TEROS：雷暴高能輻射觀測系統的設計與實現

張雄， 鄭毅， 曹保鋒， 張爽， 李鵬， 李小強

國民核生化災害防護國家重點實驗室， 北京 102205

0 引言

雷暴高能輻射(Thunderstorm Energetic Radiations，TERs)是指源自雷暴，能量可達數十MeV的X/γ射線(由于歷史原因，在TERs研究領域，一般將1 MeV以下的光子稱為X射線，把1 MeV以上的光子稱為γ射線)，因與閃電始發過程的潛在聯系而日益受到關注(Dwyer and Uman, 2014)，是近年來興起的前沿交叉領域——高能大氣物理(High Energy Atmospheric Physics，HEAP)(Dwyer et al., 2012a)的主要研究對象.TERs的持續時間跨度很大，包括長達數十分鐘的γ射線輝光(Wada et al., 2019a)，也稱為雷暴地面增強(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；郄秀書和王俊芳，2010)；以及由多個微秒量級爆發組成的X射線暴(Dwyer et al., 2003).雖然相對論逃逸電子雪崩(Relativistic Runaway Electron Avalanche，RREA)(Gurevich et al., 1992)已被普遍接受是產生TERs的基本物理過程，但目前還不清楚各類TERs具體的產生機制以及相互之間的聯系和區別，也不清楚TERs在雷暴或閃電發展中是否發揮了作用.其中的一個重要制約因素是TERs觀測事例少，輻射特性還不明確.

由于TERs發生的不確定性和空氣對光子強烈的吸收衰減，早期的TERs事例大多來自于觀測高能γ射線的大科學裝置.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)等具有較大觀測視角的天基平臺，報道了絕大部分的高瞬時強度TGFs；而天山宇宙線觀測站(Gurevich et al., 2018)、羊八井宇宙線觀測站(Tsuchiya et al., 2012)、ASEC(Chilingarian et al., 2019)、HAWC(Bowers et al., 2019)等具有較大探測面積的高海拔地基平臺，則報道了大量的低強度γ射線輝光.國內的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觀測納入科學任務.但由于核心科學目標的不同，上述裝置在探測能力、觸發機制、數據采集模式等方面的設計上與TERs觀測需求并不完全一致，且無法對雷暴/閃電多發地區進行針對性觀測.

2018年，首個TGFs多波段同步觀測天基載荷ASIM(Neubert et al., 2019)成功發射，憑借其時間分辨快、探測面積大的優勢發現了TGFs在時間分布上的亞結構，并將測量到的TGFs平均持續時間縮短到50 μs以內(?stgaard et al., 2019)，證實了TGFs產生于先導發展階段(Neubert et al., 2020)，開啟了TGFs觀測的新紀元.其他在軌(法國的TARANIS(Sarria et al., 2017)于2020年11月17日發射失敗)或規劃的專用衛星/載荷還包括Vernov/RELEC(Panasyuk et al., 2016)、Lomonosov(Svertilov et al., 2018)、RAAD(Roberts et al., 2019)等單星項目，以及TYRAD(Fogle and Wersinger, 2017)、CAMELOT(Werner et al., 2018)、Universat-SOCRAT(Panasyuk et al., 2019)等多星組網項目.但天基觀測距離遠，捕捉到的事例偏向于強爆發事件，源區光子經長距離輸運后發生時間色散，能譜成分也發生較大變化，特別是低能部分無法到達觀測軌道，難以準確反演源區輻射特性(Lindanger et al., 2021).空基觀測距離輻射源區近，能夠捕獲低強度TERs，但易受天氣影響，觀測難度大.目前僅有ADELE觀測到1次TGF(Smith et al., 2011)和1次與TGF有關的反向光子束(Bowers et al., 2018)，ILDAS(Kochkin et al., 2015)和ALOFT(Kochkin et al., 2021)報道了少量的γ射線輝光，其余則未見有正式報道的觀測結果(Bagheri, 2019；Helmerich et al., 2019；Ringuette, 2014).

