文 星，劉江濤，劉 鑫，王瑞杰，師昊禮， 李 陸，孫建超，張 力，董永偉，吳伯冰

(1.中國科學(xué)院 高能物理研究所，北京 100049；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3.中國科學(xué)院 粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049)

伽馬射線暴(GRB)是宇宙空間中隨機(jī)出現(xiàn)、短時(shí)間內(nèi)γ射線輻射突然增強(qiáng)的一種爆發(fā)現(xiàn)象，每次爆發(fā)釋放的能量可達(dá)約1051ergs，甚至更高，堪稱宇宙中能量釋放最劇烈的事件[1-2]。該現(xiàn)象自1967年被Vela衛(wèi)星首次發(fā)現(xiàn)后，一直是高能天體物理研究的熱門領(lǐng)域。幾十年來，GRB的能譜特性[3]、時(shí)間特性[4]、偏振特性[5]及其理論模型[6]等均取得了一定的研究成果，但仍有一些尚待回答的問題，包括GRB爆發(fā)過程中噴流的成分、能量耗散機(jī)制、粒子加速機(jī)制等[7]，需探測(cè)性能更高的探測(cè)器對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)。空間多波段變?cè)幢O(jiān)視器(SVOM)衛(wèi)星是由中法兩國多個(gè)科研單位共同參與研制的一項(xiàng)國際合作項(xiàng)目，是專門探測(cè)GRB的天文衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道高度約630 km，傾角約為30°，預(yù)計(jì)2021年發(fā)射，在軌設(shè)計(jì)壽命為3 a。

伽馬射線監(jiān)視器(GRM)作為SVOM衛(wèi)星上的載荷之一[8]，能很好地完成硬X射線、軟伽馬射線的能譜觀測(cè)和GRB觸發(fā)功能。其主要科學(xué)目標(biāo)包括：1) 在衛(wèi)星壽命期內(nèi)，觀測(cè)各種類型的GRB；2) 對(duì)在視場(chǎng)內(nèi)的GRB進(jìn)行快速觸發(fā)；3) 在X射線到軟伽馬射線的波段范圍(15～5 000 keV)對(duì)GRB進(jìn)行T0-5 min～T0+10 min(T0為GRB觸發(fā)時(shí)刻)的連續(xù)觀測(cè)；4) 配合進(jìn)行引力波探測(cè)。

GRM包括伽馬射線探測(cè)器(GRD)、粒子監(jiān)測(cè)器(GPM)和電控箱(GEB)3種單機(jī)(設(shè)備)，其中GRD作為主探測(cè)器進(jìn)行X射線和軟伽馬射線的能譜觀測(cè)和GRB觸發(fā)，包含3個(gè)不同指向的探頭，采用碘化鈉(NaI)作為探測(cè)晶體。GRM在軌飛行中，由于磁場(chǎng)和溫度的變化及長(zhǎng)時(shí)間工作后電子線路的老化，均會(huì)引起系統(tǒng)增益的改變[9-11]，從而導(dǎo)致能譜測(cè)量的譜漂現(xiàn)象，因此需引入在軌標(biāo)定探測(cè)器(GCD)，用于GRD的在軌自動(dòng)增益控制。GCD安裝在探頭晶體表面，包含在GRD單機(jī)設(shè)備中。GCD的任務(wù)要求和設(shè)計(jì)指標(biāo)為：1) 完成對(duì)α粒子的有效探測(cè)，探測(cè)效率要求大于95%；2) 輸出飽和α信號(hào)作為GRD符合觸發(fā)源，且在軌溫變工況中飽和能譜的峰位漂移要求小于0.5 V。本文對(duì)GCD研制過程進(jìn)行介紹，并對(duì)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題加以驗(yàn)證及改進(jìn)。

1 工作原理及電路設(shè)計(jì)

