TEROS：雷暴高能輻射觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張雄， 鄭毅， 曹保鋒， 張爽， 李鵬， 李小強(qiáng)

國(guó)民核生化災(zāi)害防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102205

0 引言

雷暴高能輻射(Thunderstorm Energetic Radiations，TERs)是指源自雷暴，能量可達(dá)數(shù)十MeV的X/γ射線(由于歷史原因，在TERs研究領(lǐng)域，一般將1 MeV以下的光子稱(chēng)為X射線，把1 MeV以上的光子稱(chēng)為γ射線)，因與閃電始發(fā)過(guò)程的潛在聯(lián)系而日益受到關(guān)注(Dwyer and Uman, 2014)，是近年來(lái)興起的前沿交叉領(lǐng)域——高能大氣物理(High Energy Atmospheric Physics，HEAP)(Dwyer et al., 2012a)的主要研究對(duì)象.TERs的持續(xù)時(shí)間跨度很大，包括長(zhǎng)達(dá)數(shù)十分鐘的γ射線輝光(Wada et al., 2019a)，也稱(chēng)為雷暴地面增強(qiáng)(Thunderstorm Ground Enhancements，TGEs)(Chilingarian et al., 2018)；亞毫秒尺度的地球γ射線閃(Terrestrial Gamma-ray Flashes，TGFs)(Marisaldi et al., 2013；陸高鵬等，2020；郄秀書(shū)和王俊芳，2010)；以及由多個(gè)微秒量級(jí)爆發(fā)組成的X射線暴(Dwyer et al., 2003).雖然相對(duì)論逃逸電子雪崩(Relativistic Runaway Electron Avalanche，RREA)(Gurevich et al., 1992)已被普遍接受是產(chǎn)生TERs的基本物理過(guò)程，但目前還不清楚各類(lèi)TERs具體的產(chǎn)生機(jī)制以及相互之間的聯(lián)系和區(qū)別，也不清楚TERs在雷暴或閃電發(fā)展中是否發(fā)揮了作用.其中的一個(gè)重要制約因素是TERs觀測(cè)事例少，輻射特性還不明確.

由于TERs發(fā)生的不確定性和空氣對(duì)光子強(qiáng)烈的吸收衰減，早期的TERs事例大多來(lái)自于觀測(cè)高能γ射線的大科學(xué)裝置.如CGRO/BATSE(Fishman et al., 1994)、RHESSI(Smith et al., 2005, 2020)、AGILE(Lindanger et al., 2020；Tavani et al., 2011)、Fermi(Roberts et al., 2018)等具有較大觀測(cè)視角的天基平臺(tái)，報(bào)道了絕大部分的高瞬時(shí)強(qiáng)度TGFs；而天山宇宙線觀測(cè)站(Gurevich et al., 2018)、羊八井宇宙線觀測(cè)站(Tsuchiya et al., 2012)、ASEC(Chilingarian et al., 2019)、HAWC(Bowers et al., 2019)等具有較大探測(cè)面積的高海拔地基平臺(tái)，則報(bào)道了大量的低強(qiáng)度γ射線輝光.國(guó)內(nèi)的GRID(Wen et al., 2019)、Insigt-HXMT(Xiao et al., 2020)、GECAM(Zhang et al., 2019)以及LHAASO(Jia et al., 2022)等也將TERs觀測(cè)納入科學(xué)任務(wù).但由于核心科學(xué)目標(biāo)的不同，上述裝置在探測(cè)能力、觸發(fā)機(jī)制、數(shù)據(jù)采集模式等方面的設(shè)計(jì)上與TERs觀測(cè)需求并不完全一致，且無(wú)法對(duì)雷暴/閃電多發(fā)地區(qū)進(jìn)行針對(duì)性觀測(cè).

