硬X射線調制望遠鏡衛星中能望遠鏡設計與驗證

曹學蕾 姜維春 張萬昌 孟斌 楊生 雒濤 顧煜棟 譚穎

(中國科學院高能物理研究所,北京 100049)

硬X射線調制望遠鏡(HXMT)衛星[1]于2017年6月15日在酒泉衛星發射中心成功發射,在軌運行1年多。作為HXMT衛星3臺望遠鏡之一,中能望遠鏡的主要任務是對5～30 keV能區X射線進行巡天及定點觀測。為了實現中能望遠鏡高時間分辨率和高能量分辨率的要求,本文設計了中能望遠鏡,概述了其功能組成,詳細介紹了Si-PIN探測器、低噪聲專用集成電路(ASIC)、高精度準直器3項關鍵技術,并給出了中能望遠鏡在軌運行的功能與性能測試結果。

1 中能望遠鏡設計

根據中能望遠鏡的任務要求,其主要技術指標見表1。

表1 中能望遠鏡主要技術指標Table 1 Main performance indexes of medium energy telescope

基于模塊化設計的原則,根據資源約束條件與性能指標的要求,中能望遠鏡設計由3個中能探測器機箱和1個中能電控箱組成,3個中能探測器機箱均與中能電控箱相連,中能電控箱和衛星平臺相連。圖1為中能探測器機箱在HXMT衛星望遠鏡主支撐結構上的安裝示意。

圖1 中能探測器機箱安裝結構示意Fig.1 Schematic diagram of medium energy detector box assembly structure

按照功能劃分,每個中能探測器機箱包括準直器、探測器、前端電子學組件(包括前端讀出電子學、數據采集電路和高壓及接口電路)3個部分。準直器主要用于限定觀測視場,采用組合視場設計(1°×4°,4°×4°,以及全遮擋),可用于估計在軌觀測背景。探測器主要用于X射線光子的探測,可以實現在5～30 ke V能區低噪聲、高靈敏探測。因為Si-PIN探測器在5～30 keV能區觀測中具有能量分辨率高、線性好的優點,所以探測器采用Si-PIN陣列探測器技術方案。整個中能望遠鏡共包括1728通道靈敏面積為56.25 mm2、厚度為1 mm的Si-PIN探測器單體。前端電子學組件主要用于探測器輸出信號的收集、放大、數字化并傳輸,采用ASIC技術來實現讀出電路的低功耗、低噪聲設計。

中能電控箱包括數管電路和二次電源及遙測量感知電路。數管電路負責與衛星平臺通信,完成中能探測器機箱與衛星平臺之間的數據交換和控制。二次電源使用2組完全相同的電源模塊,互為冷備份,為數管電路提供＋5.9 V電源,并為中能探測器機箱提供所需電源。二次電源的設計,除了要滿足輸出功率的要求,還要綜合考慮輸入保護、抗干擾、浪涌抑制、噪聲控制等其他重要因素的影響。中能電控箱需要產生二次電源的電壓遙測信號,以及一次電源的電壓、電流遙測信號,主要用于判斷系統的功能狀態。

中能望遠鏡具體功能框圖見圖2。

圖2 中能望遠鏡功能框圖Fig.2 Functional block diagram of medium energy telescope

中能望遠鏡的探測原理為:X射線光子入射到Si-PIN探測器基體內,與探測器硅介質發生相互作用(主要為光電效應、康普頓效應),X射線光子損失全部或者部分能量。該作用過程產生的攜帶入射光子能量的次級電子在探測器基體發生電離效應,生成空間電荷(即電子-空穴對)。在Si-PIN探測器兩極間外加偏置高壓170 V,在探測器基體內部形成電場。入射X射線光子與探測器作用產生的電荷,在空間電場的作用下被收集到探測器的電極上。入射X射線光子的能量正比于產生的電荷量,因此通過獲得探測器電極收集到的電荷量信息,就可以得到入射X射線光子的能量及時間信息。

中能望遠鏡設計主要包括的關鍵技術為:①Si-PIN探測器技術;②低噪聲、高靈敏ASIC技術;③高精度準直器技術。其中:ASIC技術為采購國外商業化芯片,在國內完成封裝與可靠性篩選;Si-PIN探測器技術與高精度準直器加工技術均在國內完成。