1.1 GCD設(shè)計(jì)方案

探測(cè)器穩(wěn)定增益的基本原理是根據(jù)標(biāo)定譜峰位的變化，通過改變PMT高壓或電子學(xué)系統(tǒng)增益來實(shí)現(xiàn)譜儀增益的穩(wěn)定，其方法有多種，主要包括：1) 利用測(cè)量標(biāo)定放射源發(fā)出的單能X射線，獲得峰位信息再進(jìn)行穩(wěn)譜，如BeppoSAX衛(wèi)星上的PDS探測(cè)器[12]、RXTE上的HEXTE探測(cè)器[13]及HXMT上的高能探測(cè)器均使用241Am作為標(biāo)定源；2) 利用探測(cè)器自身本底的特征譜線，通過累積本底能譜得到特征譜線峰位信息再進(jìn)行穩(wěn)譜，如Fermi上的GBM探測(cè)器[14]；3) 利用LED光脈沖模擬單能X射線作為標(biāo)定源的方法等。

以上方法各有優(yōu)劣，選用本底事例中的特征峰作為標(biāo)定源通常需累積較長(zhǎng)時(shí)間(如GBM為90 min)才能達(dá)到滿足要求的精度，LED標(biāo)定源無法修正晶體本身發(fā)光性能引起的漂移，而選用放射源作為標(biāo)定源相對(duì)更為可靠，也是最常用的方法。GRM參考其他衛(wèi)星經(jīng)驗(yàn)，利用長(zhǎng)壽命的α-γ放射源241Am作為標(biāo)定源，其發(fā)生α衰變的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生59.5 keV的γ光子，通過兩種射線的同時(shí)性將標(biāo)定源的γ射線與被測(cè)天體源的區(qū)分開，并采用逐光子事例進(jìn)行增益調(diào)節(jié)。

在GCD設(shè)計(jì)中，將241Am嵌入桶形塑料閃爍體制作成鑲嵌源，由于受到探測(cè)方向限制，且γ光子在通過鋁制外殼吸收后光子數(shù)會(huì)減少，GRD能探測(cè)到的光子數(shù)可根據(jù)式(1)計(jì)算及Geant4程序模擬得到，再根據(jù)在軌增益調(diào)節(jié)頻率可得到標(biāo)定源活度下限。偶然符合(非241Am產(chǎn)生的γ光子的符合)會(huì)增加標(biāo)定系統(tǒng)的死時(shí)間并造成自動(dòng)增益的誤調(diào)節(jié)，為減少偶然符合，根據(jù)GCD對(duì)α粒子的實(shí)際探測(cè)效率(約96%)和符合電路的分辨時(shí)間(500 ns)，計(jì)算得到標(biāo)定源活度上限。通過計(jì)算后將241Am的活度定在100 Bq。根據(jù)GRM鑒定件產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果，該活度下能被GRD探測(cè)到的241Am產(chǎn)生的γ光子約為10 s-1，符合概率為5%～10%，偶然符合計(jì)數(shù)所占比例小于1%，可滿足增益調(diào)節(jié)需求。通過分析，在自動(dòng)增益控制系統(tǒng)的高壓調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為312.5 mV的條件下，若要在調(diào)節(jié)50 V的高壓范圍內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)譜，考慮到高壓模塊響應(yīng)時(shí)間、偶然符合導(dǎo)致的誤調(diào)節(jié)等因素，穩(wěn)譜時(shí)間約為17 s。

I=I0e-ud

(1)

