黃永益 馬 濤 張永強 張 巖 張 哲

(1中國科學(xué)院紫金山天文臺南京210023)

(2中國科學(xué)院暗物質(zhì)與空間天文重點實驗室南京210023)

(3中國科學(xué)院大學(xué)北京100049)

1 引言

認識太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)和太陽周期性產(chǎn)生磁場的物理機制,一直是太陽物理研究的主要科學(xué)目標.全面理解太陽磁場的起源、磁場周期性變化的物理本質(zhì)以及產(chǎn)生的各種動力學(xué)現(xiàn)象,有助于預(yù)測空間環(huán)境的變化及其對人類社會的影響.太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射(Coronal Mass Ejection,CME)是太陽系中最強的爆發(fā)和粒子加速器,正是它們創(chuàng)造了極端的空間天氣,它們也是理解宇宙中類似爆發(fā)的極好樣本.全面掌握耀斑和CME的發(fā)生、演化及其對日地空間造成的影響,都具有重要的科學(xué)和社會意義.因此,觀測和研究太陽磁場、太陽耀斑和CME 3者之間的關(guān)系,就顯得特別重要,是當今太陽物理最前沿的研究領(lǐng)域[1?5].

為了盡早改變我國沒有太陽探測衛(wèi)星的局面,提出“先進天基太陽天文臺”,定位于太陽活動25周峰年(預(yù)期極大在2025年左右)的“一磁兩暴”即太陽磁場、太陽耀斑和CME的同時觀測,來推進3者之間關(guān)系的研究,具有相當?shù)莫毺匦院涂尚行?太陽硬X射線成像儀(Solar Hard X-ray Imager,HXI)即為先進天基太陽天文臺衛(wèi)星(Advanced Space-based Solar Observatory,ASO-S)上主要負責(zé)在硬X射線波段進行耀斑探測的載荷.通過成像、能譜和時間連續(xù)探測,HXI可以同時獲得耀斑發(fā)生的位置形狀、輻射強度以及時間演化等豐富特征信息,對于研究耀斑的加速機制、確定加速源區(qū)的位置和范圍、了解加速粒子的傳輸機制、比較耀斑加速源區(qū)和粒子作用區(qū)能譜的區(qū)別等多個方面都具有重要的科學(xué)意義[2?3].

HXI分系統(tǒng)由準直器、量能器和電控箱3臺單機組成(示意圖見圖1)[2?3].準直器實現(xiàn)對入射硬X射線光子的調(diào)制,同時具備測量光軸與太陽中心位置的信息;量能器實現(xiàn)對通過準直器調(diào)制后的硬X射線光子進行能量和計數(shù)的測量,并能實現(xiàn)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進行能譜的累積;電控箱實現(xiàn)準直器和量能器的供電、科學(xué)數(shù)據(jù)接收、遙控遙測數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?

量能器單機由99個獨立探測單元、4塊高壓扇出板(HVD)、4塊前端電子學(xué)板(FEE)及配套的碳纖維結(jié)構(gòu)和屏蔽板組成,具體組成結(jié)構(gòu)如圖2所示[2?3].

圖1 HXI分系統(tǒng)組成圖Fig.1 Schematic drawing of the HXI payload

圖2 量能器組成圖Fig.2 Schematic drawing of the sp ectrometer

量能器的主要功能是對經(jīng)過準直器調(diào)制的太陽硬X射線光子進行流量和能量的測量,量能器探測單元中的溴化鑭晶體將X射線光子轉(zhuǎn)化為熒光光子,并經(jīng)過光電倍增管轉(zhuǎn)化為電荷信號;FEE板則完成電荷信號的前置放大和數(shù)字化,并在給定的時間內(nèi)進行能譜累積、事例計數(shù)和觸發(fā)閾值記錄;HVD板負責(zé)將高壓供電提供給多個探測單元的光電倍增管,并在光電倍增管發(fā)生短路故障時提供限流保護.量能器單機主要性能要求如下:(1)觀測能段30–200 keV;(2)能量分辨優(yōu)于27%@30 keV;(3)各探測單元差異性在±20%(最大/最小,以光電管輸出信號為準)之內(nèi).為了驗證量能器單機的設(shè)計正確性,需要對量能器的主要性能指標進行標定.由于量能器單機由99個探測單元組成,要逐個進行性能標定,會花費大量的時間成本和資金成本,在有限的預(yù)算范圍內(nèi),為了滿足衛(wèi)星進度,我們采取了隨機抽樣4只獨立的探測單元進行性能指標的標定.本文主要介紹了我們的標定試驗設(shè)備、標定試驗方案和標定結(jié)果,進而驗證量能器單機的主要性能指標是否滿足設(shè)計要求,同時證明實驗方案可行性,為ASO-S衛(wèi)星正樣研制打下基礎(chǔ).

