空間輻射粒子LET譜探測技術(shù)及設(shè)計(jì)分析

安 恒 文 軒 李得天 王 鹢 李存惠 楊生勝 秦曉剛王 俊 張晨光 曹 洲

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730000）

保障空間安全、空間信息獲取及態(tài)勢感知預(yù)警等需求都依賴于探測器對于空間環(huán)境信號、空間環(huán)境因素的準(zhǔn)確獲取能力?？臻g輻射場是一個(gè)復(fù)雜的混合粒子的輻射場［1］，主要包括空間的帶電粒子（銀河宇宙線（Galactic Cosmic Rays，GCR）、太陽宇宙線、太陽風(fēng)等離子體和磁層粒子等），空間X 射線、γ射線，空間中性粒子（主要指太陽中子、大氣中子），如圖1所示。

圖1 空間輻射環(huán)境Fig.1 Space radiation environment

空間中的粒子輻射損傷屬于綜合影響，可依據(jù)線性能量傳輸（Linear Energy Transfer，LET）譜區(qū)分出不同能量段的粒子對LET譜的貢獻(xiàn)；區(qū)分輻射帶粒子和磁層擾動(dòng)時(shí)粒子的貢獻(xiàn)；對LET譜積分可以得到入射粒子的總流量和總輻射劑量。利用這些信息可以深入研究單粒子翻轉(zhuǎn)事件機(jī)理；探索輻射環(huán)境與生物體基因組織學(xué)的關(guān)系；發(fā)現(xiàn)粒子輻射對人體器官的損傷機(jī)制等。因此空間粒子的LET 譜是研究空間物理現(xiàn)象，保障航天器和航天員安全，探索生物材料在空間中遺傳變異影響的重要依據(jù)。突發(fā)的大劑量事件（銀河宇宙射線中X射線、γ射線爆等）對太空艙及宇航員的損傷是無法預(yù)估的。針對于長時(shí)間的空間任務(wù)例如登月計(jì)劃及空間站建設(shè)運(yùn)行等，需要對空間輻射LET 譜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，得到吸收劑量和劑量當(dāng)量、有效品質(zhì)因子。在國際空間站任務(wù) ISS-12（2005～2006 年）、ISS-13（2006 年 3～9 月）等綜合使用了多種探測器，如：組織等效正比計(jì)數(shù)器（Tissue Equivalent Proportional Counter，TEPC）、硅實(shí)時(shí)輻射監(jiān)測儀（Real-time Radiation Monitoring Detector， RRMD）、熱釋光劑量計(jì)（Thermoluminescent Dosimeter，TLD）、CR-39 塑料核徑跡探測器（Plastic Nuclear Tracking Detector，PNTD）、光釋光劑量計(jì)（Optical Stimulated Luminescent Dosimeter，OSLD）等，對空間輻射的LET 譜進(jìn)行深入細(xì)致的研究。其中主動(dòng)式探測器TEPC 及RRMD 可實(shí)時(shí)監(jiān)測輻射場 LET 譜，在空間輻射測量領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

