GRM在軌標定探測器的設計和實現(xiàn)

文 星，劉江濤，劉 鑫，王瑞杰，師昊禮， 李 陸，孫建超，張 力，董永偉，吳伯冰

(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； 3.中國科學院 粒子天體物理重點實驗室，北京 100049)

伽馬射線暴(GRB)是宇宙空間中隨機出現(xiàn)、短時間內(nèi)γ射線輻射突然增強的一種爆發(fā)現(xiàn)象，每次爆發(fā)釋放的能量可達約1051ergs，甚至更高，堪稱宇宙中能量釋放最劇烈的事件[1-2]。該現(xiàn)象自1967年被Vela衛(wèi)星首次發(fā)現(xiàn)后，一直是高能天體物理研究的熱門領域。幾十年來，GRB的能譜特性[3]、時間特性[4]、偏振特性[5]及其理論模型[6]等均取得了一定的研究成果，但仍有一些尚待回答的問題，包括GRB爆發(fā)過程中噴流的成分、能量耗散機制、粒子加速機制等[7]，需探測性能更高的探測器對其進行觀測?？臻g多波段變源監(jiān)視器(SVOM)衛(wèi)星是由中法兩國多個科研單位共同參與研制的一項國際合作項目，是專門探測GRB的天文衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道高度約630 km，傾角約為30°，預計2021年發(fā)射，在軌設計壽命為3 a。

伽馬射線監(jiān)視器(GRM)作為SVOM衛(wèi)星上的載荷之一[8]，能很好地完成硬X射線、軟伽馬射線的能譜觀測和GRB觸發(fā)功能。其主要科學目標包括：1) 在衛(wèi)星壽命期內(nèi)，觀測各種類型的GRB；2) 對在視場內(nèi)的GRB進行快速觸發(fā)；3) 在X射線到軟伽馬射線的波段范圍(15～5 000 keV)對GRB進行T0-5 min～T0+10 min(T0為GRB觸發(fā)時刻)的連續(xù)觀測；4) 配合進行引力波探測。

GRM包括伽馬射線探測器(GRD)、粒子監(jiān)測器(GPM)和電控箱(GEB)3種單機(設備)，其中GRD作為主探測器進行X射線和軟伽馬射線的能譜觀測和GRB觸發(fā)，包含3個不同指向的探頭，采用碘化鈉(NaI)作為探測晶體。GRM在軌飛行中，由于磁場和溫度的變化及長時間工作后電子線路的老化，均會引起系統(tǒng)增益的改變[9-11]，從而導致能譜測量的譜漂現(xiàn)象，因此需引入在軌標定探測器(GCD)，用于GRD的在軌自動增益控制。GCD安裝在探頭晶體表面，包含在GRD單機設備中。GCD的任務要求和設計指標為：1) 完成對α粒子的有效探測，探測效率要求大于95%；2) 輸出飽和α信號作為GRD符合觸發(fā)源，且在軌溫變工況中飽和能譜的峰位漂移要求小于0.5 V。本文對GCD研制過程進行介紹，并對設計中出現(xiàn)的問題加以驗證及改進。

1 工作原理及電路設計

1.1 GCD設計方案

探測器穩(wěn)定增益的基本原理是根據(jù)標定譜峰位的變化，通過改變PMT高壓或電子學系統(tǒng)增益來實現(xiàn)譜儀增益的穩(wěn)定，其方法有多種，主要包括：1) 利用測量標定放射源發(fā)出的單能X射線，獲得峰位信息再進行穩(wěn)譜，如BeppoSAX衛(wèi)星上的PDS探測器[12]、RXTE上的HEXTE探測器[13]及HXMT上的高能探測器均使用241Am作為標定源；2) 利用探測器自身本底的特征譜線，通過累積本底能譜得到特征譜線峰位信息再進行穩(wěn)譜，如Fermi上的GBM探測器[14]；3) 利用LED光脈沖模擬單能X射線作為標定源的方法等。

