張偉杰， 張珅毅*， 張賢國， 葉依眾

1 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心， 北京 100190 2 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049 3 天基空間環(huán)境探測北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190 4 中國科學(xué)院空間環(huán)境態(tài)勢感知技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190

0 引言

中高能離子通常指空間中幾十keV到幾MeV的重離子，能量介于等離子體(plasma)和高能粒子(energetic particles)之間，廣泛存在于地球磁層、行星磁層、日球?qū)雍托行请H空間中.測量中高能離子的成分、能譜、角分布及其時(shí)空變化等信息，具有非常重要的科研和應(yīng)用價(jià)值.

中高能離子可用于對磁場的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)邊界及其動態(tài)進(jìn)行遙感測量(Zong et al., 2003, 2005).通過測量中高能離子的三維角分布，可推斷回旋半徑范圍內(nèi)等離子體分布、結(jié)構(gòu)以及其變化過程.還可用于推斷磁力線開放或閉合，研究磁重聯(lián)區(qū)域的位置、結(jié)構(gòu)和變化.中高能離子作為粒子加速過程的產(chǎn)物，是研究不同的粒子加速機(jī)制的重要探針.磁重聯(lián)和激波加速是空間帶電粒子加速兩種主要機(jī)制(Reames, 1999; Jokipii, 2001; Richardson, 2004; Filwett et al., 2017).磁重聯(lián)在地球磁層頂、磁尾(Millan and Baker, 2012)、以及太陽耀斑等區(qū)域(Reames, 1999, 2013)發(fā)生，可產(chǎn)生等離子體加熱、粒子加速等現(xiàn)象；激波一般會在地球磁層頂(Millan and Baker, 2012)、日冕物質(zhì)拋射(Coronal Mass Ejection，CME)(Reames, 1999, 2013)和共轉(zhuǎn)相互作用區(qū)(Corotating Interaction Region, CIR)(Richardson, 2004; Filwett et al., 2017)等區(qū)域形成，使其中的等離子體發(fā)生加速.中高能離子還可作為很多物理過程的示蹤劑.例如太陽高能粒子在行星際空間的傳播(Jokipii, 2001)，磁暴時(shí)環(huán)電流離子注入(Kozyra and Liemohn, 2003)，亞暴時(shí)極光爆發(fā)(Mauk and Bagenal, 2012)等.

離子的質(zhì)量和電荷數(shù)較大，在物質(zhì)中的阻止本領(lǐng)更高，能帶來更嚴(yán)重的輻照位移損傷，中高能離子在航天器的總劑量效應(yīng)中的貢獻(xiàn)不可忽視.對空間中高能離子進(jìn)行探測和監(jiān)視，可以更準(zhǔn)確地評估空間環(huán)境對航天器造成的輻射效應(yīng)，從而采取相應(yīng)的保護(hù)措施；利用大量的中高能離子探測數(shù)據(jù)可幫助構(gòu)建空間粒子環(huán)境模型，為航天任務(wù)的輻射風(fēng)險(xiǎn)評估提供支持.

因其重要的科研和應(yīng)用價(jià)值，中高能離子探測器從太空時(shí)代開始之初就在不同的空間任務(wù)中得到應(yīng)用，是十分重要的空間探測載荷.在測量技術(shù)上，中高能離子探測器有別于等離子體和高能粒子探測.最適合測量等離子體的探測技術(shù)是靜電分析器(Electrostatic Analyzer，ESA)技術(shù)，至今仍然是最常用的等離子體測量技術(shù).受重量和功耗等因素的制約，靜電分析器技術(shù)的離子成分分辨能量上限只能到達(dá)～10 keV/e.適用于高能離子成分鑒別的技術(shù)是ΔE-E望遠(yuǎn)鏡方法(Gold et al., 1998).其原理是利用不同種類入射離子在固體探測器(Solid State Detector，SSD)疊層中沉積能量的分布來識別離子種類.ΔE-E法的離子成分分辨能力下限受第一片ΔE探測器厚度的制約，在早期的技術(shù)條件下最低只能對不低于1000 keV/n的重離子進(jìn)行成分分辨(Gold et al., 1998).直到今天，在使用硅探測器作為ΔE探測器時(shí)，離子成分分辨下限不低于300 keV/n；使用氣體探測器作為ΔE探測器，能量下限也只能延伸到～100 keV/n.靜電分析器和ΔE-E望遠(yuǎn)鏡都難以對10～100 keV/n能區(qū)進(jìn)行離子成分分辨.20世紀(jì)70到80年代，G. Gloeckler和B. Wilken等將基于二次電子(Secondary Electron Emission，SEE)的TOF×E方法引入到空間粒子探測領(lǐng)域，填補(bǔ)了當(dāng)時(shí)10～1000 keV/n的離子成分分辨能量空缺(Gloeckler and Hsieh, 1979; Wilken et al., 1982; Wilken and Stüdemann, 1984).基于SEE的TOF×E方法對中高能離子種類鑒別能力優(yōu)秀，能量下限可與靜電分析器測量范圍銜接，直到目前該方法仍然被廣泛應(yīng)用于空間中高能離子測量.

