硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星中能望遠鏡設(shè)計與驗證

曹學(xué)蕾 姜維春 張萬昌 孟斌 楊生 雒濤 顧煜棟 譚穎

(中國科學(xué)院高能物理研究所,北京 100049)

硬X射線調(diào)制望遠鏡(HXMT)衛(wèi)星[1]于2017年6月15日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射,在軌運行1年多。作為HXMT衛(wèi)星3臺望遠鏡之一,中能望遠鏡的主要任務(wù)是對5～30 keV能區(qū)X射線進行巡天及定點觀測。為了實現(xiàn)中能望遠鏡高時間分辨率和高能量分辨率的要求,本文設(shè)計了中能望遠鏡,概述了其功能組成,詳細(xì)介紹了Si-PIN探測器、低噪聲專用集成電路(ASIC)、高精度準(zhǔn)直器3項關(guān)鍵技術(shù),并給出了中能望遠鏡在軌運行的功能與性能測試結(jié)果。

1 中能望遠鏡設(shè)計

根據(jù)中能望遠鏡的任務(wù)要求,其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 中能望遠鏡主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main performance indexes of medium energy telescope

基于模塊化設(shè)計的原則,根據(jù)資源約束條件與性能指標(biāo)的要求,中能望遠鏡設(shè)計由3個中能探測器機箱和1個中能電控箱組成,3個中能探測器機箱均與中能電控箱相連,中能電控箱和衛(wèi)星平臺相連。圖1為中能探測器機箱在HXMT衛(wèi)星望遠鏡主支撐結(jié)構(gòu)上的安裝示意。

圖1 中能探測器機箱安裝結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of medium energy detector box assembly structure

按照功能劃分,每個中能探測器機箱包括準(zhǔn)直器、探測器、前端電子學(xué)組件(包括前端讀出電子學(xué)、數(shù)據(jù)采集電路和高壓及接口電路)3個部分。準(zhǔn)直器主要用于限定觀測視場,采用組合視場設(shè)計(1°×4°,4°×4°,以及全遮擋),可用于估計在軌觀測背景。探測器主要用于X射線光子的探測,可以實現(xiàn)在5～30 ke V能區(qū)低噪聲、高靈敏探測。因為Si-PIN探測器在5～30 keV能區(qū)觀測中具有能量分辨率高、線性好的優(yōu)點,所以探測器采用Si-PIN陣列探測器技術(shù)方案。整個中能望遠鏡共包括1728通道靈敏面積為56.25 mm2、厚度為1 mm的Si-PIN探測器單體。前端電子學(xué)組件主要用于探測器輸出信號的收集、放大、數(shù)字化并傳輸,采用ASIC技術(shù)來實現(xiàn)讀出電路的低功耗、低噪聲設(shè)計。

中能電控箱包括數(shù)管電路和二次電源及遙測量感知電路。數(shù)管電路負(fù)責(zé)與衛(wèi)星平臺通信,完成中能探測器機箱與衛(wèi)星平臺之間的數(shù)據(jù)交換和控制。二次電源使用2組完全相同的電源模塊,互為冷備份,為數(shù)管電路提供＋5.9 V電源,并為中能探測器機箱提供所需電源。二次電源的設(shè)計,除了要滿足輸出功率的要求,還要綜合考慮輸入保護、抗干擾、浪涌抑制、噪聲控制等其他重要因素的影響。中能電控箱需要產(chǎn)生二次電源的電壓遙測信號,以及一次電源的電壓、電流遙測信號,主要用于判斷系統(tǒng)的功能狀態(tài)。

中能望遠鏡具體功能框圖見圖2。

圖2 中能望遠鏡功能框圖Fig.2 Functional block diagram of medium energy telescope

中能望遠鏡的探測原理為:X射線光子入射到Si-PIN探測器基體內(nèi),與探測器硅介質(zhì)發(fā)生相互作用(主要為光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)),X射線光子損失全部或者部分能量。該作用過程產(chǎn)生的攜帶入射光子能量的次級電子在探測器基體發(fā)生電離效應(yīng),生成空間電荷(即電子-空穴對)。在Si-PIN探測器兩極間外加偏置高壓170 V,在探測器基體內(nèi)部形成電場。入射X射線光子與探測器作用產(chǎn)生的電荷,在空間電場的作用下被收集到探測器的電極上。入射X射線光子的能量正比于產(chǎn)生的電荷量,因此通過獲得探測器電極收集到的電荷量信息,就可以得到入射X射線光子的能量及時間信息。

