探測器，有兩路脈沖輸出：PIN5時(shí)間脈沖輸出、PIN6整形脈沖輸出，為對芯片性能充分研究，文中分別對兩路輸出的電子讀出電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)?？偨Y(jié)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

A225F芯片PIN 6腳為整形輸出，內(nèi)含極零相消電路，脈沖寬度約為8 μs。為實(shí)現(xiàn)100 kHz的計(jì)數(shù)率，單粒子事件觸發(fā)的模擬信號脈沖寬度應(yīng)小于10 μs，整形輸出信號脈沖寬度符合電路計(jì)數(shù)率需求，同時(shí)內(nèi)含整形電路，電子讀出電路設(shè)計(jì)較為簡便。

A225F芯片PIN 5腳為時(shí)間脈沖輸出，未經(jīng)過內(nèi)部整形，脈沖寬度約為5 μs。為滿足反符合測量系統(tǒng)后續(xù)對幅度分析的需求，并使器件可應(yīng)對爆發(fā)性粒子事件時(shí)計(jì)數(shù)率需求，要求可實(shí)現(xiàn)200 kHz的計(jì)數(shù)率，即單個(gè)粒子事件觸發(fā)的模擬信號脈沖寬度應(yīng)小于5 μs，因此需要對時(shí)間脈沖進(jìn)行整形。

3　整形脈沖電路實(shí)現(xiàn)及結(jié)果

電路采用較為常用的光電探測設(shè)計(jì)電路形式，電路設(shè)計(jì)如圖4，其中HV為高壓輸入端口，提供光電探測器件正常工作所需要的反偏電壓；后端通過RC濾波電路濾除高壓中的紋波；SiPM輸出的電荷信號經(jīng)耦合電容C3進(jìn)入A225F的輸入端；由于A225F芯片內(nèi)部沒有輸入保護(hù)電路，本電路中光電探測器工作反偏所需電壓幅值較高，所以加入D2、D3兩二極管作輸入保護(hù)。

圖2　A225F芯片封裝及輸出脈沖Fig.2　A225F chip package and output pulse

圖3　讀出電路結(jié)構(gòu)圖Fig.3　Structure diagram of the readout circuit

圖4　電路設(shè)計(jì)圖Fig.4　The schematic of circuit design

TEST為測試信號輸入端，A225F脈沖響應(yīng)下降沿，實(shí)驗(yàn)選用方波作為測試信號（保持方波頻率盡量低，上升沿的響應(yīng)可以被忽略，類似階躍脈沖）通過耦合電容C12=2 pF將電壓信號轉(zhuǎn)化為電荷信號，由：

可知，22 mV的階躍脈沖通過2 pF的測試電容，可以模擬1 MeV能量在硅探測器中的沉積。通過測試可以得到較好的波形，如圖5所示。

另外在電路調(diào)試過程中應(yīng)當(dāng)注意以下兩點(diǎn)：PIN6管腳本身有一個(gè)約0.8 V的基線電平，電路測試過程中可以通過基線來判斷器件是否正常工作；2 pF測試電容太小，考慮板材電容并聯(lián)，輸出幅值比理論值略有偏差是正常的。

4　時(shí)間脈沖電路實(shí)現(xiàn)及結(jié)果

在普通計(jì)數(shù)率下，輸出脈沖的重要信息在上升沿，為提高計(jì)數(shù)率，同時(shí)防止產(chǎn)生脈沖堆疊問題，需要減小脈沖下降沿的寬度，同時(shí)為了捕獲峰值信息，需要把波形整形為頂部相對平緩的準(zhǔn)高斯波形。本文后端整形電路采用準(zhǔn)高斯濾波器，即CR-（RC）m濾波器。

圖5　脈沖輸出波形Fig.5　The waveform of output pulse

由于A225F反饋回路泄放電阻的存在，PIN5腳輸出信號為指數(shù)衰減形狀。在CR高通電路對時(shí)間脈沖處理時(shí)會出現(xiàn)脈沖尾部下沖現(xiàn)象，為保證微分后輸出為單極性信號，采用極零相消電路通過拉普拉斯變換中整形電路傳遞函數(shù)上的零點(diǎn)消除前端電路極點(diǎn)的方式來消除負(fù)脈沖信號，在高計(jì)數(shù)率下改變峰形和能譜分辨率[5]。

考慮到A225F輸出信號較小，RC-CR濾波電路會對幅值有一定的衰減，需要對電路信號幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)，本設(shè)計(jì)采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋方式對電壓進(jìn)行放大，采用該電路雖使得放大電路的增益有所下降，但是卻提高了增益的穩(wěn)定性，能夠減少非線性失真、抑制反饋環(huán)內(nèi)噪聲。