1.1 Si-PIN探測器技術

Si-PIN探測器是一種高性能的以半導體材料硅為探測器基體的X射線探測器。它采用注植工藝在探測器基體內部形成高阻的I層,構成P-I-N器件結構[2-7]。相比面壘型探測器,Si-PIN探測器基體漏電流可以達到皮安量級,匹配讀出電子學后具有更高的能量分辨率。采用表面鈍化及保護環技術后,Si-PIN探測器表面狀態更穩定,而且表面漏電流也降低到皮安量級(低溫環境－20℃左右),因此具有更穩定的性能。圖3為中能望遠鏡Si-PIN探測器抽測的低溫漏電流結果,在－20℃環境和探測器兩極外加180 V偏壓情況下,像素漏電流達到約7 p A[9]。

圖3 中能望遠鏡Si-PIN探測器像元漏電流測試結果Fig.3 Leakage current test results of Si-PIN detector in medium energy telescope

按照物理設計的需求,中能望遠鏡在巡天及定點觀測中要達到與高能望遠鏡近似的通量,探測面積要大于900 cm2。單個像素Si-PIN探測器的面積與其耗盡電壓時的結電容成正比,而結電容與電荷靈敏前置放大器的噪聲成正比[8]。為保證中能望遠鏡的能量分辨率,并考慮探測器讀出電子學復雜度,根據單路探測器的試驗,探測器像素面積設計為50.00 mm2左右。實際設計像素面積考慮陣列設計的結構優化,確定為56.25 mm2(12.5 mm×4.5 mm)。

綜合考慮物理設計中對靈敏面積的要求,結合中能望遠鏡在衛星中的資源條件限制,在探測器研制過程成品率估計的約束條件下,選擇2個像素做在同一個硅芯片上(稱為“雙像素單元”),以有效減小死區,其機械尺寸為14.50 mm×11.01 mm×1.00 mm。同時將2個“雙像素單元”探測器封裝在一個陶瓷外殼內,形成中能望遠鏡探測器的最終設計方案,如圖4所示。

圖4 中能望遠鏡探測器設計方案Fig.4 Design scheme of medium energy telescope detector

1.2 低噪聲、高靈敏ASIC技術

中能望遠鏡的探測器總共由1728通道的多像元Si-PIN探測單元構成。電子學采用ASIC技術完成設計與研制。日本“朱雀”(Suzaku)衛星的高能X射線望遠鏡(HXD)采用了與HXMT衛星中能望遠鏡相同的Si-PIN探測器技術,而由于采用分立器件的讀出電子學,受系統功耗限制和電子學系統復雜度的影響,只能增加探測器的靈敏面積來減少電子學通道數,其Si-PIN探測器的定型像素尺寸為21.5 mm×21.5 mm,是HXMT衛星中能望遠鏡Si-PIN探測器靈敏面積的8.2倍,探測器的結電容是HXMT衛星中能望遠鏡的4倍。通過在軌觀測數據分析,Suzaku衛星的HXD在軌能量分辨率為FWHM 4 ke V左右(在59.5 ke V時),探測能區的下限只能到12 keV[10-11]。HXMT衛星中能望遠鏡的讀出電子學設計,基于ASIC技術,具有低功耗、高集成優點,單通道的功耗在35 mW左右(包括前級場效應管),因此在保證整個中能望遠鏡靈敏面積在900 cm2以上的前提下,仍然可以采用小像元Si-PIN探測器(56.25 mm2)的方案設計。在實際設計實施過程中,中能望遠鏡ASIC設計方案,還能同時兼顧可靠性(抗靜電設計、抗輻照設計等)和低噪聲性能要求。

1)讀出電子學設計

在中能望遠鏡中,每32個Si-PIN探測器像元組成1個探測器模塊。每個探測器模塊有32個探測器通道,由1片ASIC(VA 32TA6)完成所有通道信號的讀取、放大及模數轉化。每6片ASIC共用1套數據采集系統,組成1個探測單元,由FPGA實現其邏輯控制,如圖5所示。每3個探測單元在1個中能探測器機箱內,因此整個中能望遠鏡包括3個中能探測器機箱,9個探測單元,54個探測模塊。

圖5 中能探測器機箱電子學功能框圖Fig.5 Electronics functional block diagram of medium energy detector box