我國空間粒子探測技術(shù)已經(jīng)發(fā)展多年.從1971年發(fā)射的實(shí)踐一號搭載G-M計(jì)數(shù)器和鈹窗積分電離室開始發(fā)展至今，我國已經(jīng)掌握空間等離子體(孔令高等，2015；Kong, et al, 2020)、中能質(zhì)子、中能電子(賈向紅等，2015)和高能粒子(張珅毅，2006)探測技術(shù)，多種空間粒子探測器已經(jīng)在雙星任務(wù)(Cao et al., 2005, 2007)、風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星(孔令高等，2015；劉震等，2019.)、北斗導(dǎo)航衛(wèi)星、嫦娥系列衛(wèi)星(王馨悅等，2012，2019)、天宮系列、空間站、火星探測器(孔令高等，2019)等不同空間任務(wù)中搭載升空，為我國航天事業(yè)發(fā)展作出重要貢獻(xiàn).但我國目前尚未掌握中高能離子探測技術(shù).隨著嫦娥探月工程和載人航天取得了豐碩的成果，天問一號的成功拉開了行星探測的序幕，我國目前處于航天事業(yè)飛速發(fā)展的階段.目前有一系列的空間科學(xué)和深空探索任務(wù)正在論證(孫輝先等，2017；葉培建等，2018；甘為群等，2019；林雋等，2019)，其中已確定的包括載人登月、木星系探測、太陽探測、太陽系邊際探索等深空計(jì)劃.這些項(xiàng)目對中高能離子均有明確的科學(xué)研究和應(yīng)用需求.因此，中高能離子探測技術(shù)是目前我國亟需填補(bǔ)的技術(shù)空白.

本綜述將著重介紹針對測量幾十keV到幾MeV離子成分的中高能TOF質(zhì)譜儀.第1章將介紹TOF×E方法的基本原理；第2章將詳細(xì)介紹中高能TOF質(zhì)譜儀技術(shù)的發(fā)展過程、現(xiàn)狀和趨勢；第3章將對中高能TOF質(zhì)譜儀的關(guān)鍵性進(jìn)行分析，并介紹目前國際上的一些新的發(fā)展趨勢；在第4章中會針對國內(nèi)未來的空間任務(wù)需求以及目前的技術(shù)水平，對我國中高能TOF質(zhì)譜儀的研究思路和方向提出了一些設(shè)想和展望.

1 TOF×E法離子成分分辨原理

離子的能量E和質(zhì)量m存在以下簡單關(guān)系：

(1)

不同種類的離子的質(zhì)量m不同，由上式可知，只需測出離子的能量E和飛行速度v，就可以算出離子的質(zhì)量m，即可對離子成分進(jìn)行鑒別.

如圖1，相距L的兩組定時(shí)探測器，離子先后穿過兩組探測器并輸出“開始”和“結(jié)束”兩個定時(shí)信號，利用后端電路分析出兩個定時(shí)信號的時(shí)間差τ，結(jié)合兩組探測器的距離l，即可計(jì)算出離子的飛行速度v=l/τ.再利用固體探測器(Solid State Detector，SSD)將離子剩余能量ESSD測出，即可通過下面式子計(jì)算出離子質(zhì)量，區(qū)分離子種類.

(2)

實(shí)際測量中，可通過TOF—ESSD二維譜(圖2)對粒子進(jìn)行記錄和區(qū)分.

圖1 飛行時(shí)間(TOF)質(zhì)譜儀基本原理Fig.1 Basic principle of time of flight (TOF) mass spectrometer

離子穿過定時(shí)探測器會損失部分能量ΔE，能量探測器測得的離子能量ESSD是離子的剩余能量.根據(jù)ESSD修正出離子入射能量E，即可獲得每種離子的能譜：

E=ΔE+ESSD.

(3)

利用該原理TOF×E方法進(jìn)行離子種類鑒別的探測器稱為飛行時(shí)間(TOF)質(zhì)譜儀.

2 中高能TOF質(zhì)譜儀發(fā)展歷史和趨勢

2.1 最早的中高能TOF質(zhì)譜儀

2.1.1 ΔE-E TOF質(zhì)譜儀

TOF×E法在空間中高能離子探測器中的首次應(yīng)用是ISEE-l的Heavy Ion Telescope (HIT)探測器(Williams et al., 1978).該探測器主體采用ΔE-E望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)，但將第一片ΔE探測器和第二片總能量E探測器分開一段比較長的距離(L=10 cm).當(dāng)離子穿過兩片探測器時(shí)，分別測量離子在第一片探測器中的沉積能量ΔE，以及在第二片探測器中測量剩余能量Eres.通過電子學(xué)對這兩個信號同時(shí)進(jìn)行幅度分析和TOF測量，既可進(jìn)行望遠(yuǎn)鏡法常規(guī)的ΔE-E分析，又可進(jìn)行TOF×E法離子鑒別.該方案的中高能離子探測器存在比較大的性能局限性.首先，硅探測器脈沖上升時(shí)間長，時(shí)間分辨率差，直接影響TOF×E方法的離子成分分辨能力.另外，該方案的能量下限無法突破第一片ΔE探測器的厚度限制.該探測器的ΔE探測器厚度為4.7 μm，He離子的測量下限約為400 keV，對于CNO、Si、Fe等質(zhì)量數(shù)更大的離子，測量下限會更高.因此，ΔE-E TOF質(zhì)譜儀并不是中高能離子成分探測的理想選擇，此后該方案再未應(yīng)用于空間中高能離子探測器.

2.1.2 基于SEE的TOF質(zhì)譜儀

利用二次電子觸發(fā)定時(shí)信號的技術(shù)最先由C.W.Williams等(Williams et al.,1964)引入到TOF質(zhì)譜儀中用于裂變碎片測量.其原理是，當(dāng)離子穿透二次電子發(fā)射薄膜，在表面幾nm處將一小部分動能轉(zhuǎn)移給介質(zhì)中的電子，這些電子獲得動能后可以從薄膜表面釋放出來.利用探測器捕獲這些電子并觸發(fā)定時(shí)信號，即可進(jìn)行TOF測量.由于二次電子發(fā)射薄膜非常薄(<10 μg·cm-2)，入射離子能量損失較小，可將離子成分分辨能量下限延伸至<10 keV/n.