2018年，首個(gè)TGFs多波段同步觀測(cè)天基載荷ASIM(Neubert et al., 2019)成功發(fā)射，憑借其時(shí)間分辨快、探測(cè)面積大的優(yōu)勢(shì)發(fā)現(xiàn)了TGFs在時(shí)間分布上的亞結(jié)構(gòu)，并將測(cè)量到的TGFs平均持續(xù)時(shí)間縮短到50 μs以?xún)?nèi)(?stgaard et al., 2019)，證實(shí)了TGFs產(chǎn)生于先導(dǎo)發(fā)展階段(Neubert et al., 2020)，開(kāi)啟了TGFs觀測(cè)的新紀(jì)元.其他在軌(法國(guó)的TARANIS(Sarria et al., 2017)于2020年11月17日發(fā)射失敗)或規(guī)劃的專(zhuān)用衛(wèi)星/載荷還包括Vernov/RELEC(Panasyuk et al., 2016)、Lomonosov(Svertilov et al., 2018)、RAAD(Roberts et al., 2019)等單星項(xiàng)目，以及TYRAD(Fogle and Wersinger, 2017)、CAMELOT(Werner et al., 2018)、Universat-SOCRAT(Panasyuk et al., 2019)等多星組網(wǎng)項(xiàng)目.但天基觀測(cè)距離遠(yuǎn)，捕捉到的事例偏向于強(qiáng)爆發(fā)事件，源區(qū)光子經(jīng)長(zhǎng)距離輸運(yùn)后發(fā)生時(shí)間色散，能譜成分也發(fā)生較大變化，特別是低能部分無(wú)法到達(dá)觀測(cè)軌道，難以準(zhǔn)確反演源區(qū)輻射特性(Lindanger et al., 2021).空基觀測(cè)距離輻射源區(qū)近，能夠捕獲低強(qiáng)度TERs，但易受天氣影響，觀測(cè)難度大.目前僅有ADELE觀測(cè)到1次TGF(Smith et al., 2011)和1次與TGF有關(guān)的反向光子束(Bowers et al., 2018)，ILDAS(Kochkin et al., 2015)和ALOFT(Kochkin et al., 2021)報(bào)道了少量的γ射線輝光，其余則未見(jiàn)有正式報(bào)道的觀測(cè)結(jié)果(Bagheri, 2019；Helmerich et al., 2019；Ringuette, 2014).

相較空天基觀測(cè)，針對(duì)雷暴/閃電多發(fā)地區(qū)特別是人工觸發(fā)閃電的地基觀測(cè)具有部署維護(hù)方便、成本低廉的優(yōu)勢(shì)，且距離源區(qū)近、閃電發(fā)生頻率相對(duì)較高，能夠兼顧不同類(lèi)別TERs事件，并可同步開(kāi)展精細(xì)的雷暴/閃電多物理效應(yīng)綜合觀測(cè)(Hettiarachchi et al., 2018；Saba et al., 2019；Tran et al., 2019；Urbani et al., 2021)，是TERs觀測(cè)的重要途徑.如依托美國(guó)ICLRT建設(shè)的探測(cè)陣列TERA(Hare et al., 2016；Saleh et al., 2009)先后報(bào)道了首個(gè)與人工觸發(fā)閃電有關(guān)的X射線暴(Dwyer et al., 2003)和TGF(Dwyer et al., 2004a)，以及首個(gè)與自然地閃有關(guān)的TGF(Dwyer et al., 2012b).TERA以NaI(Tl)閃爍體為核心探測(cè)器，其主要特點(diǎn)是連續(xù)采集探測(cè)器輸出信號(hào)，這對(duì)于短時(shí)高強(qiáng)度事件信息的解析十分重要.但TERA采用模擬信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，容易受環(huán)境影響，擴(kuò)展性相對(duì)較差，且不具備γ射線輝光觀測(cè)能力.而面向日本冬季雷暴應(yīng)用的GROWTH(Wada et al., 2019b)/Thundercloud Project(Hisadomi et al., 2021；Yuasa et al., 2020)則直接采集脈沖幅度和時(shí)間信息，結(jié)合模塊化探測(cè)單元的廣泛部署，有效實(shí)現(xiàn)了弱TERs的檢出，但其無(wú)法給出連續(xù)時(shí)域波形，且使用的BGO探測(cè)器能量分辨較差.采用類(lèi)似設(shè)計(jì)的還有GODOT(Bowers et al., 2017)和TETRA(Ringuette et al., 2013)/TETRA-II(Pleshinger et al., 2019).

