ASO-S衛(wèi)星HXI量能器探測單元的標(biāo)定?

黃永益 馬 濤 張永強(qiáng) 張 巖 張 哲

(1中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)南京210023)

(2中國科學(xué)院暗物質(zhì)與空間天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京210023)

(3中國科學(xué)院大學(xué)北京100049)

1 引言

認(rèn)識(shí)太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)和太陽周期性產(chǎn)生磁場的物理機(jī)制,一直是太陽物理研究的主要科學(xué)目標(biāo).全面理解太陽磁場的起源、磁場周期性變化的物理本質(zhì)以及產(chǎn)生的各種動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象,有助于預(yù)測空間環(huán)境的變化及其對人類社會(huì)的影響.太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射(Coronal Mass Ejection,CME)是太陽系中最強(qiáng)的爆發(fā)和粒子加速器,正是它們創(chuàng)造了極端的空間天氣,它們也是理解宇宙中類似爆發(fā)的極好樣本.全面掌握耀斑和CME的發(fā)生、演化及其對日地空間造成的影響,都具有重要的科學(xué)和社會(huì)意義.因此,觀測和研究太陽磁場、太陽耀斑和CME 3者之間的關(guān)系,就顯得特別重要,是當(dāng)今太陽物理最前沿的研究領(lǐng)域[1?5].

為了盡早改變我國沒有太陽探測衛(wèi)星的局面,提出“先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)”,定位于太陽活動(dòng)25周峰年(預(yù)期極大在2025年左右)的“一磁兩暴”即太陽磁場、太陽耀斑和CME的同時(shí)觀測,來推進(jìn)3者之間關(guān)系的研究,具有相當(dāng)?shù)莫?dú)特性和可行性.太陽硬X射線成像儀(Solar Hard X-ray Imager,HXI)即為先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)衛(wèi)星(Advanced Space-based Solar Observatory,ASO-S)上主要負(fù)責(zé)在硬X射線波段進(jìn)行耀斑探測的載荷.通過成像、能譜和時(shí)間連續(xù)探測,HXI可以同時(shí)獲得耀斑發(fā)生的位置形狀、輻射強(qiáng)度以及時(shí)間演化等豐富特征信息,對于研究耀斑的加速機(jī)制、確定加速源區(qū)的位置和范圍、了解加速粒子的傳輸機(jī)制、比較耀斑加速源區(qū)和粒子作用區(qū)能譜的區(qū)別等多個(gè)方面都具有重要的科學(xué)意義[2?3].

HXI分系統(tǒng)由準(zhǔn)直器、量能器和電控箱3臺(tái)單機(jī)組成(示意圖見圖1)[2?3].準(zhǔn)直器實(shí)現(xiàn)對入射硬X射線光子的調(diào)制,同時(shí)具備測量光軸與太陽中心位置的信息;量能器實(shí)現(xiàn)對通過準(zhǔn)直器調(diào)制后的硬X射線光子進(jìn)行能量和計(jì)數(shù)的測量,并能實(shí)現(xiàn)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行能譜的累積;電控箱實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直器和量能器的供電、科學(xué)數(shù)據(jù)接收、遙控遙測數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?

量能器單機(jī)由99個(gè)獨(dú)立探測單元、4塊高壓扇出板(HVD)、4塊前端電子學(xué)板(FEE)及配套的碳纖維結(jié)構(gòu)和屏蔽板組成,具體組成結(jié)構(gòu)如圖2所示[2?3].