2 試驗設(shè)備及方案

2.1 單個探測單元組成

HXI探測X射線的能段范圍為30–200 keV,它的能量分辨率要求也高,我們選擇了光產(chǎn)額大、能量分辨率高、溫度穩(wěn)定性好的溴化鑭作為探測晶體,并選用高量子效率的光電倍增管作為晶體熒光的讀出器件.量能器的單個探測單元由一個尺寸為Φ25×25 mm溴化鑭晶體和一只型號為R1924A-100、直徑為Φ25 mm的高量子效率光電倍增管組成,組成示意圖如圖3所示.

2.2 單能X射線地面標定裝置

單能X射線地面標定裝置由光源、準直器、雙晶單色器及高純鍺探測器(High Purity Germanium detector,HPGe)組成,其結(jié)構(gòu)組成圖如圖4所示[6],它的性能指標詳見表1.光源是管電壓為220 kV和600 kV的X射線光機,穩(wěn)定性好,準直器由激光準直器、前后準直器管組成,激光準直器用來調(diào)節(jié)光路,前后準直管用來準直X射線束流,使出射的束流達到平行;雙晶單色器由兩塊硅晶體、T結(jié)構(gòu)及微調(diào)平臺組成,T結(jié)構(gòu)用來調(diào)整兩塊硅晶體的平行度來滿足布拉格衍射的條件,通過微調(diào)平臺改變布拉格入射角可以使X光機產(chǎn)生的連續(xù)X射線變成不同能量的單能X射線.

圖3 探測單元組成圖Fig.3 Schematic drawing of a single detector unit

圖4 單能X射線地面標定裝置Fig.4 Calibration device of single-energy X-ray on ground

表1 單能X射線源性能參數(shù)Table 1 Performance p ar ameter s of the single-energy X-ray source

2.3 標定實驗方案

在雙晶標定裝置的后端,搭建有一個全方位精密移動平臺,可以根據(jù)試驗需求隨意調(diào)整試驗設(shè)備的位置和方向.在平臺上面安裝了HPGe和我們的4個探測單元(相對HPGe的位置是固定的),高純鍺探測器具有極高的能量分辨率,被認為是核素分析的黃金標準,在很多檢測領(lǐng)域成為規(guī)定的標準檢測設(shè)備[7]. 為了精確知道單能X射線的能量及流量大小,我們使用經(jīng)過標準放射源標定過的高純鍺探測器作為標準探測器,每一個單能的X射線源首先要經(jīng)過高純鍺探測器進行測量,作為我們探測單元的參照標準,從而對探測單元性能指標進行標定.由于束流設(shè)備的局限性,能量測試范圍只能在30–150 keV,在此之間我們設(shè)置了相應(yīng)的測試能量點:30 keV、40 keV、50 keV、60 keV、70 keV、80 keV、90 keV、105 keV、125 keV和150 keV共10個點.由于雙晶調(diào)制的難度大,實際調(diào)制出來的能量與我們預(yù)先設(shè)置的點有些偏差,調(diào)制的能量在所設(shè)置的能量范圍內(nèi)不會影響實驗結(jié)果,因此按照雙晶實際調(diào)制出來的10個能量點30.6 keV、40.7 keV、50.9 keV、60.7 keV、68.1 keV、79.7 keV、93.1 keV、104.4 keV、125.5 keV、150.5 keV進行試驗.

2.4 實驗流程

試驗開始:(1)X光機流量強度和穩(wěn)定性測試;(2)安裝HPGe和4個探測單元于試驗平臺上;(3)按照預(yù)定的能量點調(diào)制單能X光;(4)用高純鍺探測器進行單能X射線的能量和本底進行測試;(5)探測單元逐個對單能X光的能量和本底進行測試;(6)下一個能量點的單能X光調(diào)試,在所有試驗需要的能點測試完成之前重復(fù)(3)–(6)的步驟;(7)實驗結(jié)束,流程圖如圖5所示.

圖5 實驗流程圖Fig.5 Flow charts of the test

2.5 能譜獲得方法

經(jīng)過雙晶調(diào)制出來的單能X射線束流是一個包含本底在內(nèi)的混合能譜(如圖6的綠色部分),為了得到實驗想要的能譜,在混合譜采集完之后微調(diào)一個雙晶角度避開峰值,測得相應(yīng)的本底譜(圖6藍色部分),用混合譜減去本底譜的方式得到單能X射線能譜(圖6紅色部分).

3 實驗及結(jié)果

3.1 束流穩(wěn)定性測試

由于標定結(jié)果是由探測單元的測試結(jié)果與高純鍺探測器的測試結(jié)果相比對,HPGe和4個探頭不能同時進行測量,只能依次進行測試.這樣每個測試單元和HPGe有一定的時間差,為了確保實驗結(jié)果的有效性,束流就要有一定的穩(wěn)定性.因此只有在X光機的流量很穩(wěn)定的情況下,實驗結(jié)果才有意義.在開始標定試驗之前,我們對調(diào)制好的X射線源進行穩(wěn)定性測量,連續(xù)測量9個時間點,每個點測量100 s.測試結(jié)果如圖7所示.由下圖可以看出:雙晶X光機的流量穩(wěn)定性在±0.3%以內(nèi),可以滿足試驗要求.