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)TERs的研究較少且主要集中在相關(guān)閃電數(shù)據(jù)分析(Lu et al., 2019；Zhang et al., 2020, 2021)，尤其缺乏專(zhuān)門(mén)的輻射探測(cè)手段.自2016年以來(lái)，國(guó)民核生化災(zāi)害防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室持續(xù)開(kāi)展TERs地面觀測(cè)(Li et al., 2017)，利用單個(gè)閃爍體探測(cè)器成功捕獲到人工觸發(fā)閃電高能輻射(李小強(qiáng)等，2019)和自然閃電高能輻射(李小強(qiáng)等，2018a)，但其測(cè)量能量上限較低，且缺少準(zhǔn)確的時(shí)間信息，無(wú)法與其他閃電觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)比對(duì).本文在前期原理裝置(李小強(qiáng)等，2018b)基礎(chǔ)上，綜合考慮觀測(cè)的可行性、事件的檢出率以及經(jīng)濟(jì)成本，瞄準(zhǔn)人工觸發(fā)閃電試驗(yàn)環(huán)境，以X射線暴和TGFs等短爆發(fā)事件為主要觀測(cè)對(duì)象，兼顧γ射線輝光觀測(cè)，設(shè)計(jì)了一套基于雙通道閃爍體探測(cè)器的寬量程、分布式雷暴高能輻射觀測(cè)系統(tǒng)(Thunderstorm Energetic Radiation Observation System，TEROS)，利用NaI(Tl)探測(cè)器建立了國(guó)內(nèi)首個(gè)分布式觀測(cè)系統(tǒng)，成功應(yīng)用于2021年夏季人工引雷試驗(yàn)，證明了TEROS具有良好的TERs觀測(cè)能力，可為T(mén)ERs研究提供科學(xué)數(shù)據(jù)資料.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

TEROS的核心科學(xué)目標(biāo)是捕獲TERs，并給出X/γ射線的強(qiáng)度、能譜、時(shí)間譜以及事件發(fā)生的準(zhǔn)確時(shí)刻，其本質(zhì)上是一個(gè)輻射探測(cè)系統(tǒng).綜合考慮能量/時(shí)間分辨能力和有效探測(cè)面積，輻射探測(cè)器采用閃爍體耦合光電倍增管(Photo Multiplier Tube，PMT).為約束TERs的空間分布特性并便于形成大范圍的觀測(cè)能力，TEROS設(shè)計(jì)為如圖1所示的分布式系統(tǒng)，包括1個(gè)遠(yuǎn)程終端單元(Remote Terminal Unit，RTU)和布置在不同觀測(cè)點(diǎn)的若干個(gè)高能輻射探測(cè)單元(Energetic Radiation Detection Unit，ERDU)，RTU和ERDU之間通過(guò)光纖連接.

圖1 TEROS示意圖Fig.1 Schematic diagram of TEROS

RTU由光電轉(zhuǎn)換模塊和集中管理計(jì)算機(jī)組成，并部署有集中管理軟件，負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)管理等；ERDU是探測(cè)X/γ射線的基本單元，能夠相對(duì)獨(dú)立地完成觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集、處理與上傳，具有測(cè)量能量范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、易部署、易組網(wǎng)等特點(diǎn).

