GRM復(fù)合晶體探測(cè)器讀出系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉江濤，董永偉，宋黎明，吳伯冰，張永杰，徐 鶴

(1.中國(guó)科學(xué)院 高能物理研究所，北京 100049；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

γ射線暴(簡(jiǎn)稱γ暴)是能探測(cè)到的發(fā)生于宇宙學(xué)尺度上的恒星級(jí)天體中的γ射線爆發(fā)過程，同時(shí)伴隨長(zhǎng)時(shí)間的余輝現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)有的研究，猜測(cè)其形成原因是兩個(gè)致密天體如中子星或黑洞的合并或是在大質(zhì)量恒星演化為黑洞的過程中產(chǎn)生的。γ暴爆發(fā)時(shí)，在很小的空間內(nèi)釋放巨大能量，所以γ暴現(xiàn)象涉及一些僅發(fā)現(xiàn)于極少數(shù)天體現(xiàn)象中的極端條件下的物理過程。在認(rèn)識(shí)和了解宇宙的過程中，γ暴具有重大的科學(xué)意義。對(duì)γ暴的深入研究，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)γ暴的連續(xù)準(zhǔn)確定位，同時(shí)測(cè)量γ暴的紅移和Epeak等參數(shù)[1-4]?？臻g多波段變?cè)幢O(jiān)視器(SVOM)是中國(guó)和法國(guó)多家科研單位聯(lián)合研制的專門用于γ暴探測(cè)的科學(xué)衛(wèi)星，將于2017年發(fā)射，其主要物理目標(biāo)為：探測(cè)所有已知類型的γ暴；實(shí)現(xiàn)對(duì)γ暴的快速準(zhǔn)確定位；從可見光到硬X射線寬波段范圍內(nèi)對(duì)γ暴輻射進(jìn)行探測(cè)；對(duì)γ暴的可見光余輝和近紅外余輝進(jìn)行識(shí)別。

γ射線譜儀(GRM)是SVOM的一個(gè)重要測(cè)量工具，主要用于γ射線能量測(cè)量，測(cè)量范圍為50～5 000 keV，GRM可對(duì)所有被SVOM精確定位的γ暴進(jìn)行大動(dòng)態(tài)范圍Epeak測(cè)量，且可根據(jù)γ射線能譜的顯著性實(shí)現(xiàn)SVOM對(duì)γ暴的實(shí)時(shí)觸發(fā)[5]。

地球軌道天然空間輻射粒子包括地磁場(chǎng)俘獲輻射帶粒子和宇宙射線，輻射粒子包括氫、重離子、電子、X射線、γ射線等，輻射方向基本為4π，且能量分布非常廣。GRM需在復(fù)雜的輻射環(huán)境中對(duì)某一固定方向的γ射線進(jìn)行探測(cè)，除在探測(cè)器前安裝準(zhǔn)直器外，探測(cè)介質(zhì)由3層閃爍體構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)背向入射γ射線反符合和前向入射帶電粒子屏蔽，因此，GRM的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)3種信號(hào)及其混合信號(hào)的甄別，同時(shí)需滿足航天電子學(xué)設(shè)計(jì)可靠性要求。本工作基于跨導(dǎo)放大器原理設(shè)計(jì)峰值保持電路，利用FPGA技術(shù)控制整個(gè)系統(tǒng)時(shí)序。

1 GRM復(fù)合晶體探測(cè)器

GRM由兩個(gè)獨(dú)立的γ射線探測(cè)器(GRD)組成，GRD的探測(cè)能區(qū)為30～5 500 keV，其結(jié)構(gòu)示于圖1。GRD由塑料閃爍體(PS)、NaI(Tl)和CsI(Na)構(gòu)成，3種晶體的直徑均為190 mm。PS的厚度為6 mm，用于屏蔽空間低能帶電粒子；NaI(Tl)閃爍體的厚度為15 mm，是GRD的主探測(cè)器晶體；CsI(Na)晶體的厚度為35 mm，是GRD的另外一種主探測(cè)晶體，它不僅可擴(kuò)展GRD的探測(cè)能區(qū)，還可屏蔽背向入射的低能X射線和帶電粒子。3種晶體通過光學(xué)膠粘合到一起，利用同一個(gè)光電倍增管完成光電轉(zhuǎn)換，前端電子學(xué)的電荷靈敏前置放大器進(jìn)行電荷積分，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)GRD輸出的電壓脈沖信號(hào)進(jìn)行處理。