20世紀(jì)70到80年代，G. Gloeckler 和 B. Wilken等將基于SEE的TOF測量技術(shù)引入到空間粒子探測器中(Gloeckler and Hsieh, 1979; Wilken et al., 1982; Wilken and Stüdemann, 1984)(圖3)，隨后在多種空間粒子探測器中得到應(yīng)用(Wüest, 1998).80年代，B. Wilke等研制出第一臺基于SEE TOF×E方法的空間中高能TOF質(zhì)譜儀原型機(jī)(Wilken and Stüdemann, 1984).兩層二次電子發(fā)射薄膜分別位于入口(“開始”薄膜)和末端(“結(jié)束”薄膜)，二者相距L即為離子飛行距離.利用電極分別將“開始”和“結(jié)束”薄膜發(fā)射的二次電子偏轉(zhuǎn)到位于探測器中部的MCP探測器，并觸發(fā)“開始”和“結(jié)束”兩個定時(shí)脈沖，利用電子學(xué)測量出兩個脈沖的時(shí)間間隔，即離子在兩片薄膜之間的飛行時(shí)間τ.在“結(jié)束”薄膜的后方使用SSD測出離子的剩余能量ESSD.結(jié)合測得的τ和ESSD，即可通過TOF×E方法識別出離子種類.

SEE TOF×E方法能量測量下限更低，低能端質(zhì)量分辨率更高，直至今天仍然是空間中高能TOF質(zhì)譜儀的唯一實(shí)現(xiàn)方案.

2.2 中高能TOF質(zhì)譜儀發(fā)展——單方向中高能TOF質(zhì)譜儀

早期中高能TOF質(zhì)譜儀采用單方向設(shè)計(jì).單方向中高能TOF質(zhì)譜儀結(jié)構(gòu)相對簡單，并且具備一些不可替代的性能優(yōu)勢：(1)在相同體積和重量限制下，容易實(shí)現(xiàn)更大的飛行距離L，從而提高質(zhì)量分辨率；(2)容易實(shí)現(xiàn)更大的幾何因子，有利于測量豐度較低的元素.單方向中高能TOF質(zhì)譜儀大體上可根據(jù)電極形態(tài)分為兩種形式(圖4)：靜電鏡式(electrostatic mirror)和無柵網(wǎng)式(gridless).

圖4 單方向TOF×E中高能離子質(zhì)譜儀兩種形態(tài)(a) 無柵網(wǎng)式； (b) 靜電鏡式(M?bius et al., 2016).d是飛行距離，e是二次電子.Fig.4 Two types of uni-directional energetic TOF×E mass spectrometer(a) Mirror-less; (b) Electrostatic mirror (M?bius et al., 2016).

2.2.1 靜電鏡式(electrostatic mirror)

靜電鏡是一種由平行柵網(wǎng)構(gòu)成的偏轉(zhuǎn)電極.首臺發(fā)射升空的中高能TOF質(zhì)譜儀——AMPTE CCE衛(wèi)星的MEPA探測器(McEntire et al., 1985)即采用了靜電鏡式設(shè)計(jì).MEPA探測器探頭(圖5)前端采用準(zhǔn)直器限制離子入射張角.“開始”薄膜與SSD距離10 cm，作為離子飛行距離L.離子穿過“開始”薄膜和擊中SSD表面時(shí)，會發(fā)射出二次電子，通過靜電鏡偏轉(zhuǎn)到MCP中，分別觸發(fā)“開始”和“結(jié)束”定時(shí)信號，用于測量離子穿過飛行距離的時(shí)間τ.SSD將離子剩余能量ESSD測量出.除了MEPA外，已發(fā)射的靜電鏡型單方向中高能TOF質(zhì)譜儀還有：SAMPAX的LEICA(Mason et al., 1993)、ACE的ULEIS(Mason et al., 1998)、Solar Orbiter的EPD-SIS(Rodríguez-Pacheco et al., 2020)等.

圖5 AMPTE CCE衛(wèi)星的MEPA探測器結(jié)構(gòu)示意圖(McEntire, et al., 1985)Fig.5 Structure of MEPA detector aboard AMPTE CCE satellite (McEntire, et al., 1985)

靜電鏡對二次電子的偏轉(zhuǎn)具有鏡像反射的特點(diǎn)，不僅二次電子飛行時(shí)間一致性高，還可通過二次電子收集位置反推其在薄膜/SSD表面的出射位置，修正離子飛行距離L，提高質(zhì)量分辨率.例如，ACE的ULEIS探測器利用楔條型位置靈敏陽極測量二次電子入射MCP的位置，重構(gòu)離子飛行路徑.加上L～50 cm的超長飛行距離，ULEIS的質(zhì)量分辨率非常高，達(dá)到σM<0.15 amu (Z=6，Z是原子核質(zhì)子數(shù))，σM<0.5 amu (Z=26).但是，靜電鏡是一組位于離子光路之中的柵網(wǎng)，會降低離子透過率，影響探測器的整體探測效率.

2.2.2 無柵網(wǎng)式(gridless)

無柵網(wǎng)式中高能TOF質(zhì)譜儀利用極板電壓差產(chǎn)生內(nèi)部偏轉(zhuǎn)電場對二次電子進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，可以減少離子光路上的柵網(wǎng)，避免靜電鏡對離子透過率的影響，提高總體測量效率.

如WIND衛(wèi)星的EPACT/STEP探測器(Von Rosenvinge et al.,1995)，以及STEREO衛(wèi)星的SIT探頭(Mason et al., 2008)，均采用無柵網(wǎng)式設(shè)計(jì).如圖6所示，無柵網(wǎng)式中高能TOF質(zhì)譜儀電極不遮擋離子光路，產(chǎn)生的電場將二次電子偏轉(zhuǎn)到2片MCP上并觸發(fā)“開始”和“結(jié)束”信號.該設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是二次電子飛行距離很長，導(dǎo)致飛行時(shí)間發(fā)散較大，影響時(shí)間分辨率；而且不具備靜電鏡重構(gòu)離子飛行路徑的功能，一定程度上限制了質(zhì)量分辨率的上限.