其中：I為出射光子流強(qiáng)；I0為入射光子流強(qiáng)；u為吸收系數(shù)；d為經(jīng)過材料厚度。

GRM利用標(biāo)定源進(jìn)行自動(dòng)增益控制的過程為：標(biāo)定源中的α粒子(能量集中在5.48 MeV附近)與塑料閃爍體相互作用所激發(fā)的熒光被GCD中的SiPM探測(cè)到，通過光電轉(zhuǎn)換作用產(chǎn)生電信號(hào)并通過前端電子學(xué)放大讀出，同時(shí)主探測(cè)器GRD會(huì)對(duì)標(biāo)定源發(fā)出的γ光子進(jìn)行探測(cè)。利用二者的同時(shí)性，通過后端電子學(xué)的α-γ符合，將標(biāo)定源產(chǎn)生的γ事例從天體源的物理事例中挑選出，并標(biāo)記為標(biāo)定事例。將標(biāo)定事例中能譜峰位對(duì)應(yīng)的道址與59.5 keV對(duì)應(yīng)的道址進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)高壓來控制系統(tǒng)增益。根據(jù)GRM鑒定件產(chǎn)品的測(cè)試結(jié)果，GRD對(duì)59.5 keV能量點(diǎn)的分辨率約為14%。因此，對(duì)鑲嵌源發(fā)出的α粒子的有效探測(cè)是GCD的主要任務(wù)。

1.2 SiPM偏壓補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

SiPM由工作在蓋革模式的二極管陣列組成，工作時(shí)加入一大于擊穿電壓VBD的反向偏壓Vbias，超過擊穿電壓的部分稱為過壓，即ΔV=VBD-Vbias。GCD選用的SiPM型號(hào)為Sensl公司生產(chǎn)的MicroFC-30035-SMT，其有效探測(cè)面積為3 mm×3 mm，工作偏壓為25～30 V，光敏峰值波長(zhǎng)為420 nm。

SiPM的性能(增益)依賴于所加的偏壓及溫度，環(huán)境溫度的升高導(dǎo)致其擊穿電壓升高，在偏壓固定的情況下，過壓會(huì)相對(duì)減小，而由于增益是過壓的線性函數(shù)，因此其增益也隨之減小，其增益的溫度系數(shù)為-0.8%/℃；在溫度固定的情況下，偏壓越大則過壓越大，相應(yīng)的增益也越大。因此在GCD的設(shè)計(jì)中，利用偏壓(過壓)補(bǔ)償電路，抵消溫度變化導(dǎo)致的過壓變化，使得過壓保持不變，從而使SiPM的增益基本保持不變。GCD所采用的SiPM的擊穿電壓是溫度的線性函數(shù)，具有正的溫度系數(shù)21.5 mV/℃，故需偏壓補(bǔ)償電路具有基本一致的溫度系數(shù)，從而抵消由于溫度變化導(dǎo)致的增益漲落。

圖1為偏壓補(bǔ)償電路原理圖，利用精密溫度傳感器LM135H的溫度特性，對(duì)SiPM的供電偏壓進(jìn)行補(bǔ)償。LM135H具有正的溫度系數(shù)10 mV/℃，因此通過兩個(gè)LM135H串聯(lián)，電路的溫度系數(shù)達(dá)到20 mV/℃，接近SiPM擊穿電壓的溫度系數(shù)，從而保證其在不同溫度環(huán)境中增益基本維持不變或變化在可接受范圍內(nèi)。另外，利用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)了一路電壓跟隨器對(duì)偏壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.3 前置放大電路及差分輸出電路

電路中的前置放大電路，利用運(yùn)算放大器LM6172設(shè)計(jì)為兩級(jí)電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，對(duì)SiPM輸出的弱電流信號(hào)進(jìn)行放大后輸出電壓信號(hào)，并通過反饋網(wǎng)絡(luò)中的電容對(duì)直流成分進(jìn)行濾波。由于GCD的α信號(hào)在軌主要用作觸發(fā)信號(hào)，信號(hào)幅度越大越好，且能在SiPM由于溫度影響而使得增益出現(xiàn)相對(duì)變化時(shí)，仍能滿足α信號(hào)幅度大于噪聲的需求。因此在設(shè)計(jì)時(shí)將前置放大電路的放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為600倍，使得最終讀出的241Am鑲嵌源的α信號(hào)達(dá)到飽和(圖2)。為抑制信號(hào)的共模干擾，利用LM6172設(shè)計(jì)了單端輸入雙端輸出的差分信號(hào)讀出電路，一路為電壓串聯(lián)負(fù)反饋，一路為電壓并聯(lián)負(fù)反饋，使其同時(shí)輸出兩個(gè)極性相反的電壓信號(hào)。圖3為前置放大電路和差分輸出電路原理圖。