圖1 HXI分系統(tǒng)組成圖Fig.1 Schematic drawing of the HXI payload

圖2 量能器組成圖Fig.2 Schematic drawing of the sp ectrometer

量能器的主要功能是對經(jīng)過準(zhǔn)直器調(diào)制的太陽硬X射線光子進(jìn)行流量和能量的測量,量能器探測單元中的溴化鑭晶體將X射線光子轉(zhuǎn)化為熒光光子,并經(jīng)過光電倍增管轉(zhuǎn)化為電荷信號(hào);FEE板則完成電荷信號(hào)的前置放大和數(shù)字化,并在給定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行能譜累積、事例計(jì)數(shù)和觸發(fā)閾值記錄;HVD板負(fù)責(zé)將高壓供電提供給多個(gè)探測單元的光電倍增管,并在光電倍增管發(fā)生短路故障時(shí)提供限流保護(hù).量能器單機(jī)主要性能要求如下:(1)觀測能段30–200 keV;(2)能量分辨優(yōu)于27%@30 keV;(3)各探測單元差異性在±20%(最大/最小,以光電管輸出信號(hào)為準(zhǔn))之內(nèi).為了驗(yàn)證量能器單機(jī)的設(shè)計(jì)正確性,需要對量能器的主要性能指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定.由于量能器單機(jī)由99個(gè)探測單元組成,要逐個(gè)進(jìn)行性能標(biāo)定,會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間成本和資金成本,在有限的預(yù)算范圍內(nèi),為了滿足衛(wèi)星進(jìn)度,我們采取了隨機(jī)抽樣4只獨(dú)立的探測單元進(jìn)行性能指標(biāo)的標(biāo)定.本文主要介紹了我們的標(biāo)定試驗(yàn)設(shè)備、標(biāo)定試驗(yàn)方案和標(biāo)定結(jié)果,進(jìn)而驗(yàn)證量能器單機(jī)的主要性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求,同時(shí)證明實(shí)驗(yàn)方案可行性,為ASO-S衛(wèi)星正樣研制打下基礎(chǔ).

2 試驗(yàn)設(shè)備及方案

2.1 單個(gè)探測單元組成

HXI探測X射線的能段范圍為30–200 keV,它的能量分辨率要求也高,我們選擇了光產(chǎn)額大、能量分辨率高、溫度穩(wěn)定性好的溴化鑭作為探測晶體,并選用高量子效率的光電倍增管作為晶體熒光的讀出器件.量能器的單個(gè)探測單元由一個(gè)尺寸為Φ25×25 mm溴化鑭晶體和一只型號(hào)為R1924A-100、直徑為Φ25 mm的高量子效率光電倍增管組成,組成示意圖如圖3所示.

2.2 單能X射線地面標(biāo)定裝置

單能X射線地面標(biāo)定裝置由光源、準(zhǔn)直器、雙晶單色器及高純鍺探測器(High Purity Germanium detector,HPGe)組成,其結(jié)構(gòu)組成圖如圖4所示[6],它的性能指標(biāo)詳見表1.光源是管電壓為220 kV和600 kV的X射線光機(jī),穩(wěn)定性好,準(zhǔn)直器由激光準(zhǔn)直器、前后準(zhǔn)直器管組成,激光準(zhǔn)直器用來調(diào)節(jié)光路,前后準(zhǔn)直管用來準(zhǔn)直X射線束流,使出射的束流達(dá)到平行;雙晶單色器由兩塊硅晶體、T結(jié)構(gòu)及微調(diào)平臺(tái)組成,T結(jié)構(gòu)用來調(diào)整兩塊硅晶體的平行度來滿足布拉格衍射的條件,通過微調(diào)平臺(tái)改變布拉格入射角可以使X光機(jī)產(chǎn)生的連續(xù)X射線變成不同能量的單能X射線.

圖3 探測單元組成圖Fig.3 Schematic drawing of a single detector unit

圖4 單能X射線地面標(biāo)定裝置Fig.4 Calibration device of single-energy X-ray on ground

表1 單能X射線源性能參數(shù)Table 1 Performance p ar ameter s of the single-energy X-ray source