1 空間LET譜探測技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，對于空間LET 譜探測技術(shù)逐漸趨向于綜合化、智能化方向，研制的探測器出現(xiàn)了多粒子、復(fù)合化的發(fā)展趨勢。國外有多個(gè)衛(wèi)星均安裝了望遠(yuǎn)鏡式LET譜探測器，如 ：DOSTEL（DOSimetry TELscope）等。對于LET 譜測量方面，目前常用的測量方法有：生物等效比例計(jì)數(shù)器、固體核徑跡探測器、熱致發(fā)光探測器、基于徑跡蝕刻的LET 光譜計(jì)（Polyallyldiglycolcarbonate-Tracketch Detectror，PADC-TED）等。早期國外在粒子LET 譜探測載荷以TEPC 和RRMD 為主。美國為了能實(shí)時(shí)地測量LET 譜的分布，設(shè)計(jì)了兩種類型的實(shí)時(shí)輻射監(jiān)測探測 器（Real-time Radiation Monitoring Device，RRMD），可監(jiān)測到0.2～4 000 keV·μm?1的LET值，覆蓋了LET數(shù)值的大部分范圍，可以滿足空間輻射環(huán)境危害評估的需求。RRMD-I型監(jiān)測器搭載于STS-65 衛(wèi)星，成功測量出了5 keV·μm?1及其以上的LET譜分布。而RRMD-Ⅱ型監(jiān)測器也在1996 年的STS-79 衛(wèi)星中進(jìn)行了飛行測試試驗(yàn)，獲得了3.5 keV·μm?1及其以上的LET 譜分布。這兩次測試實(shí)驗(yàn)都成功觀測了高LET譜區(qū)域，但由于監(jiān)測器極限值的限制，沒能觀測到低LET 譜，尤其是3.5 keV·μm?1以下的LET 譜分布。為了能觀測到相關(guān)質(zhì)子起主要作用的低LET范圍的譜分布，設(shè)計(jì)了RRMD-Ⅲ監(jiān)測器，在STS-84 任務(wù)中搭載，在軌運(yùn)行223.1 h，探測了距地300～400 km 空間內(nèi)的空間環(huán)境。該探測器利用雙邊硅微條半導(dǎo)體探測器測量了動(dòng)態(tài)范圍在0.2～600 keV·μm?1的LET 值。又如CR-39 探測器在 ISS-Exception 2、STS-108、STS-112、ISS-7S、STS-114 和 STS-121 實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了搭載，并獲得了相應(yīng)的空間重離子LET 譜數(shù)據(jù)，RRMD-III［2］探測器如圖2所示。

如 NASA（National Aeronautics and Space Administration）在 LRO［3］（Lunar Reconnaissance Orbiter）軌 道 器上 搭載 的 CRaTER［4］（The Cosmic Ray Telescope for the Effects of Radiation）探測器用于探測太陽高能質(zhì)子和銀河宇宙射線在材料中的電離能損，其通過硅固態(tài)探測器和組織等效塑料相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)LET譜測量，探測器如圖3所示。

圖3 LRO飛行器及CRaTER探測器示意圖Fig.3 Schematic diagram of LRO aerocraft and CRaTER detector

其性能指標(biāo)如表1所示。

ESA（European Space Agency）借鑒了空 間CREDO（Cosmic Ray Environment Dosimetry）和SURF 探測的成功經(jīng)驗(yàn)開發(fā)了 MERLIN 探測器［5］（體積和功耗?。▓D4），MERLIN 是由英國QinetiQ公司研制，已經(jīng)成功搭載于Shuttle、Skynet、UoSAT、STRV、APEX、Concorde 衛(wèi)星。MERLIN 主要功能是：

1）電子和質(zhì)子能量和通量測量；

2）表面和深層介質(zhì)充電監(jiān)測；

3）重 離 子 LET 譜 測 量（16 通 道 、0.1～200 MeV·cm2·mg?1）；

4）總劑量測量（RadFETS，3 mm Al 和 6 mm Al屏蔽）。

其中質(zhì)子和重離子探測使用兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡（telescope），每個(gè)望遠(yuǎn)鏡包括兩個(gè)一致性半導(dǎo)體探測器，用來確定粒子到達(dá)的方向和通過探測器的路徑長度。在其中一個(gè)探測器中放大電荷沉積能量，分析脈沖高度，并給出LET 譜；另一個(gè)探測器監(jiān)測低閾值以上的記數(shù)。

Taylor 等［6］研制了微型輻射環(huán)境監(jiān)測儀（Micro Radiation Environment Monitor，MuREM），并 在TechDemoSat-1衛(wèi)星上進(jìn)行了搭載飛行，其基于PIN二極管的重離子通量和LET探測器，如圖5所示，面積為3 cm×3 cm、300 μm 厚的PIN 二極管的輸出信號經(jīng)CR-RC 脈沖成形、峰值保持，再經(jīng)ADC（Analog to Digital Converter）讀出電路得到粒子入射的信息。 其重離子LET 探測范圍是2～20 MeV·cm2·mg?1，計(jì)數(shù)率為 5 000 事件/秒；而質(zhì)子LET探測范圍是0.1～5 MeV·cm2·mg?1。