以上方法各有優(yōu)劣，選用本底事例中的特征峰作為標定源通常需累積較長時間(如GBM為90 min)才能達到滿足要求的精度，LED標定源無法修正晶體本身發(fā)光性能引起的漂移，而選用放射源作為標定源相對更為可靠，也是最常用的方法。GRM參考其他衛(wèi)星經(jīng)驗，利用長壽命的α-γ放射源241Am作為標定源，其發(fā)生α衰變的同時會產(chǎn)生59.5 keV的γ光子，通過兩種射線的同時性將標定源的γ射線與被測天體源的區(qū)分開，并采用逐光子事例進行增益調(diào)節(jié)。

在GCD設計中，將241Am嵌入桶形塑料閃爍體制作成鑲嵌源，由于受到探測方向限制，且γ光子在通過鋁制外殼吸收后光子數(shù)會減少，GRD能探測到的光子數(shù)可根據(jù)式(1)計算及Geant4程序模擬得到，再根據(jù)在軌增益調(diào)節(jié)頻率可得到標定源活度下限。偶然符合(非241Am產(chǎn)生的γ光子的符合)會增加標定系統(tǒng)的死時間并造成自動增益的誤調(diào)節(jié)，為減少偶然符合，根據(jù)GCD對α粒子的實際探測效率(約96%)和符合電路的分辨時間(500 ns)，計算得到標定源活度上限。通過計算后將241Am的活度定在100 Bq。根據(jù)GRM鑒定件產(chǎn)品測試結果，該活度下能被GRD探測到的241Am產(chǎn)生的γ光子約為10 s-1，符合概率為5%～10%，偶然符合計數(shù)所占比例小于1%，可滿足增益調(diào)節(jié)需求。通過分析，在自動增益控制系統(tǒng)的高壓調(diào)節(jié)步長為312.5 mV的條件下，若要在調(diào)節(jié)50 V的高壓范圍內(nèi)進行穩(wěn)譜，考慮到高壓模塊響應時間、偶然符合導致的誤調(diào)節(jié)等因素，穩(wěn)譜時間約為17 s。

I=I0e-ud

(1)

其中：I為出射光子流強；I0為入射光子流強；u為吸收系數(shù)；d為經(jīng)過材料厚度。

GRM利用標定源進行自動增益控制的過程為：標定源中的α粒子(能量集中在5.48 MeV附近)與塑料閃爍體相互作用所激發(fā)的熒光被GCD中的SiPM探測到，通過光電轉(zhuǎn)換作用產(chǎn)生電信號并通過前端電子學放大讀出，同時主探測器GRD會對標定源發(fā)出的γ光子進行探測。利用二者的同時性，通過后端電子學的α-γ符合，將標定源產(chǎn)生的γ事例從天體源的物理事例中挑選出，并標記為標定事例。將標定事例中能譜峰位對應的道址與59.5 keV對應的道址進行比較，根據(jù)比較結果調(diào)節(jié)高壓來控制系統(tǒng)增益。根據(jù)GRM鑒定件產(chǎn)品的測試結果，GRD對59.5 keV能量點的分辨率約為14%。因此，對鑲嵌源發(fā)出的α粒子的有效探測是GCD的主要任務。

1.2 SiPM偏壓補償電路設計

SiPM由工作在蓋革模式的二極管陣列組成，工作時加入一大于擊穿電壓VBD的反向偏壓Vbias，超過擊穿電壓的部分稱為過壓，即ΔV=VBD-Vbias。GCD選用的SiPM型號為Sensl公司生產(chǎn)的MicroFC-30035-SMT，其有效探測面積為3 mm×3 mm，工作偏壓為25～30 V，光敏峰值波長為420 nm。