2 高能輻射探測(cè)單元

為實(shí)現(xiàn)寬量程測(cè)量，ERDU設(shè)計(jì)了2個(gè)具有不同增益的探測(cè)通道.雙通道數(shù)據(jù)還可用于TERs的離線符合確認(rèn)，從而排除誤觸發(fā).如圖2所示，ERDU包括2個(gè)閃爍體/PMT、2個(gè)分壓器/前置放大器、1個(gè)基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集模塊、1個(gè)高精度GPS模塊(含天線)、1個(gè)供電模塊和1個(gè)電磁屏蔽箱.除GPS天線外，整個(gè)ERDU均放置在電磁屏蔽箱內(nèi)以降低雷暴環(huán)境的電磁輻射干擾，屏蔽箱尺寸為0.5 m×0.4 m×0.4 m.X/γ射線在閃爍體內(nèi)沉積能量并激發(fā)出閃爍光，由PMT轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)前置放大器放大成形送入高速數(shù)據(jù)采集模塊，完成輻射脈沖信號(hào)的處理和數(shù)字化采集分析后，連同相應(yīng)的GPS時(shí)間和位置信息一并上傳至RTU，用于后續(xù)物理分析.GPS模塊為HJ5442-V1型GPS同步時(shí)鐘，授時(shí)精度優(yōu)于30 ns；供電模塊為24 V鋰電池.ERDU的主要技術(shù)指標(biāo)列于表1.

圖2 ERDU原理框圖Fig.2 Principle block diagram of ERDU

表1 ERDU主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indicators of ERDU

2.1 閃爍體/PMT

TEROS主要配備的是直徑和長(zhǎng)度均為7.6 cm的NaI(Tl)(簡(jiǎn)稱(chēng)為NaI(Tl)-D3)，此外可兼容直徑為4.5 cm、長(zhǎng)度為5.1 cm的CeBr3(簡(jiǎn)稱(chēng)為CeBr3)和5 cm×10 cm×40 cm的NaI(Tl) (簡(jiǎn)稱(chēng)為NaI(Tl)-2L).表2列出了NaI(Tl)和CeBr3兩種閃爍體的主要參數(shù)，圖3展示了3種不同的探測(cè)器，圖4是仿真計(jì)算得到的3種探測(cè)器對(duì)不同能量垂直入射光子的有效探測(cè)面積.NaI(Tl)-D3成本低，適用于大范圍組網(wǎng)觀測(cè)；CeBr3時(shí)間響應(yīng)快、能量分辨優(yōu)，適用于近距離精細(xì)化觀測(cè)；NaI(Tl)-2L探測(cè)面積大，可作為遠(yuǎn)距離觀測(cè)自然閃電的有效補(bǔ)充.通過(guò)調(diào)整PMT的工作高壓改變信號(hào)增益，可以實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)量能量上限(詳見(jiàn)第4節(jié)).

表2 NaI(Tl)與CeBr3閃爍體的主要參數(shù)Table 2 Main characteristics of NaI(Tl) and CeBr3

圖3 3種探測(cè)器實(shí)物圖Fig.3 Photos of three detectors

圖4 3種閃爍體的有效探測(cè)面積計(jì)算值(垂直入射)Fig.4 Calculated effective detection areas (vertical incidence) of three detectors

2.2 分壓器/前置放大器

分壓器為PMT提供相應(yīng)的級(jí)間工作電壓，供電方式為陰極接地、陽(yáng)極接正高壓，通過(guò)對(duì)最后三級(jí)分壓電阻并聯(lián)去耦合電容，以抑制電壓突變.前置放大器采用電荷靈敏方式，以保證輸出信號(hào)幅度與探測(cè)器內(nèi)沉積能量成正比.分壓器/前置放大器如圖5所示.

2.3 高速數(shù)據(jù)采集模塊

高速數(shù)據(jù)采集模塊(圖6)由模擬信號(hào)調(diào)理電路、高速ADC電路、FPGA以及電源電路組成，負(fù)責(zé)信號(hào)的處理、采集、上傳，以及ERDU各模塊的電源控制.

圖5 分壓器/前置放大器實(shí)物圖Fig.5 Photo of voltage divider/preamplifier

圖6 高速數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)物圖Fig.6 Photo of high-speed data acquisition module

模擬信號(hào)調(diào)理電路將前置放大器輸出的指數(shù)脈沖波形調(diào)理為正極性近高斯波形，電壓幅值為0～2 V.如圖7所示，對(duì)于衰減時(shí)間約為230 ns的NaI(Tl)，調(diào)理后的典型輸出信號(hào)寬度約2 μs，而衰減時(shí)間較小的CeBr3典型輸出脈寬約0.5 μs.高速ADC負(fù)責(zé)脈沖波形的數(shù)字化采集，選用AD9245BCPZ-80，最高采樣率為80 MHz，可向下調(diào)整，采樣精度為14 bit.電源電路負(fù)責(zé)為高速數(shù)據(jù)采集模塊、GPS模塊以及前置放大器提供工作電壓，并通過(guò)分壓器向PMT提供正高壓.FPGA根據(jù)設(shè)置的參數(shù)和觀測(cè)模式，完成事件判別以及數(shù)據(jù)的采集和上傳.