圖1 偏壓補(bǔ)償電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of bias voltage compensation circuit

圖2 飽和α信號(hào)波形Fig.2 Saturated alpha signal waveform

圖3 前置放大電路和差分輸出電路Fig.3 Preamplifier circuit and differential output circuit

圖4為利用信號(hào)發(fā)生器向放大電路輸入方波信號(hào)(頻率為1 kHz，幅值為10 mV)，并通過差分輸出電路讀出的雙極性方波信號(hào)。

圖4 利用信號(hào)發(fā)生器對(duì)前置放大電路及差分輸出電路的測(cè)試輸出信號(hào)Fig.4 Output signal of preamplifier circuit and differential output circuit using signal generator

1.4 前端電子學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于GCD安裝到探頭晶體的表面會(huì)對(duì)探測(cè)視場(chǎng)有部分遮擋，從而影響探測(cè)效率，因此為降低對(duì)視場(chǎng)的遮擋，在GCD的電子學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，只將耦合鑲嵌源(高度和截面直徑均為6 mm)的部分留在晶體表面，其他電子學(xué)部分置于探頭側(cè)面，這樣既保證了主探測(cè)器對(duì)標(biāo)定源γ光子的有效探測(cè)，又降低了GCD結(jié)構(gòu)對(duì)視場(chǎng)的遮擋。

GCD電子學(xué)的PCB板分為大扇形板和小方形板。小板上焊裝SiPM并放置通過光學(xué)耦合膠粘貼到SiPM表面的鑲嵌源；大板放置其他電子學(xué)，由于需貼合探頭結(jié)構(gòu)側(cè)面，故將其設(shè)計(jì)為扇形結(jié)構(gòu)；在安裝到GCD結(jié)構(gòu)上時(shí)兩個(gè)板子之間存在5.5 mm的高度差，故二者通過柔性電路板相連。為消除GCD電纜對(duì)主探測(cè)器外包絡(luò)的干涉，將電連接器放置在扇形板正中央的下方。

2 偏壓補(bǔ)償電路的高低溫實(shí)驗(yàn)

前端電子學(xué)電路設(shè)計(jì)完成后，利用高低溫恒溫箱測(cè)試SiPM增益隨溫度的變化情況，并驗(yàn)證設(shè)計(jì)的偏壓補(bǔ)償電路是否可有效降低溫度變化對(duì)SiPM增益的影響。

2.1 測(cè)試設(shè)備及條件

測(cè)試設(shè)備包括高低溫恒溫箱、焊接的GCD電路板(包含偏壓補(bǔ)償電路)、萬用表、數(shù)字轉(zhuǎn)換器(DT5751，最大輸入信號(hào)為1 V)、信號(hào)衰減器、241Am鑲嵌源(100 Bq)、電源(4路，±12 V，+24 V，+30 V)、暗盒及測(cè)試電纜等。測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 GCD高低溫實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)Fig.5 High and low temperature test system diagram of GCD

根據(jù)GCD的在軌工作溫度范圍(-10～+40 ℃)選取測(cè)溫范圍為-35～+50 ℃，選取18個(gè)溫度點(diǎn)，步長(zhǎng)為5 ℃，調(diào)溫速率為1 ℃/min，溫度平衡時(shí)保持溫變<0.5 ℃/min。