圖6 WIND衛(wèi)星的EPACT/STEP探測器原理圖(Von Rosenvinge et al., 1995)Fig.6 Principle of EPACT/STEP instrument aboard WIND satellite (Von Rosenvinge et al., 1995)

構(gòu)以及衛(wèi)星自旋來對空間進(jìn)行掃描來實(shí)現(xiàn)角分布測量.這種角分布測量方案最顯著的缺點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶來額外的重量、功耗和可靠性風(fēng)險(xiǎn).

(1)多方向中高能TOF質(zhì)譜儀

除了離子成分外，空間中高能離子的角分布信息同樣意義重大，不僅可用于遙感測量磁層的結(jié)構(gòu)和時(shí)空變化，還可對一些空間帶電粒子的加速過程進(jìn)行探測和研究，如磁重聯(lián)、激波加速等.因此，多方向中高能TOF質(zhì)譜儀在很多種空間任務(wù)中具有十分重要的科學(xué)需求.

最早實(shí)現(xiàn)角分布測量的中高能TOF質(zhì)譜儀是Galileo任務(wù)的EPD-CMS探測器(Williams et al., 1992)，探頭采用靜電鏡式單方向設(shè)計(jì)，結(jié)合旋轉(zhuǎn)機(jī)第一臺無旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的多方向中高能TOF質(zhì)譜儀是Cluster衛(wèi)星的RAPID探測器(Wilken et al., 1997).RAPID離子探頭采用靜電鏡進(jìn)行二次電子偏轉(zhuǎn)(圖7)，并依靠位置靈敏MCP收集“開始”二次電子，識別離子入射位置并區(qū)分入射方向，結(jié)合共用的“結(jié)束”MCP和SSD探測器，實(shí)現(xiàn)4個方向的離子種類鑒別.RAPID包含3個相同的離子探頭，共12個測量方向，每個方向覆蓋15°×6°張角，合計(jì)覆蓋180°×6°張角，結(jié)合衛(wèi)星自轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)全空間4π覆蓋.Geotail衛(wèi)星的HEP探測器(Doke et al., 1994)也采用了相同的設(shè)計(jì).相比需要旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式，這種一維多方向中高能TOF質(zhì)譜儀的可靠性和時(shí)間響應(yīng)都更為優(yōu)秀.

圖7 Cluster衛(wèi)星的RAPID探測器探頭結(jié)構(gòu)示意圖(Wilken et al., 1997)Fig.7 Structure of one ion detector head of the RAPID spectrometer aboard Cluster satellite(Wilken et al., 1997)

(2)小型化多要素測量——“冰球”探測器

進(jìn)入21世紀(jì)，NASA提出了Planetary Instrument Definition and Development(PIDDP)計(jì)劃，其中包括“開發(fā)用于測量行星和彗星的小型化、小質(zhì)量能量粒子探測器”研究方向.該計(jì)劃的最終成果是一種更為輕便緊湊的一維多方向中高能TOF質(zhì)譜儀，稱為“冰球”探測器(Andrews et al., 2007; McNutt et al., 2008; Mitchell et al., 2013; Mauk et al., 2017, 2016; Clark et al., 2016).

“冰球”探測器探頭(圖8)的前端準(zhǔn)直器、“開始”薄膜、“結(jié)束”薄膜和6組SSD呈旋轉(zhuǎn)對稱排列，中間共用一套電極，利用位置靈敏MCP接收二次電子測量離子TOF，并判斷離子入射方向.每組SSD包含兩個像素，其中一個像素測量中能離子能量，結(jié)合TOF信息可測量10 keV～10 MeV的質(zhì)子和重離子；另一個像素覆蓋一層1～2 μm的鋁屏蔽層阻擋中能離子，用于測量25～1000 keV的電子.結(jié)合起來，“冰球”探測器可實(shí)現(xiàn)6個方向的電子和6個方向的質(zhì)子、離子測量，張角覆蓋可達(dá)160°.

圖8 “冰球”探測器原理圖(Mauk et al., 2017)Fig.8 The Schematic of “Puck” detectors(Mauk et al., 2017)

“冰球”探測器具有眾多優(yōu)點(diǎn).首先，旋轉(zhuǎn)對稱分布方式可充分利用探測器尺寸，以緊湊的尺寸實(shí)現(xiàn)較大的飛行距離L，獲得較好的質(zhì)量分辨率；同時(shí)，該設(shè)計(jì)的各個測量方向完全對稱，可實(shí)現(xiàn)很好的方向一致性；“冰球”探測器兼容多方向中能電子測量，既可提供中能電子能譜和各向異性科學(xué)數(shù)據(jù)，還可以為質(zhì)子和離子測量提供提供電子污染修正依據(jù).

(3)適應(yīng)三軸穩(wěn)定飛行器——二維角分布測量

一維多方向中高能TOF質(zhì)譜儀須結(jié)合衛(wèi)星自旋才能實(shí)現(xiàn)二維角分布測量.然而一些科學(xué)衛(wèi)星會采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)，對二維多方向中高能TOF質(zhì)譜儀提出了需求.其中最有代表性的是Parker Solar Probe(PSP)的“Mushroom”探測器(McComas et al., 2016; Hill et al., 2017).PSP的軌道近日點(diǎn)不足10個太陽半徑，可能遇到的能量粒子方向分布非常復(fù)雜.而PSP基于防熱設(shè)計(jì)需求采用了三軸穩(wěn)定姿態(tài)，不能借助自旋進(jìn)行二維多方向覆蓋.為了滿足中高能電子和離子測量需求，“Mushroom”探測器采用了復(fù)雜的二維多方向設(shè)計(jì).