圖7 NaI(Tl)-D3/PMT與CeBr3/PMT實(shí)測(cè)的 662 keV脈沖Fig.7 662 keV pluses measured by NaI(Tl)-D3/PMT and CeBr3/PMT

3 觀測(cè)模式設(shè)計(jì)

考慮到不同TERs的輻射強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間差異較大，對(duì)數(shù)據(jù)的采集需求也有所區(qū)別，設(shè)計(jì)了針對(duì)短爆發(fā)事件和γ射線輝光的2種觀測(cè)模式.

圖8 實(shí)測(cè)脈沖堆積Fig.8 Measured pulses pile-up

3.1 短爆發(fā)事件觀測(cè)模式

短爆發(fā)事件具有較大的瞬時(shí)強(qiáng)度，容易引起如圖8所示的脈沖堆積，需要采集完整時(shí)域波形用于輻射信息的準(zhǔn)確解析.為降低連續(xù)觀測(cè)下的高速數(shù)據(jù)采集對(duì)系統(tǒng)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，同時(shí)避免因堆積引起的脈沖計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確而造成漏觸發(fā)，TEROS基于放射性本底的統(tǒng)計(jì)漲落規(guī)律和過(guò)閾值采樣點(diǎn)數(shù)量在線識(shí)別短爆發(fā)事件(李小強(qiáng)等，2018b).在較短時(shí)間窗內(nèi)，本底放射性可認(rèn)為服從泊松分布，那么在該給定時(shí)間窗內(nèi)，由期望為M的本底引起計(jì)數(shù)值>N的概率P為

NaI(Tl)-D3的本底計(jì)數(shù)率約為200 cps，假設(shè)短爆發(fā)事件觸發(fā)時(shí)間窗為500 μs，由上式計(jì)算可得：當(dāng)N=4時(shí)，因本底引起的觸發(fā)約為13.25次/天；當(dāng)N=5時(shí)，本底觸發(fā)約為0.22次/天.在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，使用N×(典型脈沖采樣點(diǎn)數(shù)量)作為觸發(fā)判別參數(shù).如NaI(Tl)-D3的典型脈寬為2 μs，當(dāng)采樣率為20 MHz時(shí)，典型脈沖采樣點(diǎn)數(shù)量為40，相應(yīng)的觸發(fā)閾值為40N.

在短爆發(fā)事件觀測(cè)模式下，各ERDU相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行，實(shí)時(shí)進(jìn)行觸發(fā)判別且互不觸發(fā)，而ERDU內(nèi)部的兩個(gè)通道相互觸發(fā)，觸發(fā)后上傳的數(shù)據(jù)包括連續(xù)時(shí)域波形、觸發(fā)時(shí)間和觀測(cè)點(diǎn)位置.

3.2 γ射線輝光觀測(cè)模式

γ射線輝光強(qiáng)度相對(duì)較低且觀測(cè)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，可直接采集信號(hào)幅度(能量)和時(shí)間信息而無(wú)需采集連續(xù)時(shí)域波形.在γ射線輝光觀測(cè)模式下，各個(gè)ERDU每秒鐘向RTU上傳一個(gè)能譜數(shù)據(jù)文件，包括2個(gè)通道的1024道累積能譜和時(shí)間信息.通過(guò)對(duì)累積能譜數(shù)據(jù)差分處理，可以給出每10 s(或任意時(shí)間間隔)計(jì)數(shù)的變化.當(dāng)某一時(shí)間段內(nèi)的計(jì)數(shù)值顯著超過(guò)本底統(tǒng)計(jì)漲落(如5σ)，則認(rèn)為發(fā)生一次γ射線輝光，相應(yīng)的能譜數(shù)據(jù)和時(shí)間信息可用于后續(xù)分析.圖9給出了NaI(Tl)-D3/PMT和CeBr3/PMT實(shí)測(cè)的1 min137Cs能譜，能量分辨率分別為8.48%和4.19%.