近年來，國外在粒子LET 譜探測載荷向更高（靈敏度）、更精（分辨率）、更強(qiáng)（多任務(wù)、多功能）、更準(zhǔn)（標(biāo)定能力）、更寬（觀測范圍/譜段）、更微小、更輕型、綜合化和智能化的方向發(fā)展。如：典型的粒子復(fù)合探測器是NASA研制的RAD［7］（Radiation Assessment Detector）探測器，是目前探測粒子種類最全的空間輻射探測器，在2011 年11 月26 日發(fā)射的火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)飛船MSL（Mars Scientific Lab）上搭載，如圖6所示，主要用于探測空間輻射粒子環(huán)境（包括電子、質(zhì)子、中子、γ等）。其能量探測范圍為：電子0.15～15 MeV，質(zhì)子與α 粒子4.3～100 MeV·n?1，重離子（High Z particles，HZP）5～270 MeV·n?1，中子2～100 MeV，X/γ<1.5 MeV。

表1 CRaTER探測器性能指標(biāo)Table 1 Performance index for CRaTER detector

圖4 MERLIN監(jiān)測器內(nèi)部組件分布及功能Fig.4 Distribution and function of internal component of MERLIN detector

圖5 MuREM探測器Fig.5 MuREM detector

圖6中的RAD探測器A、B、C是三片Si半導(dǎo)體，D 是 CsI 閃爍晶體，半導(dǎo)體A、B、C 能夠給出帶電粒子的電荷數(shù)，ABC三片半導(dǎo)體可以組成低能質(zhì)子和重離子的測量的ΔE-E望遠(yuǎn)鏡，它們與D組合又能夠組成高能質(zhì)子和重離子的測量的ΔE-E望遠(yuǎn)鏡。C和D可以組成電子能量測量的探測器。D探測器及CsI閃爍晶體同時(shí)能夠測量γ射線的能量。E是塑料閃爍體，通過中子與氫原子核的碰撞反應(yīng)測量中子能量和通量。F 是反符合閃爍體，用于帶電粒子、γ和中子測量中的非真事件。

NASA 格林研究中心（Glenn）正在開展全向空間輻射探測系統(tǒng)，將各類探測器集成在更加緊湊的球形結(jié)構(gòu)中［8］，如圖7 所示。開發(fā)出壽命、功耗和信噪比大幅改進(jìn)的固體探測器，擴(kuò)大了探測器的能量范圍和靈敏度，并且降低了體積和重量，且能夠在球形各面監(jiān)測全向4π空間高能粒子。

圖6 RAD探測器結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Diagram of RAD detector structure

該系統(tǒng)由LET 探測器堆疊，并且與反符合探測器一起將切倫科夫探測器包圍在球形中央，如圖8所示。

通過采用寬帶隙半導(dǎo)體探測器等技術(shù)，經(jīng)過優(yōu)化的球形全向空間輻射探測器有望達(dá)到表2所示的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

歐洲發(fā)展的 SREM（Standard Radiation Environment Monitor）的 新 一 代 NGRM（New Generation Radiation Monitor）探測器［9］，由質(zhì)子、重 離子探測單元和電子探測單元組成，如圖9所示。

圖7 球形空間輻射探測器設(shè)計(jì)概念示意圖Fig.7 Diagram of spherical space radiation detector

圖8 球形空間輻射探測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of internal structure of spherical space radiation detector

表2 球形空間輻射探測器技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical index of spherical space radiation detector

圖9 NGRM探測器外觀圖Fig.9 Outside view of NGRM detector

NGRM 探測器的質(zhì)子和重離子探測單元HEP（High Energetic Particles）由7片300 μm的Si二極管組成，中間夾有不同厚度的Al或Ta降能片，如圖10所示。7片Si半導(dǎo)體和Ta降能片組合能夠探測的質(zhì)子能量范圍為6～200 MeV，電子探測單元ED 由16個(gè)0.5 mm厚的環(huán)形硅探測器組成，電子測量能夠覆蓋的能量范圍為0.1～7 MeV。