“Mushroom”探測器由8個探頭構(gòu)成(圖9)，每一個探頭包括10個探測方向(圖10)，組合起來可實(shí)現(xiàn)80個方向測量，覆蓋2π空間.

圖9 PSP的“Mushroom”探測器可實(shí)現(xiàn)2π空間角分布測量(McComas et al., 2016)Fig.9 “Mushroom” detector aboard PSP can cover 2π spatial angular distribution detection(Hill et al., 2017)

圖10 (a) “Mushroom”探測器探頭結(jié)構(gòu)示意圖； (b) “Mushroom”探測器探頭內(nèi)二次電子光路.(Hill et al., 2017)Fig.10 (a) Structure of the one wedge of “Mushroom” detector; (b) The trajectories secondary electrons in a wedge of “Mushroom” detecotor. (Hill et al., 2017)

每個探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10所示，10個測量方向由10個準(zhǔn)直器限定，每個準(zhǔn)直器后包含一片“開始”薄膜，所產(chǎn)生的二次電子通過加速電極引導(dǎo)到MCP上，10個方向共用一組“結(jié)束”薄膜和SSD，“結(jié)束”二次電子通過靜電鏡偏轉(zhuǎn)到MCP上.利用位置靈敏陽極對10個“開始”和1個“結(jié)束”信號進(jìn)行識別，實(shí)現(xiàn)10個方向的TOF×E離子分辨.SSD采用與“冰球”探測器類似的多像素設(shè)計(jì)，可分別測量中高能離子和中能電子.

截止目前已發(fā)射的中高能TOF質(zhì)譜儀如表1所示.

表1 已發(fā)射的中高能TOF質(zhì)譜儀Table 1 The launched energetic TOF mass spectrometers

2.3 發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

單方向中高能TOF質(zhì)譜儀在質(zhì)量分辨率和大幾何因子實(shí)現(xiàn)方面存在優(yōu)勢，目前仍然在太陽風(fēng)測量、太陽高能粒子的精細(xì)豐度譜測量等方面得到應(yīng)用.2020年發(fā)射的Solar Orbiter的EPD-SIS探測器可代表當(dāng)前單方向中高能TOF質(zhì)譜儀的發(fā)展水平.

多方向TOF質(zhì)譜儀探測器可測量中能離子的角分布信息，應(yīng)用場合更加廣泛，可用于行星磁層、地球磁層、行星際空間、太陽系邊緣等不同領(lǐng)域的空間探測和科學(xué)研究.

小型化、多要素探測是面向深空探測的需求，是目前包括中高能TOF質(zhì)譜儀在內(nèi)的深空應(yīng)用粒子探測器的總體發(fā)展趨勢，可利用有限的重量功耗和數(shù)據(jù)資源來獲取更多的科學(xué)數(shù)據(jù).“冰球”探測器和“Mushroom”探測器是該發(fā)展趨勢的最先進(jìn)技術(shù)水平代表.“冰球”探測器設(shè)計(jì)緊湊，性能優(yōu)異，適應(yīng)性強(qiáng)，目前已經(jīng)在5個不同的深空任務(wù)中搭載.“Mushroom”探測器采用了二維角分布測量設(shè)計(jì)，并且在薄膜設(shè)計(jì)、電極設(shè)計(jì)和SSD等方面改良了“冰球”探測器中存在的缺點(diǎn)(Clark, et al., 2016).雖目前只在PSP上搭載，但由于其對于三軸穩(wěn)定飛行器的適用性，未來應(yīng)當(dāng)還會在其他深空任務(wù)中得到應(yīng)用.

3 中高能TOF質(zhì)譜儀的關(guān)鍵性能分析

3.1 關(guān)鍵性能指標(biāo)

3.1.1 質(zhì)量分辨率

(4)

如圖11所示，中高能TOF質(zhì)譜儀低能端質(zhì)量分辨率主要受能量分辨率影響，高能端則主要受時(shí)間分辨率影響，中間能區(qū)質(zhì)量分辨率較好.質(zhì)量分辨率的絕對值和最佳能區(qū)取決于探測器設(shè)計(jì)和硬件性能.

圖11 質(zhì)量分辨率與時(shí)間分辨率、能量分辨率和飛行距離相對誤差的關(guān)系(Mason et al., 1998)Fig.11 The relationship between mass resolution and time resolution, energy resolution, and relative error of path length(Mason et al., 1998)

提升質(zhì)量分辨率，不同類型的中高能TOF質(zhì)譜儀有不同的思路.單方向中高能TOF質(zhì)譜儀主要采用延長飛行距離L的方法，如第2.2.1節(jié)中介紹的ULEIS(Mason et al., 1998)和EPD-SIS(Rodríguez-Pacheco et al., 2019)等.這可以增大飛行時(shí)間τ，提升時(shí)間分辨率.使用靜電鏡可降低二次電子飛行時(shí)間發(fā)散從而提升時(shí)間分辨率，還可結(jié)合位置靈敏MCP來修正飛行距離，降低飛行距離相對誤差，如LEICA(Mason et al., 1993)和ULEIS(Mason et al., 1998)均采用了該方法.多方向中高能TOF質(zhì)譜儀的飛行距離L通常較短(<10 cm)，提升質(zhì)量分辨率主要依靠電極設(shè)計(jì)縮短二次電子飛行距離，降低二次電子飛行時(shí)間發(fā)散，提升時(shí)間分辨率，并通過使用薄死層的SSD和低噪聲電子學(xué)，提高能量分辨率.

3.1.2 抗干擾能力

中高能TOF質(zhì)譜儀的事件識別邏輯是“開始-結(jié)束-SSD”三重符合(圖12).入射離子先后通過二次電子觸發(fā)“開始”和“結(jié)束”信號，并沉積能量在SSD中產(chǎn)生ESSD信號，三個信號在預(yù)設(shè)的符合窗口中先后觸發(fā)，即識別成事件并被正確地記錄.

