空間粒子輻射監測器用模擬信號源的實現

施偉紅，何正文，陳鴻飛，于向前，鄒 鴻，鄒積清

（1.北京大學 地球與空間科學學院 空間物理與應用技術研究所，北京 100871；2.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

0 引言

空間粒子輻射監測器用于監測航天器內部的高能電子和質子的輻射通量，已作為“資源一號”衛星環境分系統載荷交付使用。該設備通用性強，可以廣泛應用于空間探測、空間實驗室等項目。

在設備研制、調試、驗收及整星聯合測試過程中，需要有信號源來模擬空間高能粒子產生的電信號，以檢測設備的電性能和功能。空間粒子輻射監測器要求配用的模擬信號源有3路模擬信號同時輸入，并在實驗室、生產車間、環境實驗室、整星測試站及靶場等多個場地間輾轉使用；而從美國進口的ORTEC模擬信號源只有1路輸出，不符合使用要求，且設備體積大、較笨重，使用不便。為此，作者針對空間粒子輻射監測器的特點，自行研制了一套專用的模擬信號源，其體積小、重量輕，且性能優異。下面對該模擬信號源進行介紹。

1 問題分析

ORTEC模擬信號源設備功能強大，包括高壓電源模塊、低壓電源模塊、波形發生器及功放等幾大部分，可以對輸出信號進行各種調整，完成復雜的試驗。但對于空間粒子輻射監測器這樣的單臺設備研制來說，這些功能過于復雜。

空間粒子輻射監測器由1個電子測量通道和2個質子測量通道組成，分別為：高能電子（0.5～2.0 MeV，≥ 2.0 MeV），高能質子1（5～30 MeV，30～60 MeV），高能質子2（60～120 MeV，120～300 MeV）。因此，模擬信號源需要同時提供3路輸出，對應于設備的3個獨立測量通道；需要提供準確頻率的脈沖信號以測試設備的計數率；需要有反質子信號功能，以測試設備的反質子污染功能。即該模擬信號源設計應達到如下目標：

1）提供3路同步信號，且各路信號幅度可獨立調整；2）模擬高能電子產生的信號，對應于電子測量通道，覆蓋2個電子測量能檔；3）模擬高能質子產生的信號，對應于2個質子測量通道，覆蓋4個質子測量能檔；4）產生反質子模擬信號，以檢測電子測量通道的反質子污染功能；5）提供準確頻率的脈沖信號，且波形接近于粒子在探測器中產生的電信號。

2 模擬信號源設計

2.1 用電信號模擬入射粒子能量的原理

根據第1部分提出的設計目標，模擬信號源的設計原理和方案如下。

在空間高能粒子探測中，常使用半導體固體探測器作為傳感器。其中PIN探測器是近年來較多采用的探測器，利用離子注入摻雜法構成P-I-N結[1]。北京大學微電子研究所通過多年研究，采用先進的半導體微機械工藝，研制出離子注入型探測器[2]。當粒子入射到半導體探測器時，入射粒子與硅原子發生庫侖碰撞，使原子的外層電子脫離原子核束縛，形成載流電子；而原子由于失去電子而形成起載流作用的空穴。硅原子的平均電離能為3.6 eV[3]。高能入射粒子在探測器中產生很多的電子-空穴對，在探測器內部電場作用下向探測器的兩極運動，在探測器表面形成感應電荷[4]。感應電荷被讀出電路收集并放大，變為可以測量的電信號。模擬信號源根據粒子在半導體探測器中產生信號這一特性，模擬入射粒子在探測器中產生的電信號。

空間粒子輻射探測器由半導體探頭及其讀出電路、高壓單元（HVU）、信號處理單元和數據處理單元[5]4部分組成。為配合測試，在讀出電路前端，設計了一個模擬信號源的輸入接口，其等效電路如圖1所示。

圖1 模擬信號源接口等效電路Fig.1 Interface equivalent circuit for analog signal source input

當模擬信號為電壓脈沖時，將在Ci上充電，其充電電荷累積到探測器的等效電容Cd上。由于Ci的電容值遠小于Cd的電容值，所以模擬信號產生的電荷量由公式(1)[6]

