深空探測用塑料閃爍體陣列式繆子探測器電子學采集系統(tǒng)設計

竇文強，韓 然，劉 濱，李志偉，程雅蘋，冒 鑫，李景太，劉振宇

（1. 華北電力大學 核科學與工程學院，北京 102206； 2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

獲取地外星體淺表和內(nèi)部的結構、物質(zhì)成分及其物理性質(zhì)是深空探測的重要目標之一。例如，2018 年5 月5 日發(fā)射升空的“洞察號”（InSight）火星探測器的主要任務是進行基于地震調(diào)查、大地測量與熱傳導的火星內(nèi)部結構和物理性質(zhì)探測。宇宙線繆子成像技術作為一種對物質(zhì)密度敏感的被動源探測技術，有望成為火星和小行星淺表和內(nèi)部物質(zhì)結構成分研究的新興探測手段。

自1970 年起，宇宙線繆子成像方法就被提出并用于測量地下隧道上覆蓋的巖層厚度和對金字塔內(nèi)部構造進行輻射成像研究。2017 年，Morishima 等利用繆子成像方法對埃及胡夫金字塔內(nèi)部結構進行成像探測，發(fā)現(xiàn)了在墓室上方存在未知暗室的證據(jù)。近年來，宇宙線繆子成像技術開始用于火山巖漿通道、隧道、礦體等小尺度精細密度結構的探測和成像，實現(xiàn)了火山錐內(nèi)部密度結構的成像以及火山巖漿運移和活動斷層的動態(tài)監(jiān)測，顯示出該項技術高分辨率、高精度及無須原位測量的優(yōu)勢，為地球淺層密度結構探測提供了一種極具效能的新方法。

繆子成像方法應用于太陽系內(nèi)地外星體淺表和內(nèi)部結構及其物理性質(zhì)研究，在國際上仍然處于概念階段。例如，Kedar 等提出一種緊湊型的繆子望遠鏡對火星進行成像，他們估計火星表面大氣的繆子通量大于地球海平面的繆子通量，可為火星表面地質(zhì)結構的繆子成像提供足夠的繆子強度；但是火星大氣比較稀薄，因此也會有原初宇宙線和其他次級粒子帶來的較強本底信號。另外，在進行小行星內(nèi)部結構探測時，須將未經(jīng)過小行星、從反方向而來的繆子信號予以篩除，才能保證探測的精準度。隨著探測技術的進步和對繆子散射及強度衰減規(guī)律的深入理解，利用繆子成像方法進行空間探測將逐漸可行。

常見的繆子探測器有氣體探測器、核乳膠探測器和閃爍體探測器。氣體探測器的氣體系統(tǒng)相對復雜，很難在變化的溫度和氣壓環(huán)境下保持探測器性能的長期穩(wěn)定；核乳膠探測器的成像系統(tǒng)是非實時的，只能在一段時間內(nèi)對入射繆子的累積進行測量，且核乳膠屬于消耗品要不斷更換，不適應長時間測量。相對于以上2 種繆子探測器，塑料閃爍體探測器性能穩(wěn)定，結構設計靈活，信號讀出迅速，在繆子探測以及深空探測領域具有天然的優(yōu)勢。

本研究團隊前期的繆子探測器研制以及繆子成像初步實踐應用工作表明，繆子成像不僅可以實現(xiàn)地球上火山、隧道等多類型物體的高分辨探測和成像，還有望與其他已有方法聯(lián)合應用到火星、小行星及彗星等的內(nèi)部結構和物質(zhì)成分探測領域，成為極具潛力的空間探測新技術。

本文基于閃爍耦合硅光電倍增管（SiPM）探測技術，設計一套可應用于不同環(huán)境的繆子成像探測器原型。對其前端讀出電子學系統(tǒng)（FEE）及后端多通道FPGA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行設計；并搭建探測器測試平臺，對探測器采集數(shù)據(jù)進行分析，驗證探測器電子學采集系統(tǒng)設計的合理性。