圖12 正常計(jì)數(shù)的真實(shí)事件Fig.12 Valid events that were counted normally

然而，在實(shí)際探測中，“開始”、“結(jié)束”和SSD信號可能會被多種不同的原因觸發(fā)，產(chǎn)生假的“開始”、“結(jié)束”和ESSD信號.當(dāng)三個非同一事件產(chǎn)生的信號恰好滿足三重符合邏輯判斷，則會產(chǎn)生一次假計(jì)數(shù).假計(jì)數(shù)構(gòu)成了探測數(shù)據(jù)中的本底計(jì)數(shù)，不僅會干擾真實(shí)計(jì)數(shù)，淹沒通量較低的粒子信息，過多假信號還會增加探測器的資源負(fù)擔(dān)，甚至造成計(jì)數(shù)飽和數(shù)據(jù)失真.

通常用真假計(jì)數(shù)比衡量中高能TOF質(zhì)譜儀的抗干擾性能，即探測器獲得的計(jì)數(shù)中真實(shí)事件計(jì)數(shù)和偶然符合產(chǎn)生的假計(jì)數(shù)之比.探測器的計(jì)數(shù)率Re可以通過以下公式計(jì)算出：

Re=Rstart×Rstop×RSSD×tTOF×tSSD,

(5)

其中Rstart，Rstop，RSSD分別是“開始”“結(jié)束”和ESSD信號的單位時(shí)間發(fā)生率，包括真實(shí)事件引起的真信號和干擾產(chǎn)生的假信號.tTOF是TOF測量窗口，tSSD是ESSD信號測量窗口.可見，提高真假計(jì)數(shù)比的方式，是提高真信號發(fā)射率，抑制假信號發(fā)生率.

對于“開始”“結(jié)束”和ESSD三種信號而言，最主要的假信號來源包括光子干擾、低能粒子干擾和高能粒子干擾.

(1)光子干擾

光子干擾是指空間環(huán)境中的可見光以及UV/EUV，主要來源是太陽直射、反射和散射光，還有一些其他自然、人工光源.光子干擾主要通過兩種機(jī)制：一種是UV/EUV光子可能會在薄膜表面通過光電效應(yīng)觸發(fā)二次電子，或者通過散射直接觸發(fā)MCP，從而觸發(fā)假“開始”或“結(jié)束”信號；另一種是可見光觸發(fā)SSD產(chǎn)生假的ESSD信號.

(2)低能粒子干擾

空間中存在大量能量低于測量范圍的粒子，包括電子、質(zhì)子和重離子.一些低能質(zhì)子和重離子能量足夠穿透“開始”薄膜，會相當(dāng)大概率觸發(fā)二次電子，產(chǎn)生假“開始”信號.一些低能電子穿透“開始”薄膜進(jìn)入探測器內(nèi)部，還可能會被內(nèi)部電場偏轉(zhuǎn)并觸發(fā)MCP產(chǎn)生假“開始”信號.

(3)高能粒子干擾

空間中存在能量非常高的粒子，例如宇宙射線(Galactic Cosmic Rays，GCR)，太陽高能粒子(Solar Energetic Particles，SEP)等.高能粒子可能觸發(fā)假的“開始”“結(jié)束”和ESSD信號，但其在薄膜材料中阻止本領(lǐng)低，發(fā)射二次電子效率較低，飛行時(shí)間τ也太短，且無法將能量完全沉積在SSD靈敏區(qū)中，通過視場入射的高能離子無法通過正常TOF×E方法進(jìn)行識別.能量足夠高的粒子甚至可以穿透準(zhǔn)直器和屏蔽層，從各個方向入射并隨機(jī)觸發(fā)假ESSD信號.

以上三種干擾機(jī)制會引起假信號的增加，從而產(chǎn)生本底計(jì)數(shù).另外，一些真實(shí)事件會因?yàn)楦鞣N機(jī)制造成“開始”“結(jié)束”和ESSD信號的部分丟失.信號丟失不僅降低了真實(shí)事件計(jì)數(shù)率，還會形成孤立信號，當(dāng)孤立信號與無關(guān)信號發(fā)生偶然符合，也會產(chǎn)生本底計(jì)數(shù)，降低真假計(jì)數(shù)比.造成數(shù)據(jù)丟失的機(jī)制主要包括二次電子發(fā)射/收集效率，以及薄膜造成的離子散射.

(1)二次電子發(fā)射效率/收集效率

如圖13，一些能量較高，質(zhì)量較輕的離子，在穿透薄膜時(shí)有一定概率不發(fā)射二次電子.薄膜發(fā)射出的二次電子有一部分可能因電極和陽極設(shè)計(jì)原因無法被MCP正常收集并產(chǎn)生定時(shí)信號.這些情況會引起“開始”或“結(jié)束”信號的缺失.

圖13 二次電子發(fā)射和收集效率引起的信號缺失Fig.13 Signal loss due to emission and collection efficiency of secondary electrons

(2)離子散射

如圖14，質(zhì)量較重，能量較低的入射離子穿過薄膜會發(fā)生較大角度散射，一些散射角度比較大的入射粒子，可能會無法到達(dá)“結(jié)束”薄膜和SSD，造成“結(jié)束”信號和ESSD信號的缺失.

