施偉紅，何正文，陳鴻飛，于向前，鄒 鴻，鄒積清

（1.北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院 空間物理與應(yīng)用技術(shù)研究所，北京 100871；2.北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

0 引言

空間粒子輻射監(jiān)測器用于監(jiān)測航天器內(nèi)部的高能電子和質(zhì)子的輻射通量，已作為“資源一號”衛(wèi)星環(huán)境分系統(tǒng)載荷交付使用。該設(shè)備通用性強，可以廣泛應(yīng)用于空間探測、空間實驗室等項目。

在設(shè)備研制、調(diào)試、驗收及整星聯(lián)合測試過程中，需要有信號源來模擬空間高能粒子產(chǎn)生的電信號，以檢測設(shè)備的電性能和功能。空間粒子輻射監(jiān)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(chǎn)車間、環(huán)境實驗室、整星測試站及靶場等多個場地間輾轉(zhuǎn)使用；而從美國進(jìn)口的ORTEC模擬信號源只有1路輸出，不符合使用要求，且設(shè)備體積大、較笨重，使用不便。為此，作者針對空間粒子輻射監(jiān)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(yōu)異。下面對該模擬信號源進(jìn)行介紹。

1 問題分析

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

空間粒子輻射監(jiān)測器由1個電子測量通道和2個質(zhì)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(zhì)子1（5～30 MeV，30～60 MeV），高能質(zhì)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(yīng)于設(shè)備的3個獨立測量通道；需要提供準(zhǔn)確頻率的脈沖信號以測試設(shè)備的計數(shù)率；需要有反質(zhì)子信號功能，以測試設(shè)備的反質(zhì)子污染功能。即該模擬信號源設(shè)計應(yīng)達(dá)到如下目標(biāo)：

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

2 模擬信號源設(shè)計

2.1 用電信號模擬入射粒子能量的原理

根據(jù)第1部分提出的設(shè)計目標(biāo)，模擬信號源的設(shè)計原理和方案如下。

在空間高能粒子探測中，常使用半導(dǎo)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(gòu)成P-I-N結(jié)[1]。北京大學(xué)微電子研究所通過多年研究，采用先進(jìn)的半導(dǎo)體微機械工藝，研制出離子注入型探測器[2]。當(dāng)粒子入射到半導(dǎo)體探測器時，入射粒子與硅原子發(fā)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(chǎn)生很多的電子-空穴對，在探測器內(nèi)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(yīng)電荷[4]。感應(yīng)電荷被讀出電路收集并放大，變?yōu)榭梢詼y量的電信號。模擬信號源根據(jù)粒子在半導(dǎo)體探測器中產(chǎn)生信號這一特性，模擬入射粒子在探測器中產(chǎn)生的電信號。

空間粒子輻射探測器由半導(dǎo)體探頭及其讀出電路、高壓單元（HVU）、信號處理單元和數(shù)據(jù)處理單元[5]4部分組成。為配合測試，在讀出電路前端，設(shè)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(dāng)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(yuǎn)小于Cd的電容值，所以模擬信號產(chǎn)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(nèi)產(chǎn)生電子和空穴，電子-空穴對的運動在探測器兩端產(chǎn)生感應(yīng)電荷，產(chǎn)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(jù)標(biāo)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(guān)系。根據(jù)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(guān)系，可以得到模擬信號源的輸出信號電壓幅度所對應(yīng)的入射粒子能量。

2.2 設(shè)計方案

模擬信號源由脈沖信號發(fā)生器、脈沖整形電路、驅(qū)動放大器、穩(wěn)壓電源和電池組等部分組成。其設(shè)計方案原理如圖2所示。

為將脈沖方波調(diào)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(chǎn)生的電信號，在脈沖信號發(fā)生電路后設(shè)置脈沖整形電路。

將模擬信號源由外部供電改為內(nèi)部電池供電，使用3節(jié)5號干電池，供電電壓為直流4.5 V，由穩(wěn)壓電源穩(wěn)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(shè)備間通過電源線的干擾。由于信號源功耗很小，3節(jié)電池可以支持較長時間的試驗需要。

根據(jù)空間粒子輻射監(jiān)測器的幾何因子、電路響應(yīng)時間，將模擬信號源的輸出信號頻率設(shè)定為2 kHz。

在使用中可以通過旋鈕調(diào)節(jié)各路輸出信號的幅度，最大幅度依據(jù)探測器的標(biāo)定結(jié)果設(shè)定。在鋸齒形波產(chǎn)生之后，設(shè)置信號放大電路，使輸出的鋸齒形信號在負(fù)載為51 Ω的條件下，能夠驅(qū)動空間粒子輻射監(jiān)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(shè)計實施情況

根據(jù)以上設(shè)計完成的模擬信號源，其電性能和功能達(dá)到設(shè)計要求，實際指標(biāo)如表1所示。

表1 模擬信號源電性能指標(biāo)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(guān)；左邊為3個調(diào)節(jié)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(guān)

PW開關(guān)：控制電源供電，設(shè)備不使用時需要關(guān)閉開關(guān)，避免電池過放電。

Se 開關(guān)：控制電子通道的模擬信號輸出，在使用放射源時需要關(guān)閉。

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

2）3個調(diào)節(jié)旋鈕

Ve 旋鈕：調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)質(zhì)子1通道的模擬信號強度，可以等效為5～60 MeV之間入射質(zhì)子的能量，即強度越大，等效入射質(zhì)子能量越低。

Vp2旋鈕：調(diào)節(jié)質(zhì)子2通道的模擬信號強度，可以等效為60～300 MeV之間入射質(zhì)子的能量，即強度越大，等效入射質(zhì)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(jìn)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?？梢娮灾颇M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(jié)束語

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

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[4]童詩白, 華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[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(shè)計[J].核電子學(xué)與探測技術(shù), 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(guān)源.電路[M].4 版.北京： 高等教育出版社, 1999： 10