圖9 NaI(Tl)-D3/PMT與CeBr3/PMT的 1 min實(shí)測(cè)137Cs能譜Fig.9 1-minute energy spectra of 137Cs measured by NaI(Tl)-D3/PMT and CeBr3/PMT

4 基于NaI(Tl)-D3/PMT的4站TEROS及測(cè)試實(shí)驗(yàn)

4.1 4站TEROS及測(cè)試實(shí)驗(yàn)概述

2021年夏季，研究團(tuán)隊(duì)在中國(guó)氣象局雷電野外科學(xué)試驗(yàn)基地(Field Experiment Base on Lightning Sciences，China Meteorological Administration，CMA_FEBLS)(Fan et al., 2020)建立了1套4站TEROS(圖10)，利用人工引雷試驗(yàn)重點(diǎn)對(duì)其短爆發(fā)事件觀測(cè)能力進(jìn)行了驗(yàn)證.4個(gè)ERDU圍繞2個(gè)引雷點(diǎn)布置，并從ERDU-1至ERDU-4依次編號(hào).探測(cè)器均選用NaI(Tl)-D3/PMT，觸發(fā)時(shí)間窗為500 μs，采樣率為20 MHz，觸發(fā)閾值為160.圖11展示了電磁屏蔽箱和ERDU內(nèi)部組成.

4.2 能量刻度

NaI(Tl)探測(cè)器能量線性好，一般采用線性或二項(xiàng)式擬合能量與道址的關(guān)系.對(duì)每個(gè)探測(cè)器設(shè)定3種不同的PMT工作高壓，以實(shí)現(xiàn)低(測(cè)量上限～3 MeV)、中(測(cè)量上限～10 MeV)、高(測(cè)量上限～20 MeV)3種不同的測(cè)量上限(圖12)，利用137Cs、60Co和40K完成了全部8個(gè)探測(cè)器的24組能量刻度.其中，中、高能段使用線性擬合，低能段則使用二項(xiàng)式擬合，以提高擬合精度.在實(shí)際應(yīng)用中，可結(jié)合具體情況靈活調(diào)整兩個(gè)通道的工作能段，以提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的可用性.

4.3 抗干擾能力測(cè)試

為評(píng)估雷暴復(fù)雜環(huán)境對(duì)TEROS的影響，設(shè)計(jì)了1次抗干擾能力測(cè)試試驗(yàn).在引雷前，拆除了距離引雷點(diǎn)最近(水平間距為16 m)的ERDU-3的2號(hào)通道NaI(Tl)閃爍體，保留了除晶體外的全部電子學(xué)系統(tǒng)，并使其保持在正常工作狀態(tài).如圖13所示，在測(cè)試試驗(yàn)期間，該通道未記錄到任何信號(hào)，而其他7個(gè)通道均有顯著的人工觸發(fā)閃電高能輻射信號(hào)，表明TEROS可在雷暴復(fù)雜環(huán)境下可靠運(yùn)行，具有良好的抗干擾能力.

4.4 短爆發(fā)事件觀測(cè)能力測(cè)試

2021年夏季共成功觸發(fā)閃電5次，涉及先導(dǎo)/回?fù)暨^(guò)程22次，經(jīng)與CMA_FEBLS提供的通道基電流數(shù)據(jù)比對(duì)，TEROS在其中17次過(guò)程中檢測(cè)到短爆發(fā)事件，匹配率達(dá)到77.3%.這與基于回?fù)綦娏饔|發(fā)的TERA報(bào)道的73%(Dwyer et al., 2004b)相當(dāng).如圖14所示，TEROS在1次人工觸發(fā)閃電的全部5次先導(dǎo)/回?fù)暨^(guò)程中均捕獲到TERs.此外，TEROS還觀測(cè)到3次自然閃電高能輻射，并首次獲得了多站同步數(shù)據(jù).