圖14 離子穿過薄膜時(shí)發(fā)生的散射引起信號缺失Fig.14 Signal loss due to scattering of the ions that get through the foils

目前有多種提高中高能TOF質(zhì)譜儀真假計(jì)數(shù)比的可行措施.以“冰球”探測器為例，其采取的措施主要包括：(1)設(shè)置合適的探測窗口tTOF和tSSD，覆蓋探測范圍粒子同時(shí)降低偶然符合概率.(2)薄膜使用光屏蔽材料，降低UV和可見光產(chǎn)生干擾的概率.(3)在準(zhǔn)直器中安裝準(zhǔn)直薄膜，使低能粒子發(fā)生散射，降低其觸發(fā)假“開始”信號的概率.(4)在SSD陣列中設(shè)置一個監(jiān)視像素(witness pixel)，對高能粒子產(chǎn)生的本底計(jì)數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，便于后期扣除高能粒子干擾.(5)使用碳作為二次電子發(fā)射材料，并優(yōu)化電極和MCP陽極設(shè)計(jì)，提高二次電子發(fā)射和收集效率.(6)在保證二次電子發(fā)射和光屏蔽能力的前提下，盡量控制薄膜厚度，降低離子散射.通過上述抗干擾措施，“冰球”探測器在典型空間環(huán)境下可實(shí)現(xiàn)1000∶1以上的真假計(jì)數(shù)比，在最惡劣的環(huán)境下也可達(dá)到10∶1以上.

3.2 影響性能的關(guān)鍵部件

3.2.1 薄膜

薄膜是中高能TOF質(zhì)譜儀的關(guān)鍵部件，包括用于發(fā)射二次電子的“開始”“結(jié)束”薄膜，以及用于屏蔽低能粒子的準(zhǔn)直薄膜.薄膜的材料和厚度可以從多個方面影響探測器的整體性能.二次電子薄膜主要作用是提供觸發(fā)“開始”“結(jié)束”定時(shí)信號的二次電子，因此，二次電子產(chǎn)額是薄膜材料重要性質(zhì).目前使用最多的二次電子發(fā)射材料是碳(Allegrini et al., 2016)，其二次電子發(fā)射產(chǎn)額高且穩(wěn)定，可保證離子穿過時(shí)發(fā)射二次電子的效率，從而保證了離子探測效率.碳膜廣泛應(yīng)用于各類基于SEE TOF技術(shù)的空間粒子探測器中(Pollock et al., 2000；Galvin et al., 2008；Saito et al., 2010; Mitchell et al., 2016；M?bius et al., 2016).

光干擾是中高能TOF質(zhì)譜儀的重要干擾源，薄膜還需要兼顧光屏蔽作用.碳材料具備不錯的UV屏蔽能力(Hsieh et al., 1980, 1991)，但機(jī)械強(qiáng)度相對較差，因此，大部分中高能TOF質(zhì)譜儀會采用聚碳酸酯(Lexan)、聚對二甲苯(parylene)或聚酰亞胺(polyimide)等材料作為薄膜的基底材料，同時(shí)提供優(yōu)秀的UV屏蔽能力、抗輻照能力和機(jī)械性能(Mitchell et al., 2000; Krimigis et al., 2004; Powell, 1992; Powell et al., 1997).為了降低可見光對SSD的干擾，還可以在薄膜上鍍Al、Pd、Ni等金屬材料.Al或Ni也可直接作為二次電子發(fā)射材料，同時(shí)起到釋放二次電子和光屏蔽的作用，但其二次電子產(chǎn)額相對碳材料較差.

離子穿過薄膜時(shí)會發(fā)生能損、能量歧離、和散射，對探測器的能量分辨率、質(zhì)量分辨率、和真假計(jì)數(shù)比造成影響.因此，薄膜材料在保證二次電子發(fā)射效率、光屏蔽和機(jī)械強(qiáng)度的情況下，應(yīng)盡量控制厚度，一般不超過幾十nm的量級.表2列舉了一些在軌的中高能TOF質(zhì)譜儀采用的薄膜信息.

表2 一些中高能TOF質(zhì)譜儀的二次電子薄膜的參數(shù)Table 2 The parameters of the secondary electron emission foils of some energetic TOF mass spectrometers

雖然碳是目前空間TOF探測器中最為常用的二次電子薄膜材料，但是以目前的技術(shù)能力，碳膜厚度最小不能低于0.5 μg·cm-2，更薄的碳膜機(jī)械強(qiáng)度無法滿足空間任務(wù)的力學(xué)條件.目前Allegrini和Ebert等科學(xué)家正在研究用石墨烯替代碳作為二次電子薄膜材料的可能性(Allegrini et al., 2014; Ebert et al., 2014).石墨烯是碳元素構(gòu)成的二維材料，理論上可以做到只有幾層原子的厚度，并依然具備足夠的機(jī)械強(qiáng)度和與碳膜相當(dāng)?shù)亩坞娮影l(fā)射率.

從圖15的對比可以看出，對不同種類和能量的離子，穿過石墨烯薄膜所產(chǎn)生的散射角均小于穿過傳統(tǒng)碳膜的情形.用石墨烯替代碳作為二次電子發(fā)射材料，可降低離子穿過時(shí)產(chǎn)生的能損和散射，進(jìn)一步提升中高能TOF質(zhì)譜儀的能量分辨率、質(zhì)量分辨率、探測效率和真假計(jì)數(shù)比等性能指標(biāo).

圖15 石墨烯和碳膜對離子散射的對比(Ebert et al., 2014)Fig.15 Comparison of ion scattering after penetrating graphene and carbon foil(Ebert et al., 2014)

3.2.2 SSD

傳統(tǒng)中高能TOF質(zhì)譜儀的SSD主要采用硅半導(dǎo)體探測器.硅探測器具有能量分辨率高、能量響應(yīng)線性范圍大等優(yōu)點(diǎn)，在空間粒子探測器中廣泛應(yīng)用.但是硅探測器對可見光敏感，必須采用Ni、Al、Pd等薄膜材料來屏蔽可見光，以降低假ESSD信號發(fā)生概率.但較厚較重的薄膜會導(dǎo)致較為嚴(yán)重的散射和能量歧離，對中高能TOF質(zhì)譜儀的能量測量下限、質(zhì)量分辨率和真假計(jì)數(shù)比都有負(fù)面影響，對質(zhì)量較大、能量較低的離子影響尤為嚴(yán)重.