由于空間中的輻射環(huán)境復(fù)雜，GRD中的3種閃爍體可能會(huì)同時(shí)發(fā)光，也可能只有1種或2種晶體發(fā)光，對(duì)于GRD的信號(hào)來源可分為以下幾種情況：1) 低能帶電粒子正向入射，引起PS發(fā)光；2) 低能帶電粒子背向入射，引起CsI(Na)晶體發(fā)光；3) 能量較高的帶電粒子入射，可能引起3種晶體同時(shí)發(fā)光、塑料閃爍體與NaI(Tl)發(fā)光、CsI(Na)與NaI(Tl)發(fā)光；4) 能量較低的X射線正向入射，引起NaI(Tl)發(fā)光，此時(shí)，X射線的能量全部沉積在晶體中；5) 能量較低的X射線背向入射，引起CsI(Na)發(fā)光；6) 能量較高的X射線入射，可能引起NaI(Tl)和CsI(Na)同時(shí)發(fā)光，也可能僅1種晶體發(fā)光，但只有2種晶體同時(shí)發(fā)光時(shí)，X射線的能量才能全部沉積。根據(jù)GRM的物理目標(biāo)，GRM需探測(cè)正面入射的中等能量的X射線，GRM信號(hào)采集系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)來源的甄別，篩選出有效的γ暴事例。

圖1 GRD結(jié)構(gòu)

2 GRM信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

GRD由3層閃爍體(PS、NaI(Tl)、CsI(Na))構(gòu)成，共用一個(gè)光電倍增管輸出信號(hào)，根據(jù)GRD的物理設(shè)計(jì)，信號(hào)采集系統(tǒng)需完成X射線或帶電粒子在3種晶體中能量沉積的讀出，同時(shí)判斷GRD輸出信號(hào)的來源，由于3種閃爍體發(fā)光衰減時(shí)間常數(shù)不同[6]，可根據(jù)GRD輸出電壓脈沖波形判斷信號(hào)來源，因此，GRD信號(hào)采集系統(tǒng)包括峰值保持電路、脈沖形狀甄別電路、峰值讀取電路和FPGA控制時(shí)序。

2.1 峰值保持電路

峰值保持電路的作用是獲取輸入電壓脈沖的峰值，并產(chǎn)生輸出V0=VI(peak)。GRD的3種晶體中PS的輸出信號(hào)最快，其發(fā)光時(shí)間與衰減時(shí)間只有幾ns，經(jīng)過前端電子學(xué)的阻容網(wǎng)絡(luò)后，脈沖寬度變?yōu)榧s300 ns，上升沿約100 ns，因此，峰值保持電路的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)好于100 ns。由于光電倍增管陽(yáng)極分壓輸出采用高低增益設(shè)計(jì)，考慮到信噪比，要求峰值保持電路的線性動(dòng)態(tài)范圍為300～5 000 mV，保持時(shí)間可調(diào)節(jié)，增益為1。

通用的峰值保持電路主要有2種：跨導(dǎo)型與電壓型[7]。電壓型電路原理簡(jiǎn)單，但動(dòng)態(tài)范圍小、小幅度響應(yīng)差，不具有快響應(yīng)的特征；跨導(dǎo)型峰值保持電路具有響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)范圍大和誤差小的優(yōu)點(diǎn)，但電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。針對(duì)核物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的峰值保持電路，文獻(xiàn)[8-10]介紹了相應(yīng)的改進(jìn)方法，但在航天電子學(xué)的設(shè)計(jì)中還需考慮電路設(shè)計(jì)的可靠性、元器件符合航天要求、電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、電路控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，本工作對(duì)跨導(dǎo)型峰值保持電路進(jìn)行了改進(jìn)，其原理示于圖2。

圖2中，輸入第一級(jí)采用跨導(dǎo)放大器可得到優(yōu)異的性能，但由于元器件選型的局限，第一輸入級(jí)及隔離級(jí)采用運(yùn)算放大器LM6172，其輸入帶寬為100 MHz，輸入電阻為40 MΩ，壓擺率為3 000 V/μs，信號(hào)到達(dá)觸發(fā)級(jí)采用高速電壓比較器AD8561，其延遲時(shí)間為7 ns，放電電路采用集成電路DG541，斷開時(shí)間為80 ns，F(xiàn)PGA采用XC2V1000。