為將脈沖整形為準(zhǔn)高斯波形需要在后端接多級積分電路，當(dāng)CR-（RC）m中m趨近于無窮大時(shí)，輸出波形趨于高斯分布函數(shù)狀態(tài)，一般m≥4時(shí)輸出波形接近于高斯形，稱為準(zhǔn)高斯波形，本設(shè)計(jì)采用兩階S-K低通濾波器[6]對后續(xù)脈沖進(jìn)行整形，在較少的級數(shù)下可以得到相對較好的脈沖波形。

結(jié)合上述設(shè)計(jì)分析，電路設(shè)計(jì)如圖6所示，通過multisim軟件產(chǎn)生一指數(shù)衰減信號作為A225F芯片PIN5腳脈沖輸出，對A225F時(shí)間脈沖輸出電子讀出電路設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示：經(jīng)極零相消電路后脈沖寬度減小，約為4μs，且脈沖尾部下沖現(xiàn)象消失；經(jīng)電壓放大和兩級S-K濾波后，輸出信號接近準(zhǔn)高斯波形。

圖6　電路設(shè)計(jì)圖Fig.6　The schematic of circuit design

結(jié)合以上設(shè)計(jì)電路，制板進(jìn)行測試，通過信號發(fā)生器輸入階躍信號，經(jīng)兩級S-K濾波后輸出波形如圖8所示。從圖中可以看出經(jīng)改造后的CR-（RC）m電路，輸出波形脈沖寬度小于5 μs的準(zhǔn)高斯波形，且電路計(jì)數(shù)率可達(dá)200 kHz。

圖7　仿真結(jié)果Fig.7　Simulation results

5　結(jié)束語

文中介紹了空間反符合測量系統(tǒng)去除干擾粒子的原理及結(jié)構(gòu)，結(jié)合其后端系統(tǒng)電路采集需求，基于A225F芯片對讀出電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對芯片的使用作了詳細(xì)介紹，在滿足計(jì)數(shù)率條件下，在應(yīng)用較少級數(shù)低通濾波電路的條件下，實(shí)現(xiàn)了對A225F芯片PIN5腳時(shí)間脈沖的整形，整形后脈沖寬度小于5 μs的準(zhǔn)高斯波形，解決了高計(jì)數(shù)率下脈沖堆疊問題，為A225F芯片作為高計(jì)數(shù)率下幅度甄別的電路設(shè)計(jì)提供了參考。

圖8　電路板測試結(jié)果Fig.8　The results of circuit board test

[1]張珳毅，張賢國，王春琴，等.風(fēng)云三號衛(wèi)星空間高能質(zhì)子探測器的幾何因子計(jì)算[J].中國科學(xué):地球科學(xué)，2014，44 （11）:2479-2486.

[2]沈國紅，王世金，張珳毅，等.二期載人航天空間粒子方向探測器[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2012，32（5）:535-538.

[3]葉宗海.空間粒子輻射探測技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，1986.

[4]王經(jīng)瑾.核電子學(xué)[M].北京：原子能出版社，1985.

[5]Grybos P，Idzik M，Swientek K，et al.Intergrated charge sensitive amplifier with pole-zero cancellation circuit for high rates[C]//2006 IEEE International Symposium on Circuits and Systems.New York:IEEE，2006:1997-2000.

[6]楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程[M].北京：高等教育出版社，2006.

Design of readout circuit for Anti-coincidence detective system in space

LI Xiao1，2，ZHANG Shen-yi1，ZHANG Wei-jie1
（1.National Space Science Center，Chinese Academy of Science，Beijing 100190，China；2.Chinese Academy of Science，Beijing 100190，China）

In the measurement of space particle，the interference caused by the particles is an important factor of the measure accuracy decline in the space particle detection，Anti-coincidence cup technology is an important means to eliminate particle interference.The paper introduces the origin of spatial interference particles and theory of anti-coincidence cup measuring system.An output pulse readout circuit based on A225F is designed，achieving in reshaping the quasi-Gaussian waveform at a high counting rate.The details of the application of A225F is described in the paper.The simulation and experimental results prove the reasonableness of the design.

anti-Coincidence；particles detected；Pre-Amplifier；A225F

TN72

A

1674－6236（2016）01-0187-04

2015-03-29稿件編號：201503418

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)項(xiàng)目（XDA04060804）

李 肖（1987—），男，河北邢臺人，碩士研究生。研究方向：地球與空間探測技術(shù)、電子與信息工程。