2)低噪聲設計與實現

中能望遠鏡的能量分辨率指標要求為FWHM 3 ke V(在17.8 ke V時),優于國際同類儀器FWHM 4 ke V(在59.5 ke V時)的性能指標,在設計中對輸入等效噪聲的指標進行分析。Si-PIN探測器平均電離能為3.6 eV,能量探測范圍5～30 keV對應的等效信號幅度為170～1000μV。能量分辨率FWHM 3 ke V,等效ASIC輸入端耦合電容前的等效噪聲小于100μV。考慮到該噪聲包含了探測器部分噪聲及探測器與ASIC匹配參數的影響,實際要求ASIC讀出電子學的等效輸入噪聲要小于50μV。

中能望遠鏡前端電路的信號特征和噪聲指標要求,決定了其對噪聲的敏感性。探測器需要的±5.6 V,高壓、系統級的接地設計及ASIC工作電壓上的濾波,都會對中能望遠鏡的性能指標產生影響。因此,中能望遠鏡電子學中關鍵供電電源的紋波全部在5 m V以下;而且采用數字地、模擬地分開,單點接地的方式,達到了低噪聲設計要求。中能望遠鏡能量分辨率達到FWHM 2.8 ke V(在17.8 ke V時),時間分辨率達到256μs,可以滿足HXMT衛星的科學觀測應用需求。

1.3 高精度準直器技術

中能望遠鏡準直器采用了組合視場的設計方案,通過后期的數據處理可以有效減小在軌觀測的背景影響,其中全遮擋視場的設計可以估計在軌觀測的粒子背景。準直器視場分別為1°×4°、4°×4°和全遮擋3種,不同視場的準直孔在整個中能探測器機箱中的分布如圖6所示。其中:1°×4°為15組,4°×4°為2組,全遮擋為1組。

圖6 準直器視場分布Fig.6 Layout of collimator field of view

1)鉭片對插設計

根據物理需求分析,中能準直器的占空比不小于90%,鉭片平行度不大于1′,同時根據HXMT衛星資源限制,單機準直器質量不大于9 kg,且整體準直器模塊安裝后要滿足衛星力學環境的約束要求。根據以上設計約束,可供選擇的準直器方案包括平行鉭片方案、弓形鉭片方案和鉭片對插方案3種。

傳統的平行鉭片方案,是通過安裝外框的加工切槽并用平行鉭片插入的方式構建準直柵格。根據中能望遠鏡的物理設計占空比和平行度的要求,平行鉭片方案設計的準直器高度和質量均比對插鉭片方案設計的增加1倍以上。弓形鉭片方案的設計思路,是將薄鉭片先行按照準直器柵格的要求,通過模具先行加工成型,再按照平行鉭片方案插入外框插槽,見圖7。該方案在占空比和資源限制方面可以滿足中能望遠鏡的需要,但存在模塊加工完成后鉭片回彈的問題,容易變形,因此很難滿足HXMT衛星環境適應性要求,其精度也無法保證。鉭片對插方案的設計思路為:在安裝外框的四面切槽,將鉭片中間切槽,在安裝外框將鉭片垂直對插后,通過激光點焊的方式固定,最后通過點膠工藝進行固化,形成最終產品。圖8為鉭片柵格單元全部裝入鋁框后的效果。

圖7 弓形鉭片示意Fig.7 Schematic diagram of bow shaped tantalum

圖8 鉭片柵格單元全部裝入鋁框后的效果Fig.8 Overall layout of all tantalum plates loaded into aluminum frame

2)準直器結構

準直器采用鋁合金外框配合內部對插鉭片的設計方案。由于機箱上部探測器陣列的總面積較大,為了保證準直器的加工成品率,將準直器分成3個模塊,即2塊準直器側塊和1塊準直器中塊。準直器設計總高度為69 mm,上下各設計0.5 mm的凹面,用于保護準直器內部鉭片結構。圖9為準直器剖面。

圖9 準直器剖面Fig.9 Cutaway drawing of collimator

針對資源約束下準直器69 mm高度的限制,準直器柵格準直孔大小為1.17 mm×4.68 mm。根據占空比設計的要求,鉭片的厚度設計為0.07 mm。準直孔完全由鉭片構成,在滿足物理設計需要的準直器占空比(90%以上)要求的同時,還降低了機械加工的難度,保證了準直器的抗力學特性。

2 在軌運行情況

中能望遠鏡在軌運行1年多,從遙測參數的結果(見圖10)分析,探測器機箱(主)總電壓和分到各探測器機箱電壓的遙測值變化幅度均在±0.1 V,電壓穩定,相應的電流監測量變化幅度也在正常允許范圍之內,因此中能望遠鏡設計合理,功能正常。