FPGA控制整個(gè)峰值保持過程。當(dāng)輸入信號(hào)幅度達(dá)到比較器的閾值時(shí)，比較器的輸出變?yōu)楦唠娖?，F(xiàn)PGA控制模擬開關(guān)斷開，第一級(jí)放大器的輸出開始對(duì)峰值保持電容C42充電，當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到峰值后，D2截止，峰值保持電容C42兩端的電壓值即為輸入脈沖的峰值，F(xiàn)GPA控制ADC完成讀出第二級(jí)放大器輸出電壓，此電壓值即為輸入電壓脈沖的峰值，F(xiàn)PGA控制模擬開關(guān)閉合時(shí)，C42開始放電，峰值保持結(jié)束，輸出電壓為零，F(xiàn)PGA繼續(xù)等待下一個(gè)觸發(fā)信號(hào)。

2.2 脈沖形狀甄別原理

圖2 峰值保持電路原理

圖3 3種晶體對(duì)應(yīng)的電壓脈沖波形

2.3 GRM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

GRM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖示于圖4。本系統(tǒng)主要由峰值保持電路、脈沖形狀甄別電路和FPGA控制邏輯構(gòu)成，其工作過程為：GRD探頭輸出電壓脈沖信號(hào)，通過峰值保持電路實(shí)現(xiàn)電壓脈沖峰值獲取和為后續(xù)電路提供獲取前后沿閾值，電壓信號(hào)經(jīng)過800 ns延遲芯片后與前后沿閾值符合給出前后沿觸發(fā)信號(hào)T1和T2，F(xiàn)PGA控制邏輯通過控制ADC讀取電壓脈沖的峰值，同時(shí)根據(jù)T1和T2獲取脈沖的脈沖寬度信息，在FPGA內(nèi)部形成包含幅度與寬度信息的物理事例，控制RS232芯片實(shí)現(xiàn)與PC的通信，至此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成了對(duì)GRD輸出信號(hào)的采集。本系統(tǒng)中比較器采用AD8561，響應(yīng)時(shí)間為10 ns，ADC采用ADC08200，分辨為8 bit，速度為200 MHz，F(xiàn)PGA采用Xilinx公司的2V1000，對(duì)脈沖寬度的分辨主要取決于FPGA的工作時(shí)鐘，本系統(tǒng)中FPGA的工作時(shí)鐘為24 MHz。

3 GRM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能測(cè)試

上述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研制完成后，設(shè)計(jì)了一些實(shí)驗(yàn)來測(cè)試其性能，在所有實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最小觸發(fā)閾值為60 mV，此閾值基本可消除系統(tǒng)噪聲的影響，同時(shí)不損失系統(tǒng)的線性范圍。利用函數(shù)發(fā)生器Agilent33521A輸出的脈沖波形模擬GRD的信號(hào)，測(cè)試本系統(tǒng)對(duì)脈沖形狀甄別的性能與脈沖幅度獲取的線性，然后，利用本系統(tǒng)獲取GRD探頭的本底信號(hào)。

3.1 函數(shù)發(fā)生器信號(hào)輸入實(shí)驗(yàn)

設(shè)置函數(shù)發(fā)生器輸出波形為脈沖，脈沖前沿為60 ns，脈沖下降沿為300 ns，利用不同脈沖寬度信號(hào)測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)脈沖形狀的獲取性能。根據(jù)3種閃爍體的實(shí)際輸出波形，設(shè)置脈沖寬度分別為300 ns、1 μs和1.7 μs，設(shè)置脈沖輸入幅度為5 V。采用測(cè)試系統(tǒng)對(duì)3種信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取的脈沖寬度分布示于圖5。FPGA內(nèi)部時(shí)鐘為24 MHz，系統(tǒng)對(duì)脈沖寬度的時(shí)間分辨率為41.67 ns。圖5中，橫軸為測(cè)試系統(tǒng)獲取輸入脈沖寬度，縱軸為輸入脈沖的計(jì)數(shù)，對(duì)于固定寬度、固定幅度的電壓脈沖，此系統(tǒng)脈沖寬度響應(yīng)為單一值，分辨為41.6 ns。以上結(jié)果說明，本測(cè)試系統(tǒng)可有效地根據(jù)脈沖前后沿獲取脈沖寬度信息。