相較空天基觀測，針對雷暴/閃電多發地區特別是人工觸發閃電的地基觀測具有部署維護方便、成本低廉的優勢，且距離源區近、閃電發生頻率相對較高，能夠兼顧不同類別TERs事件，并可同步開展精細的雷暴/閃電多物理效應綜合觀測(Hettiarachchi et al., 2018；Saba et al., 2019；Tran et al., 2019；Urbani et al., 2021)，是TERs觀測的重要途徑.如依托美國ICLRT建設的探測陣列TERA(Hare et al., 2016；Saleh et al., 2009)先后報道了首個與人工觸發閃電有關的X射線暴(Dwyer et al., 2003)和TGF(Dwyer et al., 2004a)，以及首個與自然地閃有關的TGF(Dwyer et al., 2012b).TERA以NaI(Tl)閃爍體為核心探測器，其主要特點是連續采集探測器輸出信號，這對于短時高強度事件信息的解析十分重要.但TERA采用模擬信號傳輸數據，容易受環境影響，擴展性相對較差，且不具備γ射線輝光觀測能力.而面向日本冬季雷暴應用的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間信息，結合模塊化探測單元的廣泛部署，有效實現了弱TERs的檢出，但其無法給出連續時域波形，且使用的BGO探測器能量分辨較差.采用類似設計的還有GODOT(Bowers et al., 2017)和TETRA(Ringuette et al., 2013)/TETRA-II(Pleshinger et al., 2019).

目前國內針對TERs的研究較少且主要集中在相關閃電數據分析(Lu et al., 2019；Zhang et al., 2020, 2021)，尤其缺乏專門的輻射探測手段.自2016年以來，國民核生化災害防護國家重點實驗室持續開展TERs地面觀測(Li et al., 2017)，利用單個閃爍體探測器成功捕獲到人工觸發閃電高能輻射(李小強等，2019)和自然閃電高能輻射(李小強等，2018a)，但其測量能量上限較低，且缺少準確的時間信息，無法與其他閃電觀測數據進行精細比對.本文在前期原理裝置(李小強等，2018b)基礎上，綜合考慮觀測的可行性、事件的檢出率以及經濟成本，瞄準人工觸發閃電試驗環境，以X射線暴和TGFs等短爆發事件為主要觀測對象，兼顧γ射線輝光觀測，設計了一套基于雙通道閃爍體探測器的寬量程、分布式雷暴高能輻射觀測系統(Thunderstorm Energetic Radiation Observation System，TEROS)，利用NaI(Tl)探測器建立了國內首個分布式觀測系統，成功應用于2021年夏季人工引雷試驗，證明了TEROS具有良好的TERs觀測能力，可為TERs研究提供科學數據資料.

1 系統總體設計

TEROS的核心科學目標是捕獲TERs，并給出X/γ射線的強度、能譜、時間譜以及事件發生的準確時刻，其本質上是一個輻射探測系統.綜合考慮能量/時間分辨能力和有效探測面積，輻射探測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能力，TEROS設計為如圖1所示的分布式系統，包括1個遠程終端單元(Remote Terminal Unit，RTU)和布置在不同觀測點的若干個高能輻射探測單元(Energetic Radiation Detection Unit，ERDU)，RTU和ERDU之間通過光纖連接.

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

RTU由光電轉換模塊和集中管理計算機組成，并部署有集中管理軟件，負責系統控制、參數設置和數據管理等；ERDU是探測X/γ射線的基本單元，能夠相對獨立地完成觀測數據的采集、處理與上傳，具有測量能量范圍寬、抗干擾能力強、易部署、易組網等特點.

2 高能輻射探測單元

為實現寬量程測量，ERDU設計了2個具有不同增益的探測通道.雙通道數據還可用于TERs的離線符合確認，從而排除誤觸發.如圖2所示，ERDU包括2個閃爍體/PMT、2個分壓器/前置放大器、1個基于FPGA的高速數據采集模塊、1個高精度GPS模塊(含天線)、1個供電模塊和1個電磁屏蔽箱.除GPS天線外，整個ERDU均放置在電磁屏蔽箱內以降低雷暴環境的電磁輻射干擾，屏蔽箱尺寸為0.5 m×0.4 m×0.4 m.X/γ射線在閃爍體內沉積能量并激發出閃爍光，由PMT轉換為電信號，經前置放大器放大成形送入高速數據采集模塊，完成輻射脈沖信號的處理和數字化采集分析后，連同相應的GPS時間和位置信息一并上傳至RTU，用于后續物理分析.GPS模塊為HJ5442-V1型GPS同步時鐘，授時精度優于30 ns；供電模塊為24 V鋰電池.ERDU的主要技術指標列于表1.