SiPM的性能(增益)依賴于所加的偏壓及溫度，環(huán)境溫度的升高導致其擊穿電壓升高，在偏壓固定的情況下，過壓會相對減小，而由于增益是過壓的線性函數(shù)，因此其增益也隨之減小，其增益的溫度系數(shù)為-0.8%/℃；在溫度固定的情況下，偏壓越大則過壓越大，相應的增益也越大。因此在GCD的設計中，利用偏壓(過壓)補償電路，抵消溫度變化導致的過壓變化，使得過壓保持不變，從而使SiPM的增益基本保持不變。GCD所采用的SiPM的擊穿電壓是溫度的線性函數(shù)，具有正的溫度系數(shù)21.5 mV/℃，故需偏壓補償電路具有基本一致的溫度系數(shù)，從而抵消由于溫度變化導致的增益漲落。

圖1為偏壓補償電路原理圖，利用精密溫度傳感器LM135H的溫度特性，對SiPM的供電偏壓進行補償。LM135H具有正的溫度系數(shù)10 mV/℃，因此通過兩個LM135H串聯(lián)，電路的溫度系數(shù)達到20 mV/℃，接近SiPM擊穿電壓的溫度系數(shù)，從而保證其在不同溫度環(huán)境中增益基本維持不變或變化在可接受范圍內(nèi)。另外，利用運算放大器設計了一路電壓跟隨器對偏壓進行監(jiān)測。

1.3 前置放大電路及差分輸出電路

電路中的前置放大電路，利用運算放大器LM6172設計為兩級電壓并聯(lián)負反饋電路，對SiPM輸出的弱電流信號進行放大后輸出電壓信號，并通過反饋網(wǎng)絡中的電容對直流成分進行濾波。由于GCD的α信號在軌主要用作觸發(fā)信號，信號幅度越大越好，且能在SiPM由于溫度影響而使得增益出現(xiàn)相對變化時，仍能滿足α信號幅度大于噪聲的需求。因此在設計時將前置放大電路的放大倍數(shù)設計為600倍，使得最終讀出的241Am鑲嵌源的α信號達到飽和(圖2)。為抑制信號的共模干擾，利用LM6172設計了單端輸入雙端輸出的差分信號讀出電路，一路為電壓串聯(lián)負反饋，一路為電壓并聯(lián)負反饋，使其同時輸出兩個極性相反的電壓信號。圖3為前置放大電路和差分輸出電路原理圖。

圖1 偏壓補償電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of bias voltage compensation circuit

圖2 飽和α信號波形Fig.2 Saturated alpha signal waveform

圖3 前置放大電路和差分輸出電路Fig.3 Preamplifier circuit and differential output circuit

圖4為利用信號發(fā)生器向放大電路輸入方波信號(頻率為1 kHz，幅值為10 mV)，并通過差分輸出電路讀出的雙極性方波信號。

圖4 利用信號發(fā)生器對前置放大電路及差分輸出電路的測試輸出信號Fig.4 Output signal of preamplifier circuit and differential output circuit using signal generator

1.4 前端電子學結構設計

由于GCD安裝到探頭晶體的表面會對探測視場有部分遮擋，從而影響探測效率，因此為降低對視場的遮擋，在GCD的電子學結構設計中，只將耦合鑲嵌源(高度和截面直徑均為6 mm)的部分留在晶體表面，其他電子學部分置于探頭側(cè)面，這樣既保證了主探測器對標定源γ光子的有效探測，又降低了GCD結構對視場的遮擋。

GCD電子學的PCB板分為大扇形板和小方形板。小板上焊裝SiPM并放置通過光學耦合膠粘貼到SiPM表面的鑲嵌源；大板放置其他電子學，由于需貼合探頭結構側(cè)面，故將其設計為扇形結構；在安裝到GCD結構上時兩個板子之間存在5.5 mm的高度差，故二者通過柔性電路板相連。為消除GCD電纜對主探測器外包絡的干涉，將電連接器放置在扇形板正中央的下方。