給出，其中：Q為充電電荷量；V為模擬信號源的脈沖電壓幅度。

粒子入射到探測器以后，由于電離作用在探測器內產生電子和空穴，電子-空穴對的運動在探測器兩端產生感應電荷，產生的電荷量正比于入射粒子在探測器中損失的能量（沉積能量）。根據標定實驗，可以求出探測器輸出電荷量與入射粒子能量之間的關系。根據公式(1)可知模擬信號源的輸出信號電壓幅度等效于入射粒子的沉積能量，再由入射粒子的沉積能量與入射能量的關系，可以得到模擬信號源的輸出信號電壓幅度所對應的入射粒子能量。

2.2 設計方案

模擬信號源由脈沖信號發生器、脈沖整形電路、驅動放大器、穩壓電源和電池組等部分組成。其設計方案原理如圖2所示。

為將脈沖方波調制成為快速上升、慢速下降的鋸齒形波，使輸出波形更接近于粒子在探測器中產生的電信號，在脈沖信號發生電路后設置脈沖整形電路。

將模擬信號源由外部供電改為內部電池供電，使用3節5號干電池，供電電壓為直流4.5 V，由穩壓電源穩壓到2.5 V后，提供給各器件使用。這種供電方式使信號源的體積小巧，并且可以完全避免供電干擾和設備間通過電源線的干擾。由于信號源功耗很小，3節電池可以支持較長時間的試驗需要。

根據空間粒子輻射監測器的幾何因子、電路響應時間，將模擬信號源的輸出信號頻率設定為2 kHz。

在使用中可以通過旋鈕調節各路輸出信號的幅度，最大幅度依據探測器的標定結果設定。在鋸齒形波產生之后，設置信號放大電路，使輸出的鋸齒形信號在負載為51 Ω的條件下，能夠驅動空間粒子輻射監測器的信號輸入電路。

圖2 模擬信號源原理框圖Fig.2 Schematic diagram of the analog signal source

3 設計實施情況

根據以上設計完成的模擬信號源，其電性能和功能達到設計要求，實際指標如表1所示。

表1 模擬信號源電性能指標Table 1 Electrical properties of the analog signal source

實際的信號源操作面板如圖3所示：中間為信號輸出插座（OUT）；右邊為3個控制開關；左邊為3個調節旋鈕。

圖3 模擬信號源操作面板Fig.3 The control panel of the analog signal source

1）3個控制開關

PW開關：控制電源供電，設備不使用時需要關閉開關，避免電池過放電。

Se 開關：控制電子通道的模擬信號輸出，在使用放射源時需要關閉。

Sde開關：控制電子通道的反質子污染功能的開閉，打開時模擬質子進入電子探頭的情況。

2）3個調節旋鈕

Ve 旋鈕：調節電子通道的模擬信號強度，可以等效為入射電子的能量，即強度越大，等效入射電子能量越高。

Vp1旋鈕：調節質子1通道的模擬信號強度，可以等效為5～60 MeV之間入射質子的能量，即強度越大，等效入射質子能量越低。

Vp2旋鈕：調節質子2通道的模擬信號強度，可以等效為60～300 MeV之間入射質子的能量，即強度越大，等效入射質子能量越低。

自制完成的模擬信號源外形尺寸為 113 mm×78 mm×44 mm，原進口ORTEC模擬信號源外形尺寸為482 mm×580 mm×221 mm，兩者的對比效果如圖4所示。可見自制模擬信號源在體積上明顯小巧，使用更為方便、靈活。

圖4 模擬信號源大小對比Fig.4 Comparison between the imported ORTEC analog signal source and the self-developed one

4 結束語

本文以國外能譜測試儀的模擬信號源作為設計原型，針對空間粒子輻射監測器的特點和需求，研制了專用模擬信號源。該信號源設計簡潔，運行穩定，體積遠小于進口設備，并且有3路信號輸出，各路輸出可獨立調節，方便攜帶和使用。同時該信號源應用獨立性強，可以廣泛應用于空間探測設備、空間實驗室等項目。

（References）

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[3]焦維新.空間探測[M].北京大學出版社, 2002： 81

[4]童詩白, 華成英.模擬電子技術基礎[M].3版.北京：高等教育出版社, 2000： 2

[5]于向前, 陳鴻飛, 鄒積清, 等.空間粒子輻射探測器高壓電源設計[J].核電子學與探測技術, 2008, 28(3)： 529

Yu Xiangqian, Chen Hongfei, Zou Jiqing, et al.Design of high voltage unit in particle detector in space[J].Nuclear Electronics and Detection Technology, 2008,28(3)： 529

[6]邱關源.電路[M].4 版.北京： 高等教育出版社, 1999： 10