國內(nèi)早期主要采用固體核徑跡探測器（Solid Semiconductor Nuclear Tracking Detector，SSNTD）的方法測量LET 譜。1996 年發(fā)射升空的科學(xué)探測和技術(shù)實(shí)驗(yàn)返回式衛(wèi)星搭載固體核徑跡探測器CR-39探測器測量重離子的LET分布。神舟系列3號、4號、5號飛船中也搭載固體核徑跡探測器，成功測量出艙內(nèi)的LET譜分布。

近年來，我國也研制了基于半導(dǎo)體的探測器，開始在低軌和中軌道衛(wèi)星上布局LET譜探測器，用于空間重離子的LET譜測量。但由于體積大、功耗高的劣勢，限制了其在未來微納衛(wèi)星等平臺的進(jìn)一步應(yīng)用。另外，也研制了一些基于納米材料如金剛石、石墨烯等小型探測器，但都處于地面原理驗(yàn)證階段，還未實(shí)現(xiàn)在軌飛行應(yīng)用。

圖10 NGRM質(zhì)子、重離子探測單元HEP(a)和電子探測單元ED（b）Fig.10 Proton,heavy ion detection unit HEP(a)and electronic detection unit ED(b)of NGRM detector

通過對比分析國外研究現(xiàn)狀可以看出，空間輻射粒子LET譜探測技術(shù)呈現(xiàn)出如下趨勢：

1）探測器呈現(xiàn)復(fù)合化、智能化，一個(gè)探測器集成了多種傳感器，可實(shí)現(xiàn)多種粒子及LET 的綜合探測；

2）探測精度越來越高，粒子能量范圍越來越寬，位置分辨能力越來越強(qiáng)；

3）探測器體積更小、功耗更低，逐步發(fā)展為微型化的微納載荷。

2 基于硅半導(dǎo)體望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的LET譜探測器分析與設(shè)計(jì)

2.1 探測原理

當(dāng)帶電粒子入射Si 半導(dǎo)體材料后，單位路徑長度（Δx）上沉積的平均能量（ΔE）即為LET，也就是ΔE/Δx，原理示意如圖11所示。

式中：ΔE為入射離子在探測器中的沉積能量，MeV；Δx為粒子在探測中通過的路程，μm；ρ為硅材料的密度，g·cm?3。

將式（1）進(jìn)行單位統(tǒng)一換算，得到LET 計(jì)算式為：

此時(shí)，LET譜的單位為MeV·cm2·mg?1。

圖11 LET譜探測原理示意圖Fig.11 Principle of LET spectrum detection

2.2 探測器分析與設(shè)計(jì)

2.2.1 基于半導(dǎo)體探測器設(shè)計(jì)與仿真分析

設(shè)計(jì)的望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)探測器采用硅微條半導(dǎo)體探測器來表征帶電粒子穿過探測器時(shí)的能量損失率。因空間輻射粒子 LET 譜在 0.01～100 MeV·cm2·mg?1范圍內(nèi)變化，因此在設(shè)計(jì)探測器時(shí)以此作為探測器設(shè)計(jì)的依據(jù)。質(zhì)子在硅中的射程和LET 值（MeV·cm2·mg?1）如圖12所示。

圖12 質(zhì)子入射硅的射程及LET值Fig.12 Range and LET value of protons incident into silicon

在10 keV～5 GeV能量范圍內(nèi)，質(zhì)子在硅中的最小 LET 值 約 為 0.001 67 MeV·cm2·mg?1，在 大 于5 GeV 時(shí) ，由于 LET 的相對論上升 ，LET 升高。若100 MeV 質(zhì)子來說，LET 約為 0.006 MeV·cm2·mg?1；500 MeV 質(zhì)子來說，LET 約為 0.002 MeV·cm2·mg?1，1 GeV質(zhì)子來說，LET約為0.001 7 MeV·cm2·mg?1。

宇宙空間重離子主要為質(zhì)子到鐵離子，原子序數(shù)大于鐵的離子通量可忽略。Fe 離子在硅中的射程和LET值（MeV·cm2·mg?1）如圖13所示。

圖13 Fe離子入射硅的射程和LET值Fig.13 Range and LET value of Fe incident into silicon

在10 MeV～5 GeV 能量范圍內(nèi)，F(xiàn)e 離子在硅中的最大 LET 值約為 29.3 MeV·cm2·mg?1。700 MeV Fe離子在Si中LET如圖14所示。