由于觀測(cè)點(diǎn)距引雷點(diǎn)相對(duì)較近，容易引起輸出信號(hào)飽和.如圖15所示，1通道因測(cè)量上限低，出現(xiàn)了大量的連續(xù)飽和脈沖，而中量程的2通道則采集到完整波形數(shù)據(jù)，并較好地識(shí)別出堆積脈沖，系統(tǒng)觀測(cè)能力較單通道顯著提升，數(shù)據(jù)可用性增強(qiáng).

圖10 TEROS在CMA_FEBLS的現(xiàn)場(chǎng)布局圖Fig.10 Layout of TEROS at CMA_FEBLS

圖11 ERDU實(shí)物圖(a) 電磁屏蔽箱; (b) 電磁屏蔽箱內(nèi)部.Fig.11 Photos of ERDU(a) Electromagnetic shielding box; (b) Interior of the electromagnetic shielding box.

圖12 能量與道址的關(guān)系(a) 低能段； (b) 中能段 ； (c) 高能段.Fig.12 The relationships between energy and energy channel(a) Low energy region; (b) Medium energy region; (c) High energy region.

圖13 抗干擾能力測(cè)試結(jié)果 從上到下依次為：距引雷點(diǎn)水平間距為61、93、16和82 m的ERDU數(shù)據(jù).Fig.13 Test result of anti-interference capability From top to bottom: ERDU data with horizontal spacing of 61, 93, 16 and 82 m from rocket launch point.

圖14 人工觸發(fā)閃電過(guò)程的通道基電流和TEROS觀測(cè)數(shù)據(jù) 從上到下依次為：通道基電流，以及距引雷點(diǎn)水平間距為100、92、31和18 m的ERDU數(shù)據(jù).Fig.14 The channel-base current and TEROS observation data from a rocket-triggered lightning flash From top to bottom: Channel-base current, and ERDU data with horizontal spacing of 100, 92, 31 and 18 m from rocket launch point.

5 結(jié)論

針對(duì)TERs觀測(cè)需求，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首個(gè)分布式雷暴高能輻射觀測(cè)系統(tǒng).該系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、易部署、易擴(kuò)展等特點(diǎn)，便于開(kāi)展大范圍組網(wǎng)觀測(cè)并為約束TERs幾何分布提供了可能；可通過(guò)雙通道靈活配置量程，測(cè)量上限不低于10 MeV；實(shí)現(xiàn)了面向不同時(shí)間尺度TERs的2種觀測(cè)模式.經(jīng)與通道基電流數(shù)據(jù)比對(duì)，利用NaI(Tl)閃爍體探測(cè)器建立的4站TEROS觀測(cè)系統(tǒng)，在全部22次人工觸發(fā)閃電的先導(dǎo)/回?fù)暨^(guò)程中捕獲到17次TERs事件，探測(cè)率為77.3%.此外，還首次獲得了自然閃電高能輻射的多站同步數(shù)據(jù).試驗(yàn)結(jié)果證明TEROS在復(fù)雜電磁環(huán)境下，具備良好的TERs觀測(cè)能力和運(yùn)行穩(wěn)定性.后續(xù)將進(jìn)一步優(yōu)化擴(kuò)展TEROS，建立涵蓋基于CeBr3的近場(chǎng)精細(xì)化觀測(cè)和基于NaI(Tl)-2L的高建筑物觀測(cè)的雷暴高能輻射地基觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合雷暴/閃電多物理效應(yīng)觀測(cè)和仿真計(jì)算，探索TERs的物理本質(zhì)及其與雷暴/閃電的內(nèi)在聯(lián)系，推動(dòng)高能大氣物理領(lǐng)域試驗(yàn)與理論研究的發(fā)展.

致謝感謝中國(guó)氣象科學(xué)研究院和中國(guó)氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所在人工引雷試驗(yàn)過(guò)程中提供的幫助和支持，感謝審稿專(zhuān)家的寶貴建議.

圖15 單個(gè)ERDU觀測(cè)到的1次短爆發(fā)事件Fig.15 A short-burst event observed by single ERDU