中能望遠鏡設(shè)計主要包括的關(guān)鍵技術(shù)為:①Si-PIN探測器技術(shù);②低噪聲、高靈敏ASIC技術(shù);③高精度準(zhǔn)直器技術(shù)。其中:ASIC技術(shù)為采購國外商業(yè)化芯片,在國內(nèi)完成封裝與可靠性篩選;Si-PIN探測器技術(shù)與高精度準(zhǔn)直器加工技術(shù)均在國內(nèi)完成。

1.1 Si-PIN探測器技術(shù)

Si-PIN探測器是一種高性能的以半導(dǎo)體材料硅為探測器基體的X射線探測器。它采用注植工藝在探測器基體內(nèi)部形成高阻的I層,構(gòu)成P-I-N器件結(jié)構(gòu)[2-7]。相比面壘型探測器,Si-PIN探測器基體漏電流可以達到皮安量級,匹配讀出電子學(xué)后具有更高的能量分辨率。采用表面鈍化及保護環(huán)技術(shù)后,Si-PIN探測器表面狀態(tài)更穩(wěn)定,而且表面漏電流也降低到皮安量級(低溫環(huán)境－20℃左右),因此具有更穩(wěn)定的性能。圖3為中能望遠鏡Si-PIN探測器抽測的低溫漏電流結(jié)果,在－20℃環(huán)境和探測器兩極外加180 V偏壓情況下,像素漏電流達到約7 p A[9]。

圖3 中能望遠鏡Si-PIN探測器像元漏電流測試結(jié)果Fig.3 Leakage current test results of Si-PIN detector in medium energy telescope

按照物理設(shè)計的需求,中能望遠鏡在巡天及定點觀測中要達到與高能望遠鏡近似的通量,探測面積要大于900 cm2。單個像素Si-PIN探測器的面積與其耗盡電壓時的結(jié)電容成正比,而結(jié)電容與電荷靈敏前置放大器的噪聲成正比[8]。為保證中能望遠鏡的能量分辨率,并考慮探測器讀出電子學(xué)復(fù)雜度,根據(jù)單路探測器的試驗,探測器像素面積設(shè)計為50.00 mm2左右。實際設(shè)計像素面積考慮陣列設(shè)計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,確定為56.25 mm2(12.5 mm×4.5 mm)。

綜合考慮物理設(shè)計中對靈敏面積的要求,結(jié)合中能望遠鏡在衛(wèi)星中的資源條件限制,在探測器研制過程成品率估計的約束條件下,選擇2個像素做在同一個硅芯片上(稱為“雙像素單元”),以有效減小死區(qū),其機械尺寸為14.50 mm×11.01 mm×1.00 mm。同時將2個“雙像素單元”探測器封裝在一個陶瓷外殼內(nèi),形成中能望遠鏡探測器的最終設(shè)計方案,如圖4所示。

圖4 中能望遠鏡探測器設(shè)計方案Fig.4 Design scheme of medium energy telescope detector

1.2 低噪聲、高靈敏ASIC技術(shù)

中能望遠鏡的探測器總共由1728通道的多像元Si-PIN探測單元構(gòu)成。電子學(xué)采用ASIC技術(shù)完成設(shè)計與研制。日本“朱雀”(Suzaku)衛(wèi)星的高能X射線望遠鏡(HXD)采用了與HXMT衛(wèi)星中能望遠鏡相同的Si-PIN探測器技術(shù),而由于采用分立器件的讀出電子學(xué),受系統(tǒng)功耗限制和電子學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜度的影響,只能增加探測器的靈敏面積來減少電子學(xué)通道數(shù),其Si-PIN探測器的定型像素尺寸為21.5 mm×21.5 mm,是HXMT衛(wèi)星中能望遠鏡Si-PIN探測器靈敏面積的8.2倍,探測器的結(jié)電容是HXMT衛(wèi)星中能望遠鏡的4倍。通過在軌觀測數(shù)據(jù)分析,Suzaku衛(wèi)星的HXD在軌能量分辨率為FWHM 4 ke V左右(在59.5 ke V時),探測能區(qū)的下限只能到12 keV[10-11]。HXMT衛(wèi)星中能望遠鏡的讀出電子學(xué)設(shè)計,基于ASIC技術(shù),具有低功耗、高集成優(yōu)點,單通道的功耗在35 mW左右(包括前級場效應(yīng)管),因此在保證整個中能望遠鏡靈敏面積在900 cm2以上的前提下,仍然可以采用小像元Si-PIN探測器(56.25 mm2)的方案設(shè)計。在實際設(shè)計實施過程中,中能望遠鏡ASIC設(shè)計方案,還能同時兼顧可靠性(抗靜電設(shè)計、抗輻照設(shè)計等)和低噪聲性能要求。