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

表1 ERDU主要技術指標Table 1 Technical indicators of ERDU

2.1 閃爍體/PMT

TEROS主要配備的是直徑和長度均為7.6 cm的NaI(Tl)(簡稱為NaI(Tl)-D3)，此外可兼容直徑為4.5 cm、長度為5.1 cm的CeBr3(簡稱為CeBr3)和5 cm×10 cm×40 cm的NaI(Tl) (簡稱為NaI(Tl)-2L).表2列出了NaI(Tl)和CeBr3兩種閃爍體的主要參數，圖3展示了3種不同的探測器，圖4是仿真計算得到的3種探測器對不同能量垂直入射光子的有效探測面積.NaI(Tl)-D3成本低，適用于大范圍組網觀測；CeBr3時間響應快、能量分辨優，適用于近距離精細化觀測；NaI(Tl)-2L探測面積大，可作為遠距離觀測自然閃電的有效補充.通過調整PMT的工作高壓改變信號增益，可以實現不同的測量能量上限(詳見第4節).

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

圖3 3種探測器實物圖Fig.3 Photos of three detectors

圖4 3種閃爍體的有效探測面積計算值(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提供相應的級間工作電壓，供電方式為陰極接地、陽極接正高壓，通過對最后三級分壓電阻并聯去耦合電容，以抑制電壓突變.前置放大器采用電荷靈敏方式，以保證輸出信號幅度與探測器內沉積能量成正比.分壓器/前置放大器如圖5所示.

2.3 高速數據采集模塊

高速數據采集模塊(圖6)由模擬信號調理電路、高速ADC電路、FPGA以及電源電路組成，負責信號的處理、采集、上傳，以及ERDU各模塊的電源控制.

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

圖6 高速數據采集模塊實物圖Fig.6 Photo of high-speed data acquisition module

模擬信號調理電路將前置放大器輸出的指數脈沖波形調理為正極性近高斯波形，電壓幅值為0～2 V.如圖7所示，對于衰減時間約為230 ns的NaI(Tl)，調理后的典型輸出信號寬度約2 μs，而衰減時間較小的CeBr3典型輸出脈寬約0.5 μs.高速ADC負責脈沖波形的數字化采集，選用AD9245BCPZ-80，最高采樣率為80 MHz，可向下調整，采樣精度為14 bit.電源電路負責為高速數據采集模塊、GPS模塊以及前置放大器提供工作電壓，并通過分壓器向PMT提供正高壓.FPGA根據設置的參數和觀測模式，完成事件判別以及數據的采集和上傳.

圖7 NaI(Tl)-D3/PMT與CeBr3/PMT實測的 662 keV脈沖Fig.7 662 keV pluses measured by NaI(Tl)-D3/PMT and CeBr3/PMT

3 觀測模式設計

考慮到不同TERs的輻射強度和持續時間差異較大，對數據的采集需求也有所區別，設計了針對短爆發事件和γ射線輝光的2種觀測模式.

圖8 實測脈沖堆積Fig.8 Measured pulses pile-up

3.1 短爆發事件觀測模式

短爆發事件具有較大的瞬時強度，容易引起如圖8所示的脈沖堆積，需要采集完整時域波形用于輻射信息的準確解析.為降低連續觀測下的高速數據采集對系統存儲和數據傳輸的要求，同時避免因堆積引起的脈沖計數不準確而造成漏觸發，TEROS基于放射性本底的統計漲落規律和過閾值采樣點數量在線識別短爆發事件(李小強等，2018b).在較短時間窗內，本底放射性可認為服從泊松分布，那么在該給定時間窗內，由期望為M的本底引起計數值>N的概率P為

NaI(Tl)-D3的本底計數率約為200 cps，假設短爆發事件觸發時間窗為500 μs，由上式計算可得：當N=4時，因本底引起的觸發約為13.25次/天；當N=5時，本底觸發約為0.22次/天.在實際應用過程中，使用N×(典型脈沖采樣點數量)作為觸發判別參數.如NaI(Tl)-D3的典型脈寬為2 μs，當采樣率為20 MHz時，典型脈沖采樣點數量為40，相應的觸發閾值為40N.

在短爆發事件觀測模式下，各ERDU相對獨立運行，實時進行觸發判別且互不觸發，而ERDU內部的兩個通道相互觸發，觸發后上傳的數據包括連續時域波形、觸發時間和觀測點位置.

3.2 γ射線輝光觀測模式

γ射線輝光強度相對較低且觀測持續時間長，可直接采集信號幅度(能量)和時間信息而無需采集連續時域波形.在γ射線輝光觀測模式下，各個ERDU每秒鐘向RTU上傳一個能譜數據文件，包括2個通道的1024道累積能譜和時間信息.通過對累積能譜數據差分處理，可以給出每10 s(或任意時間間隔)計數的變化.當某一時間段內的計數值顯著超過本底統計漲落(如5σ)，則認為發生一次γ射線輝光，相應的能譜數據和時間信息可用于后續分析.圖9給出了NaI(Tl)-D3/PMT和CeBr3/PMT實測的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實測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及測試實驗

4.1 4站TEROS及測試實驗概述

2021年夏季，研究團隊在中國氣象局雷電野外科學試驗基地(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)，利用人工引雷試驗重點對其短爆發事件觀測能力進行了驗證.4個ERDU圍繞2個引雷點布置，并從ERDU-1至ERDU-4依次編號.探測器均選用NaI(Tl)-D3/PMT，觸發時間窗為500 μs，采樣率為20 MHz，觸發閾值為160.圖11展示了電磁屏蔽箱和ERDU內部組成.