為了解決可見光響應(yīng)對中高能TOF質(zhì)譜儀的影響，一種可行的思路是采用對可見光不敏感的SSD取代硅探測器，金剛石探測器是目前比較有替代潛力的候選.金剛石探測器具有抗輻照能力強(qiáng)，工作溫度范圍大，溫度穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，是一種極具空間應(yīng)用潛力的SSD(王仕發(fā)等，2018).此外，金剛石探測器對可見光不敏感、時(shí)間響應(yīng)快等性質(zhì)，有利于提升中高能TOF質(zhì)譜儀的性能.

首先，金剛石探測器較寬的帶隙使其對226 nm以上波長的光子不敏感(Ogasawara et al., 2016)，意味著如果將其引入到中高能TOF質(zhì)譜儀中，可降低對二次電子發(fā)射薄膜的可見光屏蔽需求.更輕薄的薄膜可以降低離子穿過時(shí)發(fā)生的能損、能量歧離和散射，對提升能量分辨率、質(zhì)量分辨率、抗干擾能力和延伸能量下限均能產(chǎn)生正面影響.

另外，金剛石探測器的時(shí)間響應(yīng)比硅探測器更快.研究結(jié)果表明，金剛石探測器對不同能量和種類的離子均可以獲得優(yōu)于1 ns的時(shí)間分辨率(Frais-Kolbl et al., 2004; Pietraszko et al., 2010; Ogasawara et al., 2015).如果引入金剛石探測器到中高能TOF質(zhì)譜儀中，可同時(shí)作為能量探測器和“結(jié)束”探測器，省去“結(jié)束”薄膜，排除其對探測器能量分辨率、質(zhì)量分辨率和抗干擾能力的影響.同時(shí)還有利于探測器的設(shè)計(jì)簡化和小型化.

能量測量性能方面，相比硅探測器，金剛石探測器帶隙比較寬，平均電離能ω更大，在沉積相同能量的情況下，金剛石探測器輸出的脈沖幅度比硅探測器小.但帶隙更寬也使得金剛石探測器的噪聲水平更低.綜合兩種因素，金剛石探測器理論上可以獲得與硅探測器接近的能量分辨率.目前單晶金剛石探測器對重離子已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了14 keV的能量測量下限，能量分辨率可達(dá)7 keV(Ogasawara et al., 2015)，完全可滿足中高能TOF質(zhì)譜儀對SSD的能量測量性能需求.

4 我國中高能TOF質(zhì)譜儀研制需求和展望

4.1 研制需求

在未來的幾十年，我國將會相繼開展多項(xiàng)深空任務(wù)，包括載人登月、行星系探測、小行星探測、太陽探測、以及太陽系邊界探測等.無論從科學(xué)研究和應(yīng)用需求，中高能離子都是十分重要的探測目標(biāo).目前我國已具備成熟的等離子體、中能電子、中能質(zhì)子、和高能粒子探測器的研制和在軌應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，然而中高能重離子探測技術(shù)尚處于起步階段.

4.2 研制展望

中高能TOF質(zhì)譜儀涉及的一些主要技術(shù)，包括TOF測量技術(shù)、能量測量技術(shù)、抗干擾技術(shù)等等，均在我國現(xiàn)有的空間粒子探測器中有著成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對中高能TOF質(zhì)譜儀的技術(shù)研發(fā)可提供有力的技術(shù)基礎(chǔ)和繼承性.針對我國將開展的空間任務(wù)的特點(diǎn)，在中高能TOF質(zhì)譜儀的研發(fā)上，尤其應(yīng)以單方向高精度(以ACE的ULEIS，Solar Orbiter的SIS為代表)，和小型化、多要素、多方向(以“冰球”探測器，“Mushroom”探測器為代表)作為主要研究方向.在實(shí)現(xiàn)中高能TOF質(zhì)譜儀基本功能的同時(shí)，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際任務(wù)需求，大膽引入最新科技發(fā)展成果，進(jìn)一步改進(jìn)探測器各項(xiàng)關(guān)鍵性能.其中，石墨烯薄膜和金剛石探測器可作為重點(diǎn)研究對象，其結(jié)合使用有望顯著提升質(zhì)量分辨率、探測效率、抗干擾能力、耐高溫、抗輻照等性能指標(biāo)，使中高能TOF質(zhì)譜儀具備更加優(yōu)異的探測性能和更強(qiáng)的深空任務(wù)的適應(yīng)性.

5 總結(jié)

基于SEE TOF×E方法的中高能TOF質(zhì)譜儀是目前國際上對幾keV到幾MeV中高能重離子的主流探測器類型，在地球磁層研究、行星探測、太陽探測、太陽系邊界探測等不同領(lǐng)域的空間科學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用.中高能TOF質(zhì)譜儀大體上分為單方向和多方向兩類.單方向中高能TOF質(zhì)譜儀質(zhì)量分辨率高，靈敏度高，適用于高精度的離子豐度測量；多方向中高能TOF質(zhì)譜儀可測量離子角分布信息，適用于空間磁場的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)監(jiān)測，以及粒子加速等物理過程研究.我國航天事業(yè)目前已進(jìn)入深空探索的階段，中高能TOF質(zhì)譜儀是亟需掌握的關(guān)鍵技術(shù).在掌握該項(xiàng)技術(shù)的同時(shí)，還應(yīng)嘗試引入石墨烯和金剛石探測器等新材料和新技術(shù)，進(jìn)一步提升探測器的各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，并拓寬和增強(qiáng)其在不同空間任務(wù)中的應(yīng)用適應(yīng)性，使我國在該技術(shù)上實(shí)現(xiàn)國際領(lǐng)先.

致謝感謝中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心和天基空間環(huán)境探測北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對本工作的支持.