1)讀出電子學(xué)設(shè)計

在中能望遠鏡中,每32個Si-PIN探測器像元組成1個探測器模塊。每個探測器模塊有32個探測器通道,由1片ASIC(VA 32TA6)完成所有通道信號的讀取、放大及模數(shù)轉(zhuǎn)化。每6片ASIC共用1套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),組成1個探測單元,由FPGA實現(xiàn)其邏輯控制,如圖5所示。每3個探測單元在1個中能探測器機箱內(nèi),因此整個中能望遠鏡包括3個中能探測器機箱,9個探測單元,54個探測模塊。

圖5 中能探測器機箱電子學(xué)功能框圖Fig.5 Electronics functional block diagram of medium energy detector box

2)低噪聲設(shè)計與實現(xiàn)

中能望遠鏡的能量分辨率指標(biāo)要求為FWHM 3 ke V(在17.8 ke V時),優(yōu)于國際同類儀器FWHM 4 ke V(在59.5 ke V時)的性能指標(biāo),在設(shè)計中對輸入等效噪聲的指標(biāo)進行分析。Si-PIN探測器平均電離能為3.6 eV,能量探測范圍5～30 keV對應(yīng)的等效信號幅度為170～1000μV。能量分辨率FWHM 3 ke V,等效ASIC輸入端耦合電容前的等效噪聲小于100μV?？紤]到該噪聲包含了探測器部分噪聲及探測器與ASIC匹配參數(shù)的影響,實際要求ASIC讀出電子學(xué)的等效輸入噪聲要小于50μV。

中能望遠鏡前端電路的信號特征和噪聲指標(biāo)要求,決定了其對噪聲的敏感性。探測器需要的±5.6 V,高壓、系統(tǒng)級的接地設(shè)計及ASIC工作電壓上的濾波,都會對中能望遠鏡的性能指標(biāo)產(chǎn)生影響。因此,中能望遠鏡電子學(xué)中關(guān)鍵供電電源的紋波全部在5 m V以下;而且采用數(shù)字地、模擬地分開,單點接地的方式,達到了低噪聲設(shè)計要求。中能望遠鏡能量分辨率達到FWHM 2.8 ke V(在17.8 ke V時),時間分辨率達到256μs,可以滿足HXMT衛(wèi)星的科學(xué)觀測應(yīng)用需求。

1.3 高精度準(zhǔn)直器技術(shù)

中能望遠鏡準(zhǔn)直器采用了組合視場的設(shè)計方案,通過后期的數(shù)據(jù)處理可以有效減小在軌觀測的背景影響,其中全遮擋視場的設(shè)計可以估計在軌觀測的粒子背景。準(zhǔn)直器視場分別為1°×4°、4°×4°和全遮擋3種,不同視場的準(zhǔn)直孔在整個中能探測器機箱中的分布如圖6所示。其中:1°×4°為15組,4°×4°為2組,全遮擋為1組。

圖6 準(zhǔn)直器視場分布Fig.6 Layout of collimator field of view

1)鉭片對插設(shè)計

根據(jù)物理需求分析,中能準(zhǔn)直器的占空比不小于90%,鉭片平行度不大于1′,同時根據(jù)HXMT衛(wèi)星資源限制,單機準(zhǔn)直器質(zhì)量不大于9 kg,且整體準(zhǔn)直器模塊安裝后要滿足衛(wèi)星力學(xué)環(huán)境的約束要求。根據(jù)以上設(shè)計約束,可供選擇的準(zhǔn)直器方案包括平行鉭片方案、弓形鉭片方案和鉭片對插方案3種。

傳統(tǒng)的平行鉭片方案,是通過安裝外框的加工切槽并用平行鉭片插入的方式構(gòu)建準(zhǔn)直柵格。根據(jù)中能望遠鏡的物理設(shè)計占空比和平行度的要求,平行鉭片方案設(shè)計的準(zhǔn)直器高度和質(zhì)量均比對插鉭片方案設(shè)計的增加1倍以上。弓形鉭片方案的設(shè)計思路,是將薄鉭片先行按照準(zhǔn)直器柵格的要求,通過模具先行加工成型,再按照平行鉭片方案插入外框插槽,見圖7。該方案在占空比和資源限制方面可以滿足中能望遠鏡的需要,但存在模塊加工完成后鉭片回彈的問題,容易變形,因此很難滿足HXMT衛(wèi)星環(huán)境適應(yīng)性要求,其精度也無法保證。鉭片對插方案的設(shè)計思路為:在安裝外框的四面切槽,將鉭片中間切槽,在安裝外框?qū)g片垂直對插后,通過激光點焊的方式固定,最后通過點膠工藝進行固化,形成最終產(chǎn)品。圖8為鉭片柵格單元全部裝入鋁框后的效果。