2 偏壓補償電路的高低溫實驗

前端電子學電路設計完成后，利用高低溫恒溫箱測試SiPM增益隨溫度的變化情況，并驗證設計的偏壓補償電路是否可有效降低溫度變化對SiPM增益的影響。

2.1 測試設備及條件

測試設備包括高低溫恒溫箱、焊接的GCD電路板(包含偏壓補償電路)、萬用表、數(shù)字轉(zhuǎn)換器(DT5751，最大輸入信號為1 V)、信號衰減器、241Am鑲嵌源(100 Bq)、電源(4路，±12 V，+24 V，+30 V)、暗盒及測試電纜等。測試系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 GCD高低溫實驗測試系統(tǒng)Fig.5 High and low temperature test system diagram of GCD

根據(jù)GCD的在軌工作溫度范圍(-10～+40 ℃)選取測溫范圍為-35～+50 ℃，選取18個溫度點，步長為5 ℃，調(diào)溫速率為1 ℃/min，溫度平衡時保持溫變<0.5 ℃/min。

2.2 測試方案

首先對偏壓補償電路在不同溫度環(huán)境下的輸出電壓變化進行測試，從而得到補償電路的溫度系數(shù)。在該測試中，僅對補償電路進行供電(+24 V和+30 V)工作，后續(xù)前置放大電路及差分輸出電路不供電，也不放置鑲嵌源。若溫度系數(shù)基本符合預期，則對前置放大電路和差分輸出電路進行供電，并放置鑲嵌源，將電路的輸出信號通過衰減器進行幅值衰減(衰減系數(shù)為17 dB)后接入數(shù)字轉(zhuǎn)換器，從而得到鑲嵌源的α信號幅度譜，再通過能譜擬合得到峰值的位置。更改SiPM供電偏壓或前置放大電路的增益可得到非飽和狀態(tài)下的α信號，這樣可得到準確的能譜峰位，從而在不同溫度下實測峰位的變化情況。另外，考慮到在實際在軌工作中，α信號始終處于飽和狀態(tài)，因此也需對飽和α信號在不同溫度下能譜峰位的變化情況進行測試。測試1，偏壓補償電路溫度系數(shù)測試，測試偏壓補償電路在不同溫度下的輸出電壓，從而得到補償電路的溫度系數(shù)。測試2，非飽和α信號峰位變化情況測試，其步驟為：1) 單獨對SiPM供電，測試非飽和α信號能譜峰位隨溫度的變化情況；2) 加入補償電路，測試非飽和α信號能譜峰位隨溫度的變化情況。測試3，飽和α信號峰位變化情況測試，其步驟為：1) 單獨對SiPM供電并使α信號飽和，測試其能譜峰位隨溫度的變化情況；2) 加入補償電路，測試飽和α信號能譜峰位隨溫度的變化情況。

測試中，先將高低溫恒溫箱溫度設置為+25 ℃，然后按5 ℃的調(diào)整步長升溫至+50 ℃，再降溫至-35 ℃，最后升至+20 ℃完成1次測試。每個溫度點均保持15 min，待溫度穩(wěn)定后進行電壓讀取或記錄α能譜峰位。

2.3 測試結果分析

1) 偏壓補償電路的溫度系數(shù)

圖6為電路優(yōu)化前、后的測試結果，電路優(yōu)化前溫度系數(shù)為2 mV/℃，并不滿足20 mV/℃的設計要求，原因為補償電路的分壓電阻設置不合理，且使用的傳感器LM135H為低等級封裝，性能較差。通過計算后，將原理圖中的電阻更改為R2=5.6 kΩ、R5=50 Ω，LM135H采用TO-46的金屬封裝。電路優(yōu)化后溫度系數(shù)達到19.8 mV/℃，滿足要求。