圖4 GRM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能框圖

圖5 300 ns、1 μs和1.7 μs電壓輸出脈沖的數(shù)據(jù)采集獲取結(jié)果

圖6 GRM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)電壓脈沖幅度的線性獲取

保持函數(shù)發(fā)生器輸出電壓脈沖的波形不變，改變輸入脈沖波形測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的峰值獲取線性，由于GRD的主探測(cè)晶體為NaI(Tl)，設(shè)置輸入脈沖波形寬度為1 μs，脈沖幅度范圍為0.2～10 V，圖6為輸入脈沖幅度與系統(tǒng)獲取峰值的線性關(guān)系，橫軸為輸入脈沖的電壓幅度Vin，縱軸為將峰值保持電路輸入的直流電平數(shù)字化的結(jié)果。改變輸入電壓脈沖的幅度后，獲取對(duì)應(yīng)峰值的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，線性方程為y=-0.058 77+23.000 84x，相關(guān)系數(shù)為0.999 99。

3.2 GRD探頭本底測(cè)試結(jié)果

GRM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接入GRD探頭輸出信號(hào)，在不加放射源的情況下，測(cè)量本底數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果示于圖7。從圖7中可清晰地分辨出探頭輸出3種脈沖寬度的信號(hào)，在系統(tǒng)線性范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可有效對(duì)脈沖寬度進(jìn)行獲取。

a——GRD探頭測(cè)試本底信號(hào)脈沖寬度與幅度的二維分布；b——本底信號(hào)脈沖寬度分布

4 結(jié)論

通過對(duì)傳統(tǒng)跨導(dǎo)型放大器的改進(jìn)，利用FGPA技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多層晶體γ射線探測(cè)器輸出信號(hào)的峰值和脈沖寬度的精準(zhǔn)獲取，此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠，符合航天電子學(xué)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則，此系統(tǒng)可滿足對(duì)多層晶體探測(cè)器的性能研究，同時(shí)，也為GRM有效載荷的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 向守平. 天體物理概論[M]. 合肥:中國(guó)科技大學(xué)出版社,2008:174-177.

[2] JACQUES P, WEI J, STéPHANE B, et al. The Chinese-French SVOM mission for gamma-ray burst studies[J]. Comptes Rendus Physique, 2011, 12(3): 298-308.

[3] 鄧家干. 單峰結(jié)構(gòu)的GRB光變曲線的FWHM與Ep之間的關(guān)系[J]. 廣西大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,35(2):363-366.

DENG Jiagan. Relationship between FWHM andEpof single peaked GRB light curves[J]. Journal of Guangxi University: Natural Science Edition, 2010, 35(2): 363-366(in Chinese).

[4] 宋黎明,申榮鋒,雷亞娟. γ射線暴的時(shí)變分析[J]. 天文學(xué)進(jìn)展,2004,35(3):245-261.

SONG Liming, SHEN Rongfeng, LEI Yajuan. On the temporal analysis of the gamma-ray bursts[J]. Progress in Astronomy, 2004, 35(3): 245-261(in Chinese).

[5] DONG Yongwei, WU Bobing, LI Yanguo, et al. SVOM gamma ray monitor[J]. Science China: Physics Mechanics & Astronomy, 2010, 53(1): 40-42.

[6] 謝一岡. 粒子探測(cè)器與數(shù)據(jù)獲取[M]. 北京:科學(xué)出版社,2003:172.

[7] 陳勇,李延國(guó),吳枚. 新型高性能脈沖峰值保持電路[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),1997,17(4):241-246.

CHEN Yong, LI Yanguo, WU Mei. Two kinds of novel high performance pulse peak hold circuit[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 1997, 7(4): 241-246(in Chinese).

[8] 郭永新,焦青. 新型跨導(dǎo)型脈沖峰值保持器[J]. 青島大學(xué)學(xué)報(bào),2001,16(4):104-106.

GOU Yongxin, JIAO Qing. New trans-conductance peak holding circuit[J]. Journal of Qingdao University, 2001, 16(4): 104-106(in Chinese).

[9] 彭宇,蘇弘,董成富,等. 一種適用于高速窄脈沖的峰值保持電路[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2007,27(2):254-256.

PENG Yu, SU Hong, DONG Chengfu, et al. A peak holding circuit for fast narrow pulse[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2007, 27(2): 254-256(in Chinese).

[10] 李延國(guó)，李惕碚. 新型脈沖形狀甄別器[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2003,23(5):391-396.

LI Yanguo, LI Tibei. New pulse shape discrimination for the multiple phoswich detector[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2003, 23(5): 391-396(in Chinese).