指標(biāo)要求上限為100 MeV·cm2·mg?1，考慮到加速器實(shí)現(xiàn)條件，可選用238U 離子進(jìn)行標(biāo)定。1 GeV238U離子在硅中的LET如圖15所示。

考慮到探頭前端需Al 膜屏蔽空間紫外等其他射線，1 GeV238U離子在10 μm Al膜和50 μm硅中的LET譜如圖16所示。

圖14 700 MeV Fe離子在Si中LETFig.14 LET of 700 MeV Fe ion incident into Si

因此，探頭用于測量 100 MeV·cm2·mg?1的硅探測器厚度不應(yīng)大于20 μm。

圖15 1 GeV 238U在Si中LETFig.15 LET spectrum of 1 GeV 238U ion incident into Si

圖16 1 GeV 238U離子在10 μm Al膜和50 μm Si中的LET譜Fig.16 LET spectrum of 1 GeV 238U ion incident into 10 μm Al film and 50 μm Si

為了擴(kuò)大探測粒子能量的動(dòng)態(tài)范圍，采用ΔE1+ΔE2+ΔE3+E的多疊層望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的探測器結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)如圖17所示。

經(jīng)理論計(jì)算，D1 硅探測器厚度應(yīng)為20 μm，D2為 150 μm 厚度硅探測器，D3、D4 探測器為 1 mm 厚度硅探測器。但考慮到半導(dǎo)體探測器的實(shí)際工藝，D1 探測器的厚度選擇150 μm，其余探測器D2、D3、D4仍然按照理論設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由此，探測器的厚度設(shè)計(jì)依次為D1、D2 是150 μm，D3、D4 的厚度為1 mm，所有探測器靈敏面積均為3.2 cm×3.2 cm，選用硅微條探測器，可以實(shí)現(xiàn)0.5 mm位置分辨，同時(shí)可對入射重離子進(jìn)行徑跡重建，給出離子入射方位，可以修正離子入射角度對LET值測量的影響。

圖17 LET譜探頭Fig.17 The probe of LET spectrum

D1、D2 探測器主要探測高LET值，采用低增益信號處理；D3、D4 探測器主要測量低LET 值，采用高增益信號處理。D2、D3、D4探測器同時(shí)輸出觸發(fā)信號。

2.2.2 電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的探測器電子學(xué)系統(tǒng)主要包括望遠(yuǎn)鏡探測單元和電子學(xué)單元，如圖18 所示，其中望遠(yuǎn)鏡探測單元主要包括硅半導(dǎo)體探測器和前置放大器，電子學(xué)單元主要包括脈沖成形、峰值保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analogy to Digital Converter，ADC）、FPGA（Field Programmable Gate Array）、數(shù)據(jù)通信、供電模塊等。其中，望遠(yuǎn)鏡探測單元還為每個(gè)探測器提供偏置電壓。電子學(xué)單元的模擬電子學(xué)模塊為探測器的輸出脈沖信號進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換，而數(shù)字電子學(xué)模塊用于辨識有效信號，離散化脈沖高度值，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信等操作。

圖18 電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.18 Block diagram electronic systems design

FPGA 將ADC 中的數(shù)值進(jìn)行分類存儲(chǔ)，同時(shí)存儲(chǔ)的還有信號的時(shí)間信息。外部數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)通過通訊接口定時(shí)訪問和轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)，并對內(nèi)部存儲(chǔ)器清零。

3 結(jié)語

通過分析總結(jié)國內(nèi)外針對空間輻射粒子LET譜的探測技術(shù)及發(fā)展趨勢，針對實(shí)現(xiàn)LET譜在0.01～100 MeV·cm2·mg?1范圍內(nèi)的準(zhǔn)確探測，利用分析數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了基于硅微條半導(dǎo)體多層疊合的望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)探測器。設(shè)計(jì)的探測器能夠用于空間站及深空探測任務(wù)的空間輻射粒子LET譜探測，能為航天器的在軌安全預(yù)警和故障處理提供參考數(shù)據(jù)。