2.3 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)方案

在雙晶標(biāo)定裝置的后端,搭建有一個(gè)全方位精密移動(dòng)平臺(tái),可以根據(jù)試驗(yàn)需求隨意調(diào)整試驗(yàn)設(shè)備的位置和方向.在平臺(tái)上面安裝了HPGe和我們的4個(gè)探測單元(相對HPGe的位置是固定的),高純鍺探測器具有極高的能量分辨率,被認(rèn)為是核素分析的黃金標(biāo)準(zhǔn),在很多檢測領(lǐng)域成為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)檢測設(shè)備[7]. 為了精確知道單能X射線的能量及流量大小,我們使用經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)放射源標(biāo)定過的高純鍺探測器作為標(biāo)準(zhǔn)探測器,每一個(gè)單能的X射線源首先要經(jīng)過高純鍺探測器進(jìn)行測量,作為我們探測單元的參照標(biāo)準(zhǔn),從而對探測單元性能指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定.由于束流設(shè)備的局限性,能量測試范圍只能在30–150 keV,在此之間我們設(shè)置了相應(yīng)的測試能量點(diǎn):30 keV、40 keV、50 keV、60 keV、70 keV、80 keV、90 keV、105 keV、125 keV和150 keV共10個(gè)點(diǎn).由于雙晶調(diào)制的難度大,實(shí)際調(diào)制出來的能量與我們預(yù)先設(shè)置的點(diǎn)有些偏差,調(diào)制的能量在所設(shè)置的能量范圍內(nèi)不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果,因此按照雙晶實(shí)際調(diào)制出來的10個(gè)能量點(diǎn)30.6 keV、40.7 keV、50.9 keV、60.7 keV、68.1 keV、79.7 keV、93.1 keV、104.4 keV、125.5 keV、150.5 keV進(jìn)行試驗(yàn).

2.4 實(shí)驗(yàn)流程

試驗(yàn)開始:(1)X光機(jī)流量強(qiáng)度和穩(wěn)定性測試;(2)安裝HPGe和4個(gè)探測單元于試驗(yàn)平臺(tái)上;(3)按照預(yù)定的能量點(diǎn)調(diào)制單能X光;(4)用高純鍺探測器進(jìn)行單能X射線的能量和本底進(jìn)行測試;(5)探測單元逐個(gè)對單能X光的能量和本底進(jìn)行測試;(6)下一個(gè)能量點(diǎn)的單能X光調(diào)試,在所有試驗(yàn)需要的能點(diǎn)測試完成之前重復(fù)(3)–(6)的步驟;(7)實(shí)驗(yàn)結(jié)束,流程圖如圖5所示.

圖5 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.5 Flow charts of the test

2.5 能譜獲得方法

經(jīng)過雙晶調(diào)制出來的單能X射線束流是一個(gè)包含本底在內(nèi)的混合能譜(如圖6的綠色部分),為了得到實(shí)驗(yàn)想要的能譜,在混合譜采集完之后微調(diào)一個(gè)雙晶角度避開峰值,測得相應(yīng)的本底譜(圖6藍(lán)色部分),用混合譜減去本底譜的方式得到單能X射線能譜(圖6紅色部分).

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

3.1 束流穩(wěn)定性測試

由于標(biāo)定結(jié)果是由探測單元的測試結(jié)果與高純鍺探測器的測試結(jié)果相比對,HPGe和4個(gè)探頭不能同時(shí)進(jìn)行測量,只能依次進(jìn)行測試.這樣每個(gè)測試單元和HPGe有一定的時(shí)間差,為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性,束流就要有一定的穩(wěn)定性.因此只有在X光機(jī)的流量很穩(wěn)定的情況下,實(shí)驗(yàn)結(jié)果才有意義.在開始標(biāo)定試驗(yàn)之前,我們對調(diào)制好的X射線源進(jìn)行穩(wěn)定性測量,連續(xù)測量9個(gè)時(shí)間點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)測量100 s.測試結(jié)果如圖7所示.由下圖可以看出:雙晶X光機(jī)的流量穩(wěn)定性在±0.3%以內(nèi),可以滿足試驗(yàn)要求.

圖6 藍(lán)色為本底譜、綠色為混合譜、紅色為扣除本底后的單能譜.Fig.6 The blue is the background spectrum,the green is the mixed spectrum,and the red is monoenergetic sp ectrum.