圖6 藍色為本底譜、綠色為混合譜、紅色為扣除本底后的單能譜.Fig.6 The blue is the background spectrum,the green is the mixed spectrum,and the red is monoenergetic sp ectrum.

圖7 束流穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig.7 Results of the beam stability test

3.2 探測效率標定

探測效率是指在一定探測條件下測到的電離輻射粒子數(shù),與在同段時間內(nèi)由輻射源發(fā)射出的該種粒子總數(shù)的比值.探測效率有相對效率、絕對效率和實際效率之分.相對探測效率(又稱標稱效率),按美國國家標準/電氣和電子工程師協(xié)會(ANSI/IEEEStd.325-1996)定義為:將Co-60點源置于探測器端面正上方25 cm處,對1.33 MeV能量峰,半導(dǎo)體探測器與3′′×3′′NaI探測器計數(shù)率的比值.實際探測效率取決于能量譜、探測器的晶體及其尺寸、探測器的結(jié)構(gòu)和源的相對位置等因素.從X光機出來的單能光子的流量是未知的,只有通過標定過的高純鍺探測器來測量,我們認為高純鍺探測器測量的結(jié)果是束流的真實情況,單個探測單元的探測效率由探測單元測得的粒子數(shù)除以高純鍺探測器的粒子計數(shù)得到,因此本試驗的探測效率是每個探測單元相對高純鍺的相對探測效率.雖然這是個相對結(jié)果,但誤差滿足我們的要求.

根據(jù)4個探測單元的單能能譜,并根據(jù)特征峰擬合得到標準偏差σ,選擇±3σ范圍內(nèi)的區(qū)域為單能峰計數(shù)區(qū)域,得到單能峰計數(shù),并將4個探測單元的不同能量下的單能峰計數(shù)與標準探測器單能峰計數(shù)(高純鍺單能峰計數(shù))的比值作為相對效率參數(shù)進行比較,實驗結(jié)果如圖8所示(圖中Simu表示的是模擬結(jié)果).可以看到4個探測器的相對效率值的變化趨勢與理論計算結(jié)果基本一致(圖中紅色曲線),但4個探測器之間存在一定的差異性,這些差異性主要由溴化鑭晶體本身的差異性和晶體封裝工藝導(dǎo)致的差異性造成,探測單元的差異性詳見表2所示(Simu欄表示的是模擬結(jié)果),探測單元之間的相對差異性最大值為18.9%@79.7 keV,滿足指標的要求.

表2 相對效率及差異性Table 2 Relative detection ef ficiency and d if ferences

3.3 能量線性標定

根據(jù)試驗設(shè)置的10個測試點進行能譜測量,通過數(shù)據(jù)處理,找出每個能譜峰位對應(yīng)的能道數(shù)值(能道數(shù)用ADC值表示),我們用ADC值與能量的線性關(guān)系來代表探測單元的能量線性.4個探測單元的ADC值與能量線性如圖9所示.線性擬合的結(jié)果見表3所示(表中,En代表能量,R-square表示擬合的優(yōu)度),每個探測單元的ADC與能量的線性度滿足指標要求.

圖8 相對探測效率Fig.8 Relative detection ef ficiency

圖9 探測單元的能量相對ADC的線性關(guān)系Fig.9 Relation between the ADC and the detector unit energy

表3 線性擬合結(jié)果Table 3 Results of linear f itting

3.4 能量分辨率

探測單元在30 keV的能量分辨率以30 keV單能譜的半高寬與能譜峰值的比值來表示.4個探測單元在30.6 keV的能譜如圖10所示(圖例中前3項是實測曲線的參數(shù);后4項為模擬效果的參數(shù)),計算4個探測單元的能量分辨率@30.6 keV分別為18.34%、18.36%、20.89%、20.14%,滿足指標優(yōu)于27%@30 keV的要求.

圖10 探測單元在30.6 keV的能譜Fig.10 Energy sp ectrum of detector units at 30.6 keV

4 總結(jié)

通過本次地面標定試驗,驗證了ASO-S衛(wèi)星HXI量能器探測單元的探測效率、能量線性、能量分辨率滿足項目指標的需求,進而驗證了量能器單機設(shè)計方案的正確性,間接證明了量能器選用的國產(chǎn)溴化鑭晶體性能的優(yōu)異性,可以作為將來晶體選擇的參考,同時也驗證了量能器的標定方案可行,可以作為ASO-S衛(wèi)星正樣單機的標定方案.