1 探測器系統(tǒng)設計

1.1 探測器陣列結構

繆子探測器是用來探測繆子事件以及繆子能量、運動方向的儀器。本文利用塑料閃爍體和SiPM設計適用于繆子成像的繆子探測器，其工作原理是：當宇宙線繆子穿透閃爍體時，閃爍體受激發(fā)出熒光；光信號經(jīng)過直射和反射到達閃爍體兩端的SiPM，由SiPM 轉(zhuǎn)化為電信號輸出。本設計中，SiPM選用的是愛爾蘭SensL 公司的MICOROFC-30035-SMT 系列的一款3×3 mm SiPM；塑料閃爍體選用的是北京昊唐興核技術有限公司生產(chǎn)的有機閃爍體。塑料閃爍體探測器陣列由兩層塑料閃爍體陣列板（PAB）構成，也可根據(jù)需求將PAB 的層數(shù)外擴；每層PAB 由上下兩層正交的閃爍體構成，每層由10 組閃爍體（每5 根塑料閃爍體為1 組）組成；每組閃爍體的兩端都配置SiPM 信號讀出板，讀出板與閃爍體通過光學膠耦合。塑料閃爍體尺寸為100 cm×2 cm×1 cm，外貼0.02 mm 厚反光鋁箔。每層PAB 有獨立的數(shù)據(jù)讀出系統(tǒng)，一層PAB 共計(10×5×2)×2=200 路模擬信號輸出，信號輸出通道分布于探測器的四周，故PAB 板4 個側面的信號輸出通道數(shù)相同。為實現(xiàn)信號傳輸?shù)囊恢滦?，設計時采用對稱讀出方式，即將8 塊相同的FEE 板（FEE1～FEE8）兩兩一組分別置于PAB 板的4 個側面，每塊FEE 板含25 路探測器信號接口?？紤]到塑料閃爍體的光衰減，采用雙端做“或”的方式讀出，可以彌補閃爍體在探測效率上的不足。圖1 為塑料閃爍體探測器陣列結構示意。

圖1 塑料閃爍體探測器陣列結構示意Fig. 1 Structure of the plastic scintillator detector array

1.2 前端讀出電子學系統(tǒng)

如圖2(a)所示，由SiPM 底板1 引腳輸出的信號是電流信號，通過電阻R3 接地，可將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號；電壓信號經(jīng)過同相放大器放大，放大器的帶寬為350 MHz、壓擺率為425 V/μs，可以保證SiPM 的輸出信號不失真。如圖2(b)所示，將放大器的輸出信號作為閾值甄別器的輸入信號；閾值甄別器的比較電壓為30 mV，大于30 mV 的信號經(jīng)閾值甄別器輸出為3.3 V 的電平信號；不同幅值的信號經(jīng)過閾值甄別器所形成的電平信號寬度不同，輸入信號幅值越大，電平信號的寬度越寬。

圖2 探測器前端讀出電路Fig. 2 Circuit of the detector’s FEE

放大電路為典型的同相比例放大，放大倍數(shù)由R2 和R1 的阻值比決定，C1 為隔直電容，將信號中的直流成分隔離出去。圖3(a)為SiPM 產(chǎn)生的信號經(jīng)由放大器輸出的信號，信號周期約為200 ns，上升沿約為30 ns，基線噪聲約為10 mV。圖3(b)為甄別器輸出的3.3 V 的TTL 電平信號。

圖3 探測器前端讀出電路輸出信號波形Fig. 3 Output signal waveform from the detector’s FEE

如圖4 所示，宇宙線繆子探測信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)化以及放大、甄別后，由模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量傳遞給FPGA；FPGA 將得到的通道信息經(jīng)過采集、處理、篩選、打包后，通過網(wǎng)口傳遞給上位機。其中，溫度補償電壓供電模塊將當前環(huán)境溫度傳遞給FPGA，F(xiàn)PGA 再將對應的補償電壓值傳遞給溫度補償電壓供電模塊，以實現(xiàn)SiPM 偏壓隨環(huán)境溫度變化的自動調(diào)節(jié)。

圖4 探測器前端讀出電子學控制邏輯系統(tǒng)Fig. 4 Control logic system of the detector’s FEE

1.3 后端多通道FPGA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

如圖5 所示，F(xiàn)PGA 通過“推火車”的方式實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的緩存：在100 MHz 時鐘周期的上升沿采集200 路信號通道的數(shù)據(jù)，在下一個時鐘周期上升沿來臨的時刻，將前一個時鐘周期的數(shù)據(jù)向左移動200 bit，將下一時鐘周期的數(shù)據(jù)放在前200 bit 上。本文將探測器陣列的上層閃爍體條定義為X 層，下層閃爍條定義為Y 層，每層閃爍體有100 路輸出。探測器不同通道的信息儲存在200 bit 不同的位上，X 層信號輸出在寄存器上對應前100 bit，Y 層信號輸出對應后100 bit，通過設置FPGA 中該寄存器的長度，就可以對個周期的數(shù)據(jù)進行存儲。將這種存儲方式應用于閃爍體陣列式繆子探測器的優(yōu)點有二：其一，可以對繆子信號進行邏輯上的符合篩選。SiPM 信號有很大的暗噪聲，因此僅一層閃爍體有信號不足以判斷其為繆子信號，需要通過雙層篩選，僅當X 層與Y 層閃爍體同時有信號時，F(xiàn)PGA 才判定其為繆子信號并輸出。其二，可以定義每組信號的采集周期?？娮訐糁刑綔y器不同位置傳遞到FPGA 會有不同的延遲，即不同通道的信號延遲不同，因此對于在100 MHz 時鐘周期下、每10 ns對200 路信號通道進行1 次采集，則同一個信號可能沒有在一個時鐘周期采集到；通過定義寄存器的長度即可改變FPGA 的采樣周期，考慮到信號的延遲，本次探測器的采樣周期設計為100 ns（1 mm每分鐘采集10 000 次）；在FPGA 中定義一個10×200 bit的寄存器，可以將采集到的10 個時鐘周期的數(shù)據(jù)相同位邏輯取“或”，得到一個200 bit的數(shù)據(jù)。該寄存器是一維數(shù)組，相對于多維數(shù)組儲存，這種儲存方式不會出現(xiàn)儲存混亂的狀況，可通過定義寄存器的長度來控制時鐘窗口的長度，通過對數(shù)組不同位的操作來實現(xiàn)不同通道的邏輯運算。