通過相同像素的在軌數據與地面標定數據分析與比對,可以發現:在軌觀測的中能望遠鏡能量分辨率為FWHM 2.8 keV(在17.8 keV時),與地面標定時的結果完全一致(見圖11)。能量分辨率指標達到預期結果,可以滿足科學分析所需要的儀器指標要求。

圖10 中能望遠鏡在軌遙測電壓和電流結果Fig.10 Voltage and current telemetry results of medium energy telescope in orbit

圖11 中能望遠鏡在軌運行1年后帶標定源(Am-241)測試能譜與地面標定時能譜對比Fig.11 Am-241 source spectrum after one year in-orbit operation compared with ground calibration of medium energy telescope

分析中能望遠鏡的到達時間間隔譜(如圖12所示)可知:到達時間間隔譜中各探測單元的到達時間間隔截止位置均在256μs左右,即系統的時間分辨率為256μs,遠優于物理需求分析對中能望遠鏡時間分辨率的指標要求(1 ms)。

圖12 中能望遠鏡各探測單元到達時間間隔譜Fig.12 Arrival time interval spectrums of all detection units in medium energy telescope

3 結束語

HXMT衛星中能望遠鏡以Si-PIN探測器與ASIC為主要技術方案,并利用高精度準直器技術保證其空間分辨率,在軌運行性能指標達到了工程任務的指標要求。目前,該望遠鏡已在軌正常工作1年多,各項功能性能指標穩定。中能望遠鏡設計中采用的Si-PIN探測器技術和低噪聲、高靈敏ASIC技術,以及高精度準直器技術,在后續類似空間項目及地面試驗應用方面都具有實際應用價值。

參考文獻(References)

[1]李惕碚,吳枚．空間硬X射線調制望遠鏡[J]．物理,2008,37(9):648-651 Li Tipei,Wu Mei．The hard X-ray modulation telescope mission[J]．Physics,2008,37(9):648-651(in Chinese)

[2]Cesareo R,Gigante G E,Castellano A．Thermoelectrically cooled semiconductor detectors for non-destructive analysis of works of art by means of energy dispersive X-ray fluorescence[J]．Nuclear Instrument&Methods in Physics Research A,1999,428(1):171-181

[3]Grybos P,Bialas W,Cabal A,et al．Characterization of silicon strip detectors with a binary readout chip for X-ray imaging[J]．Nuclear Instrument&Methods in Physics Research A,2000,454(1):214-220

[4]Kirkland J P,Jach T,Neiser R A,et al．PIN diode detectors for synchrotron X-rays[J]．Nuclear Instrument&Methods in Physics Research A,1988,266(1):602-607

[5]Mali T,Cindro V,Mikuz M．Silicon microstrip detectors for digital mammography—evaluation and spatial resolution study[J]．Nuclear Instrument&Methods in Physics Research A,2001,460(1):76-80

[6]Murty V R K,Devan K R S．On the suitability of Peltier cooled Si-PIN detectors in transmission experiments[J]．Radiation Physics&Chemistry,2001,61(3):495-496

[7]Pavel N A．2002．Particle detectors for biomedical applications－demands and trends[J]．Nuclear Instrument&Methods in Physics Research A,2002,478(1):1-12

[8]曹學蕾,王煥玉,張承模,等．偏置電壓對Si-PIN探測器的性能影響[J]．核電子學與探測技術,2006,26(6):796-800 Cao Xuelei,Wang Huanyu,Zhang Chengmo,et al．Effect of the reverse voltage to the Si-PIN detector[J]．Nuclear Electronics&Detection Technology,2006,26(6):796-800(in Chinese)

[9]曹學蕾,姜維春,張萬昌,等．HXMT中能X射線望遠鏡[J]．現代物理知識,2016,(4):17-24 Cao Xuelei,Jiang Weichun,Zhang Wanchang,et al．Medium energy X-ray telsescope onboard HXMT[J]．Modern Physics,2016(4):17-24(in Chinese)

[10]T Takahashi,K Abe,M Endo,et al．Hard X-ray detector(HXD)on board Suzaku[J]．Publications of the Astronomical Society of Japan,2007,59(1):35-51

[11]Y Fukazawa,T Mizuno,S Watanabe,et al．Modeling and reproducibility of Suzaku HXD PIN/GSO background[J]．Publications of the Astronomical Society of Japan,2009,61(sp1):17-33