2.2 測(cè)試方案

首先對(duì)偏壓補(bǔ)償電路在不同溫度環(huán)境下的輸出電壓變化進(jìn)行測(cè)試，從而得到補(bǔ)償電路的溫度系數(shù)。在該測(cè)試中，僅對(duì)補(bǔ)償電路進(jìn)行供電(+24 V和+30 V)工作，后續(xù)前置放大電路及差分輸出電路不供電，也不放置鑲嵌源。若溫度系數(shù)基本符合預(yù)期，則對(duì)前置放大電路和差分輸出電路進(jìn)行供電，并放置鑲嵌源，將電路的輸出信號(hào)通過衰減器進(jìn)行幅值衰減(衰減系數(shù)為17 dB)后接入數(shù)字轉(zhuǎn)換器，從而得到鑲嵌源的α信號(hào)幅度譜，再通過能譜擬合得到峰值的位置。更改SiPM供電偏壓或前置放大電路的增益可得到非飽和狀態(tài)下的α信號(hào)，這樣可得到準(zhǔn)確的能譜峰位，從而在不同溫度下實(shí)測(cè)峰位的變化情況。另外，考慮到在實(shí)際在軌工作中，α信號(hào)始終處于飽和狀態(tài)，因此也需對(duì)飽和α信號(hào)在不同溫度下能譜峰位的變化情況進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試1，偏壓補(bǔ)償電路溫度系數(shù)測(cè)試，測(cè)試偏壓補(bǔ)償電路在不同溫度下的輸出電壓，從而得到補(bǔ)償電路的溫度系數(shù)。測(cè)試2，非飽和α信號(hào)峰位變化情況測(cè)試，其步驟為：1) 單獨(dú)對(duì)SiPM供電，測(cè)試非飽和α信號(hào)能譜峰位隨溫度的變化情況；2) 加入補(bǔ)償電路，測(cè)試非飽和α信號(hào)能譜峰位隨溫度的變化情況。測(cè)試3，飽和α信號(hào)峰位變化情況測(cè)試，其步驟為：1) 單獨(dú)對(duì)SiPM供電并使α信號(hào)飽和，測(cè)試其能譜峰位隨溫度的變化情況；2) 加入補(bǔ)償電路，測(cè)試飽和α信號(hào)能譜峰位隨溫度的變化情況。

測(cè)試中，先將高低溫恒溫箱溫度設(shè)置為+25 ℃，然后按5 ℃的調(diào)整步長(zhǎng)升溫至+50 ℃，再降溫至-35 ℃，最后升至+20 ℃完成1次測(cè)試。每個(gè)溫度點(diǎn)均保持15 min，待溫度穩(wěn)定后進(jìn)行電壓讀取或記錄α能譜峰位。

2.3 測(cè)試結(jié)果分析

1) 偏壓補(bǔ)償電路的溫度系數(shù)

圖6為電路優(yōu)化前、后的測(cè)試結(jié)果，電路優(yōu)化前溫度系數(shù)為2 mV/℃，并不滿足20 mV/℃的設(shè)計(jì)要求，原因?yàn)檠a(bǔ)償電路的分壓電阻設(shè)置不合理，且使用的傳感器LM135H為低等級(jí)封裝，性能較差。通過計(jì)算后，將原理圖中的電阻更改為R2=5.6 kΩ、R5=50 Ω，LM135H采用TO-46的金屬封裝。電路優(yōu)化后溫度系數(shù)達(dá)到19.8 mV/℃，滿足要求。

2) 非飽和α信號(hào)峰位變化

利用上述優(yōu)化后的補(bǔ)償電路，加入前置放大電路及差分輸出電路，并放置241Am源，調(diào)整補(bǔ)償電路的供電使測(cè)得的α信號(hào)峰位處于非飽和狀態(tài)，圖7a為測(cè)試中溫度為25 ℃時(shí)的α信號(hào)幅度譜。表1列出了加入補(bǔ)償電路前后的測(cè)試數(shù)據(jù)記錄，在-35 ℃～50 ℃的溫變范圍內(nèi)，加入補(bǔ)償電路使α信號(hào)峰位偏移從1.8 V減小到0.37 V，減小約80%，補(bǔ)償效果明顯。

圖6 電路優(yōu)化前(a)、后(b)的測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test result before (a) and after (b) optimization