圖5 FPGA 數(shù)據(jù)緩存時序圖Fig. 5 Timing diagram of FPGA data cache

2 探測器性能測試

2.1 計數(shù)率隨偏電壓變化

SiPM 由多個帶有猝滅電阻的單光子雪崩二極管（SPAD）并聯(lián)組成，設計在Geiger 模式下運行；在該模式下，陰極必須相對于陽極在擊穿電壓之上達到正偏置。SiPM 的擊穿電壓是SPAD 在Geiger模式工作時的最小反向偏置電壓；SiPM 的偏電壓包括擊穿電壓和過電壓兩部分，整體通常比擊穿電壓高出10%～25%。為了得到SiPM 的最佳工作電壓，在實驗室條件下，令探測器在不同偏電壓下對天然繆子進行采集，得到如圖6 所示的探測器計數(shù)率隨偏電壓變化的關系。由圖可以看出，探測器計數(shù)率隨著偏電壓的升高而增大，但變化逐漸趨于平緩。

圖6 探測器計數(shù)率隨偏電壓的變化Fig. 6 Variations of detector counting rate with bias voltage

2.2 相對標準偏差隨偏電壓變化

探測器的計數(shù)率是衡量探測器探測效率的指標，而均勻性是衡量探測器探測性能的重要指標。均勻性通過相對標準偏差（RSD）來體現(xiàn)，以X 層板為例，其相對標準偏差為

上述實驗均是在室溫（25 ℃）下進行的，根據(jù)探測器計數(shù)率和相對標準偏差隨偏電壓的變化可知，在室溫條件下，SiPM 偏電壓為28 V 時，探測器的探測效率和性能指標均良好，因此可認為SiPM 在室溫下的最佳工作電壓為28 V。

圖7 相對標準偏差隨偏電壓的變化Fig. 7 Variations of relative standard deviation with bias voltage

2.3 繆子徑跡數(shù)隨天頂角變化

通過以上實驗確定探測器的最佳工作電壓后，在實驗室搭建含兩層塑料閃爍體陣列板的繆子探測器，如圖8 所示，探測器水平放置，兩層陣列板的間隔為80 cm，陣列板的外形尺寸為100 cm×100 cm。

圖8 兩層塑料閃爍體陣列板繆子探測器Fig. 8 Muon detector with two layers of PAB

圖9 海平面繆子通量隨角度的變化Fig. 9 Variations of muons’ flux at sea level with angle

圖10 繆子徑跡數(shù)隨角度的分布Fig. 10 Angle distributions of cosmic-ray muons’ track number

3 結束語

本文介紹了可應用于深空探測的塑料閃爍體陣列式繆子探測器的電子學采集系統(tǒng)設計，包括閃爍體探測器陣列、前端讀出電子學系統(tǒng)和后端多通道FPGA 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計；搭建實驗測試系統(tǒng)，對200 路塑料閃爍體陣列探測器的計數(shù)率和均勻性進行測試，得出探測器在室溫條件下的最佳工作電壓為28 V；最后利用該探測器采集系統(tǒng)在地面對天然繆子進行采集，得到的繆子數(shù)據(jù)符合理論預期，驗證了探測器設計的正確、可行。同時，本次探測器設計具有很好的兼容性，可兼容小型可拼接塑料閃爍體探測器，相關工作為將來將繆子成像技術應用到深空探測領域提供了技術儲備。

近些年來，世界各研究機構先后開展了繆子成像技術研究，研制完成不同類型的實驗原型，并嘗試應用于火山、隧道、高爐、大型建筑物及核反應堆檢測等任務中。塑料閃爍體探測器具備穩(wěn)定性強，幾乎不受溫度、輻射等外部條件的影響，結構設計靈活等特點，可以應對各種復雜的探測環(huán)境，從商業(yè)化和工業(yè)使用的角度來看，具有很大市場潛力。