圖7 束流穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig.7 Results of the beam stability test

3.2 探測效率標(biāo)定

探測效率是指在一定探測條件下測到的電離輻射粒子數(shù),與在同段時(shí)間內(nèi)由輻射源發(fā)射出的該種粒子總數(shù)的比值.探測效率有相對效率、絕對效率和實(shí)際效率之分.相對探測效率(又稱標(biāo)稱效率),按美國國家標(biāo)準(zhǔn)/電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(ANSI/IEEEStd.325-1996)定義為:將Co-60點(diǎn)源置于探測器端面正上方25 cm處,對1.33 MeV能量峰,半導(dǎo)體探測器與3′′×3′′NaI探測器計(jì)數(shù)率的比值.實(shí)際探測效率取決于能量譜、探測器的晶體及其尺寸、探測器的結(jié)構(gòu)和源的相對位置等因素.從X光機(jī)出來的單能光子的流量是未知的,只有通過標(biāo)定過的高純鍺探測器來測量,我們認(rèn)為高純鍺探測器測量的結(jié)果是束流的真實(shí)情況,單個(gè)探測單元的探測效率由探測單元測得的粒子數(shù)除以高純鍺探測器的粒子計(jì)數(shù)得到,因此本試驗(yàn)的探測效率是每個(gè)探測單元相對高純鍺的相對探測效率.雖然這是個(gè)相對結(jié)果,但誤差滿足我們的要求.

根據(jù)4個(gè)探測單元的單能能譜,并根據(jù)特征峰擬合得到標(biāo)準(zhǔn)偏差σ,選擇±3σ范圍內(nèi)的區(qū)域?yàn)閱文芊逵?jì)數(shù)區(qū)域,得到單能峰計(jì)數(shù),并將4個(gè)探測單元的不同能量下的單能峰計(jì)數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)探測器單能峰計(jì)數(shù)(高純鍺單能峰計(jì)數(shù))的比值作為相對效率參數(shù)進(jìn)行比較,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示(圖中Simu表示的是模擬結(jié)果).可以看到4個(gè)探測器的相對效率值的變化趨勢與理論計(jì)算結(jié)果基本一致(圖中紅色曲線),但4個(gè)探測器之間存在一定的差異性,這些差異性主要由溴化鑭晶體本身的差異性和晶體封裝工藝導(dǎo)致的差異性造成,探測單元的差異性詳見表2所示(Simu欄表示的是模擬結(jié)果),探測單元之間的相對差異性最大值為18.9%@79.7 keV,滿足指標(biāo)的要求.

表2 相對效率及差異性Table 2 Relative detection ef ficiency and d if ferences

3.3 能量線性標(biāo)定

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)置的10個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行能譜測量,通過數(shù)據(jù)處理,找出每個(gè)能譜峰位對應(yīng)的能道數(shù)值(能道數(shù)用ADC值表示),我們用ADC值與能量的線性關(guān)系來代表探測單元的能量線性.4個(gè)探測單元的ADC值與能量線性如圖9所示.線性擬合的結(jié)果見表3所示(表中,En代表能量,R-square表示擬合的優(yōu)度),每個(gè)探測單元的ADC與能量的線性度滿足指標(biāo)要求.

圖8 相對探測效率Fig.8 Relative detection ef ficiency

圖9 探測單元的能量相對ADC的線性關(guān)系Fig.9 Relation between the ADC and the detector unit energy

表3 線性擬合結(jié)果Table 3 Results of linear f itting

3.4 能量分辨率

探測單元在30 keV的能量分辨率以30 keV單能譜的半高寬與能譜峰值的比值來表示.4個(gè)探測單元在30.6 keV的能譜如圖10所示(圖例中前3項(xiàng)是實(shí)測曲線的參數(shù);后4項(xiàng)為模擬效果的參數(shù)),計(jì)算4個(gè)探測單元的能量分辨率@30.6 keV分別為18.34%、18.36%、20.89%、20.14%,滿足指標(biāo)優(yōu)于27%@30 keV的要求.

圖10 探測單元在30.6 keV的能譜Fig.10 Energy sp ectrum of detector units at 30.6 keV

4 總結(jié)

通過本次地面標(biāo)定試驗(yàn),驗(yàn)證了ASO-S衛(wèi)星HXI量能器探測單元的探測效率、能量線性、能量分辨率滿足項(xiàng)目指標(biāo)的需求,進(jìn)而驗(yàn)證了量能器單機(jī)設(shè)計(jì)方案的正確性,間接證明了量能器選用的國產(chǎn)溴化鑭晶體性能的優(yōu)異性,可以作為將來晶體選擇的參考,同時(shí)也驗(yàn)證了量能器的標(biāo)定方案可行,可以作為ASO-S衛(wèi)星正樣單機(jī)的標(biāo)定方案.