4.2 能量刻度

NaI(Tl)探測器能量線性好，一般采用線性或二項式擬合能量與道址的關系.對每個探測器設定3種不同的PMT工作高壓，以實現低(測量上限～3 MeV)、中(測量上限～10 MeV)、高(測量上限～20 MeV)3種不同的測量上限(圖12)，利用137Cs、60Co和40K完成了全部8個探測器的24組能量刻度.其中，中、高能段使用線性擬合，低能段則使用二項式擬合，以提高擬合精度.在實際應用中，可結合具體情況靈活調整兩個通道的工作能段，以提高觀測數據的可用性.

4.3 抗干擾能力測試

為評估雷暴復雜環境對TEROS的影響，設計了1次抗干擾能力測試試驗.在引雷前，拆除了距離引雷點最近(水平間距為16 m)的ERDU-3的2號通道NaI(Tl)閃爍體，保留了除晶體外的全部電子學系統，并使其保持在正常工作狀態.如圖13所示，在測試試驗期間，該通道未記錄到任何信號，而其他7個通道均有顯著的人工觸發閃電高能輻射信號，表明TEROS可在雷暴復雜環境下可靠運行，具有良好的抗干擾能力.

4.4 短爆發事件觀測能力測試

2021年夏季共成功觸發閃電5次，涉及先導/回擊過程22次，經與CMA_FEBLS提供的通道基電流數據比對，TEROS在其中17次過程中檢測到短爆發事件，匹配率達到77.3%.這與基于回擊電流觸發的TERA報道的73%(Dwyer et al., 2004b)相當.如圖14所示，TEROS在1次人工觸發閃電的全部5次先導/回擊過程中均捕獲到TERs.此外，TEROS還觀測到3次自然閃電高能輻射，并首次獲得了多站同步數據.

由于觀測點距引雷點相對較近，容易引起輸出信號飽和.如圖15所示，1通道因測量上限低，出現了大量的連續飽和脈沖，而中量程的2通道則采集到完整波形數據，并較好地識別出堆積脈沖，系統觀測能力較單通道顯著提升，數據可用性增強.

圖10 TEROS在CMA_FEBLS的現場布局圖Fig.10 Layout of TEROS at CMA_FEBLS

圖11 ERDU實物圖(a) 電磁屏蔽箱; (b) 電磁屏蔽箱內部.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 抗干擾能力測試結果 從上到下依次為：距引雷點水平間距為61、93、16和82 m的ERDU數據.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 人工觸發閃電過程的通道基電流和TEROS觀測數據 從上到下依次為：通道基電流，以及距引雷點水平間距為100、92、31和18 m的ERDU數據.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 結論

針對TERs觀測需求，本文設計并實現了國內首個分布式雷暴高能輻射觀測系統.該系統具有抗干擾能力強、穩定性好、易部署、易擴展等特點，便于開展大范圍組網觀測并為約束TERs幾何分布提供了可能；可通過雙通道靈活配置量程，測量上限不低于10 MeV；實現了面向不同時間尺度TERs的2種觀測模式.經與通道基電流數據比對，利用NaI(Tl)閃爍體探測器建立的4站TEROS觀測系統，在全部22次人工觸發閃電的先導/回擊過程中捕獲到17次TERs事件，探測率為77.3%.此外，還首次獲得了自然閃電高能輻射的多站同步數據.試驗結果證明TEROS在復雜電磁環境下，具備良好的TERs觀測能力和運行穩定性.后續將進一步優化擴展TEROS，建立涵蓋基于CeBr3的近場精細化觀測和基于NaI(Tl)-2L的高建筑物觀測的雷暴高能輻射地基觀測網絡，結合雷暴/閃電多物理效應觀測和仿真計算，探索TERs的物理本質及其與雷暴/閃電的內在聯系，推動高能大氣物理領域試驗與理論研究的發展.

致謝感謝中國氣象科學研究院和中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所在人工引雷試驗過程中提供的幫助和支持，感謝審稿專家的寶貴建議.

圖15 單個ERDU觀測到的1次短爆發事件Fig.15 A short-burst event observed by single ERDU