2) 非飽和α信號峰位變化

利用上述優(yōu)化后的補償電路，加入前置放大電路及差分輸出電路，并放置241Am源，調(diào)整補償電路的供電使測得的α信號峰位處于非飽和狀態(tài)，圖7a為測試中溫度為25 ℃時的α信號幅度譜。表1列出了加入補償電路前后的測試數(shù)據(jù)記錄，在-35 ℃～50 ℃的溫變范圍內(nèi)，加入補償電路使α信號峰位偏移從1.8 V減小到0.37 V，減小約80%，補償效果明顯。

圖6 電路優(yōu)化前(a)、后(b)的測試結果Fig.6 Test result before (a) and after (b) optimization

3) 飽和α信號峰位變化情況

由于在實際應用中使用的是飽和α信號，電路中可通過增大前置放大電路的放大倍數(shù)及SiPM的偏壓供電來實現(xiàn)，考慮到GCD的總功耗要求應小于0.5 W，因此設計前置放大電路的放大倍數(shù)為600，偏壓補償電路的供電分別為+24 V和+30 V(常溫下對SiPM的偏壓輸出為28.9 V)。飽和α信號幅度譜如圖7b所示。

根據(jù)高低溫測試，在-35～50 ℃的溫變范圍內(nèi)，不加入補償電路時，飽和狀態(tài)下α信號峰位變化為480 mV，加入后變化小于100 mV，補償效果仍滿足要求。實驗中對高溫工況(50 ℃)和低溫工況(-35 ℃)下進行了長時間(>12 h)穩(wěn)定性測試，結果顯示溫度保持穩(wěn)定時，α信號峰位變化<1%。

圖7 非飽和(a)及飽和(b)α信號幅度譜Fig.7 Unsaturated (a) and saturated (b) alpha spectra

表1 加入補償電路前后非飽和α信號峰位變化記錄Table 1 Record of peak position of unsaturated alpha signal before and after adding bias compensation circuit

3 鑲嵌源灌封設計

在實際應用中，鑲嵌源通過光學耦合膠EJ-500粘貼到SiPM的窗口表面，然后再利用GD414C黑色硅膠將小板整體灌封到外殼的方形凹槽內(nèi)，這樣既可保證對α信號的探測效率，又可起到避光效果，減少本底干擾。由于柔性電路板的存在，且并無螺釘對鑲嵌源進行固定，只能完全依靠GD414C來固定鑲嵌源，因此對耦合和灌封過程提出了較高的要求，灌封步驟設計如下。

1) 由于電連接器位于扇形板的正下方，需在扇形板完成全部焊裝及點膠并利用螺釘安裝到外殼上后，再開始進行灌封。

2) 將柔性板翻轉(zhuǎn)至SiPM窗口水平朝上，并利用灌封工裝進行固定，然后利用細玻璃棒將按比例(1∶3)混合好的EJ-500耦合膠均勻涂抹到SiPM窗口表面，靜置15 min待氣泡散盡后，將鑲嵌源粘貼到上面。保持工裝不移動，等待24 h使得耦合膠完全固化。

3) 將GD414C填充滿外殼方形凹槽，移開工裝，將耦合的鑲嵌源按入凹槽內(nèi)，使方形電路板卡到凹槽口外沿上，再利用封裝將電路板固定，等待GD414C完全固化。

4) 將柔性板緊貼外殼內(nèi)壁及凹槽側(cè)面開口，并利用GD414C將凹槽側(cè)面完全灌封，保證固定及避光效果滿足要求。等待GD414C完全固化后，移除工裝，結束灌封。

4 結論

GCD作為GRM載荷的在軌標定探測器，主要完成對標定源214Am發(fā)出的α粒子的有效探測，并作為觸發(fā)信號協(xié)助主探測器完成在軌自動增益控制。本文對其各部分電子學的原理設計、偏壓補償電路的高低溫實驗驗證及結果分析、投產(chǎn)加工及鑲嵌源灌封設計等研制過程進行了描述，對設計中出現(xiàn)的問題加以驗證及改進。結果表明其主要功能和性能指標均滿足設計要求，對載荷系統(tǒng)完成GRB長期有效探測具有重要意義。