圖7 弓形鉭片示意Fig.7 Schematic diagram of bow shaped tantalum

圖8 鉭片柵格單元全部裝入鋁框后的效果Fig.8 Overall layout of all tantalum plates loaded into aluminum frame

2)準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)

準(zhǔn)直器采用鋁合金外框配合內(nèi)部對插鉭片的設(shè)計方案。由于機箱上部探測器陣列的總面積較大,為了保證準(zhǔn)直器的加工成品率,將準(zhǔn)直器分成3個模塊,即2塊準(zhǔn)直器側(cè)塊和1塊準(zhǔn)直器中塊。準(zhǔn)直器設(shè)計總高度為69 mm,上下各設(shè)計0.5 mm的凹面,用于保護準(zhǔn)直器內(nèi)部鉭片結(jié)構(gòu)。圖9為準(zhǔn)直器剖面。

圖9 準(zhǔn)直器剖面Fig.9 Cutaway drawing of collimator

針對資源約束下準(zhǔn)直器69 mm高度的限制,準(zhǔn)直器柵格準(zhǔn)直孔大小為1.17 mm×4.68 mm。根據(jù)占空比設(shè)計的要求,鉭片的厚度設(shè)計為0.07 mm。準(zhǔn)直孔完全由鉭片構(gòu)成,在滿足物理設(shè)計需要的準(zhǔn)直器占空比(90%以上)要求的同時,還降低了機械加工的難度,保證了準(zhǔn)直器的抗力學(xué)特性。

2 在軌運行情況

中能望遠鏡在軌運行1年多,從遙測參數(shù)的結(jié)果(見圖10)分析,探測器機箱(主)總電壓和分到各探測器機箱電壓的遙測值變化幅度均在±0.1 V,電壓穩(wěn)定,相應(yīng)的電流監(jiān)測量變化幅度也在正常允許范圍之內(nèi),因此中能望遠鏡設(shè)計合理,功能正常。

通過相同像素的在軌數(shù)據(jù)與地面標(biāo)定數(shù)據(jù)分析與比對,可以發(fā)現(xiàn):在軌觀測的中能望遠鏡能量分辨率為FWHM 2.8 keV(在17.8 keV時),與地面標(biāo)定時的結(jié)果完全一致(見圖11)。能量分辨率指標(biāo)達到預(yù)期結(jié)果,可以滿足科學(xué)分析所需要的儀器指標(biāo)要求。

圖10 中能望遠鏡在軌遙測電壓和電流結(jié)果Fig.10 Voltage and current telemetry results of medium energy telescope in orbit

圖11 中能望遠鏡在軌運行1年后帶標(biāo)定源(Am-241)測試能譜與地面標(biāo)定時能譜對比Fig.11 Am-241 source spectrum after one year in-orbit operation compared with ground calibration of medium energy telescope

分析中能望遠鏡的到達時間間隔譜(如圖12所示)可知:到達時間間隔譜中各探測單元的到達時間間隔截止位置均在256μs左右,即系統(tǒng)的時間分辨率為256μs,遠優(yōu)于物理需求分析對中能望遠鏡時間分辨率的指標(biāo)要求(1 ms)。

圖12 中能望遠鏡各探測單元到達時間間隔譜Fig.12 Arrival time interval spectrums of all detection units in medium energy telescope

3 結(jié)束語

HXMT衛(wèi)星中能望遠鏡以Si-PIN探測器與ASIC為主要技術(shù)方案,并利用高精度準(zhǔn)直器技術(shù)保證其空間分辨率,在軌運行性能指標(biāo)達到了工程任務(wù)的指標(biāo)要求。目前,該望遠鏡已在軌正常工作1年多,各項功能性能指標(biāo)穩(wěn)定。中能望遠鏡設(shè)計中采用的Si-PIN探測器技術(shù)和低噪聲、高靈敏ASIC技術(shù),以及高精度準(zhǔn)直器技術(shù),在后續(xù)類似空間項目及地面試驗應(yīng)用方面都具有實際應(yīng)用價值。

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