3) 飽和α信號(hào)峰位變化情況

由于在實(shí)際應(yīng)用中使用的是飽和α信號(hào)，電路中可通過增大前置放大電路的放大倍數(shù)及SiPM的偏壓供電來實(shí)現(xiàn)，考慮到GCD的總功耗要求應(yīng)小于0.5 W，因此設(shè)計(jì)前置放大電路的放大倍數(shù)為600，偏壓補(bǔ)償電路的供電分別為+24 V和+30 V(常溫下對(duì)SiPM的偏壓輸出為28.9 V)。飽和α信號(hào)幅度譜如圖7b所示。

根據(jù)高低溫測(cè)試，在-35～50 ℃的溫變范圍內(nèi)，不加入補(bǔ)償電路時(shí)，飽和狀態(tài)下α信號(hào)峰位變化為480 mV，加入后變化小于100 mV，補(bǔ)償效果仍滿足要求。實(shí)驗(yàn)中對(duì)高溫工況(50 ℃)和低溫工況(-35 ℃)下進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間(>12 h)穩(wěn)定性測(cè)試，結(jié)果顯示溫度保持穩(wěn)定時(shí)，α信號(hào)峰位變化<1%。

圖7 非飽和(a)及飽和(b)α信號(hào)幅度譜Fig.7 Unsaturated (a) and saturated (b) alpha spectra

表1 加入補(bǔ)償電路前后非飽和α信號(hào)峰位變化記錄Table 1 Record of peak position of unsaturated alpha signal before and after adding bias compensation circuit

3 鑲嵌源灌封設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，鑲嵌源通過光學(xué)耦合膠EJ-500粘貼到SiPM的窗口表面，然后再利用GD414C黑色硅膠將小板整體灌封到外殼的方形凹槽內(nèi)，這樣既可保證對(duì)α信號(hào)的探測(cè)效率，又可起到避光效果，減少本底干擾。由于柔性電路板的存在，且并無螺釘對(duì)鑲嵌源進(jìn)行固定，只能完全依靠GD414C來固定鑲嵌源，因此對(duì)耦合和灌封過程提出了較高的要求，灌封步驟設(shè)計(jì)如下。

1) 由于電連接器位于扇形板的正下方，需在扇形板完成全部焊裝及點(diǎn)膠并利用螺釘安裝到外殼上后，再開始進(jìn)行灌封。

2) 將柔性板翻轉(zhuǎn)至SiPM窗口水平朝上，并利用灌封工裝進(jìn)行固定，然后利用細(xì)玻璃棒將按比例(1∶3)混合好的EJ-500耦合膠均勻涂抹到SiPM窗口表面，靜置15 min待氣泡散盡后，將鑲嵌源粘貼到上面。保持工裝不移動(dòng)，等待24 h使得耦合膠完全固化。

3) 將GD414C填充滿外殼方形凹槽，移開工裝，將耦合的鑲嵌源按入凹槽內(nèi)，使方形電路板卡到凹槽口外沿上，再利用封裝將電路板固定，等待GD414C完全固化。

4) 將柔性板緊貼外殼內(nèi)壁及凹槽側(cè)面開口，并利用GD414C將凹槽側(cè)面完全灌封，保證固定及避光效果滿足要求。等待GD414C完全固化后，移除工裝，結(jié)束灌封。

4 結(jié)論

GCD作為GRM載荷的在軌標(biāo)定探測(cè)器，主要完成對(duì)標(biāo)定源214Am發(fā)出的α粒子的有效探測(cè)，并作為觸發(fā)信號(hào)協(xié)助主探測(cè)器完成在軌自動(dòng)增益控制。本文對(duì)其各部分電子學(xué)的原理設(shè)計(jì)、偏壓補(bǔ)償電路的高低溫實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析、投產(chǎn)加工及鑲嵌源灌封設(shè)計(jì)等研制過程進(jìn)行了描述，對(duì)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題加以驗(yàn)證及改進(jìn)。結(jié)果表明其主要功能和性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)載荷系統(tǒng)完成GRB長(zhǎng)期有效探測(cè)具有重要意義。