李保權(quán)，李帆，曹陽，桑鵬

（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）

0 引言

脈沖星是一種具有超穩(wěn)定自轉(zhuǎn)周期的中子星［1］，被譽為自然界最穩(wěn)定的天然時鐘［2-3］。X 射線脈沖星導(dǎo)航技術(shù)利用脈沖星作為導(dǎo)航信標(biāo)，不需要地面系統(tǒng)支持［4］，可以完善航天器的自主導(dǎo)航功能，是目前導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點［5］。

X 射線計時探測器是導(dǎo)航中的關(guān)鍵部件之一，由于脈沖星發(fā)射的脈沖光子流量非常低，探測器接收到的光子數(shù)目較少，因此對探測器的靈敏度要求很高。在對X 射線脈沖星進(jìn)行觀測時，準(zhǔn)確測量脈沖星的脈沖到達(dá)時間（Time of Arrival， TOA）是非常重要的一環(huán)，探測器對X 射線單光子到達(dá)時間的測量精度將影響脈沖星TOA 的測量精度，是影響導(dǎo)航系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一［6］。

目前X 射線脈沖星導(dǎo)航方面，應(yīng)用的X 射線單光子探測器主要有硅偏移探測器（Silicon Drift Detector，SDD）［7］、雪崩光電二極管探測器（Avalanche Photodiode， APD）［8］等。SDD 探測器的能量分辨率很高，但探測器中的電子漂移時間與X 射線光子入射位置有關(guān)，影響探測器的光子到達(dá)時間標(biāo)記精度，進(jìn)而影響到脈沖星TOA 的測量精度。2017 年6 月中子星內(nèi)部組成探測器（NICER）發(fā)射至國際空間站［9］，其內(nèi)部搭載了X射線定時儀（X-ray Timing Instrument， XTI）［10］，采用SDD 測量光子到達(dá)時間標(biāo)記。麻省理工學(xué)院對SDD的計時特性進(jìn)行了研究，采用紫外線LED 激發(fā)X 射線源，信號發(fā)生器產(chǎn)生脈寬約20 ns 的激發(fā)脈沖，控制X射線源出射X 射線脈沖，用示波器測量激發(fā)脈沖與SDD 探測器輸出脈沖的時間間隔，其標(biāo)準(zhǔn)差反映光子到達(dá)時間精度［6］。結(jié)果顯示，該SDD 探測器的光子到達(dá)時間精度與光子到達(dá)位置有關(guān)，中心精度最高，邊緣精度差，探測器光子到達(dá)時間精度優(yōu)于100 ns［11］。

APD 利用碰撞電離產(chǎn)生的雪崩倍增效應(yīng)產(chǎn)生電流增益，探測效率高，時間響應(yīng)快，同時光子入射位置不影響探測信號的響應(yīng)時間，測量到達(dá)時間準(zhǔn)確且精度高［12-13］，已有衛(wèi)星將其搭載上天，例如日本的Cute-1.7+APD、Cute-1.7+APDⅡ系列衛(wèi)星［14-15］，證明其能夠在太空中運行。APD 探測器的能量分辨率不如SDD，不過在脈沖星導(dǎo)航應(yīng)用中對此要求不高。APD 有兩種基本工作模式：線性模式與蓋革模式。其中，工作在蓋革模式時的APD 也稱為單光子雪崩光電二極管（Single Photon Avalanche Photodiode，SPAD），北京空間機電研究所對蓋革模式下的APD 探測器的時間響應(yīng)特性進(jìn)行了研究，由激光發(fā)生器代替X 射線源，產(chǎn)生具有特定時間信息的輸入信號，由示波器測量數(shù)據(jù)，測得探測器光子到達(dá)時間精度優(yōu)于35.56 ns［16］。

為選擇更合適應(yīng)用于脈沖星導(dǎo)航的探測器，本文提出了一種對X 射線探測器光子到達(dá)時間標(biāo)記精度進(jìn)行測量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用X 射線調(diào)制管作為脈沖X 射線發(fā)生器，脈沖調(diào)控方便迅速，使用時間標(biāo)記光子計數(shù)器進(jìn)行高精度光子到達(dá)時間標(biāo)記，最后用本系統(tǒng)對APD 探測器的時間響應(yīng)特性進(jìn)行了測量。

1 TOA 精度測試系統(tǒng)的組成和工作原理

為了高精度測量APD 探測器光子到達(dá)時間精度，驗證其應(yīng)用于脈沖星導(dǎo)航的可行性，搭建了組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示的X 射線單光子探測器光子到達(dá)時間精度測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由四個主要部分構(gòu)成：1）X 射線調(diào)制源，包含X 射線調(diào)制管以及為其提供電壓的高壓及控制電路；2）任意波形發(fā)生器，產(chǎn)生X 射線調(diào)制管調(diào)制極所需調(diào)制信號，控制X 射線調(diào)制管光子發(fā)射；3）被測X 射線單光子探測器，這里APD 探測器作為被測量對象，接收脈沖X 射線發(fā)生器發(fā)射的光子脈沖信號，研究APD 探測器光子到達(dá)時間精度；4）時間標(biāo)記光子計數(shù)器，同時接收任意波形發(fā)生器的脈沖控制信號和APD 探測器的輸出信號，測量兩者的脈沖到達(dá)時間間隔分布，分析待測X 射線探測器的時間響應(yīng)特性。X 射線單光子探測器光子到達(dá)時間精度測試系統(tǒng)實物如圖2所示，其中1 為脈沖X 射線發(fā)生器，2 為APD 探測器，3 為任意波形發(fā)生器，4 為時間標(biāo)記光子計數(shù)器。

圖1 X 射線單光子探測器光子到達(dá)時間精度的測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of the test system for X-ray single photon detector photon arrival time accuracy

圖2 X 射線單光子探測器光子到達(dá)時間精度的測試系統(tǒng)實物Fig.2 Real picture of the test system for X-ray single photon detector photon arrival time accuracy

1.1 脈沖X 射線發(fā)生器

脈沖X 射線發(fā)生器由X 射線調(diào)制管和高壓及控制電路組成，X 射線調(diào)制管的實物和結(jié)構(gòu)如圖3、4 所示，高壓及控制電路為X 射線調(diào)制管的陰極、三個聚焦極和陽極供電，任意波形發(fā)生器控制脈沖X 射線發(fā)生器的調(diào)制極脈沖波形，兩者共同控制X 射線調(diào)制管工作。在X 射線調(diào)制管中，陰極燈絲通電后加熱釋放電子，電子在陽極高壓下加速，調(diào)制極調(diào)節(jié)電子通過數(shù)量，聚焦極聚焦電子束，最終電子束撞擊陽極靶激發(fā)X 射線。其中，調(diào)制極電壓形成的電場相當(dāng)于熱陰極的外電場，當(dāng)給調(diào)制極電壓施加逐漸增大的負(fù)電壓時，可抑制電子通過調(diào)制極的數(shù)量，抑制能力隨負(fù)電壓增大而增大，直至完全抑制，無法激發(fā)X 射線，該電壓為截止電壓。

圖3 X 射線調(diào)制管實物Fig.3 Real picture of X-ray modulation tube

圖4 X 射線調(diào)制管結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure diagram of X-ray modulation tube

利用SIMION 靜電透鏡分析仿真軟件，對該X射線管的運動電子學(xué)進(jìn)行了仿真，通過優(yōu)化得到燈絲電壓、三個聚焦極及陽極電壓分別設(shè)置為0.6 V、48 V、200 V、1 kV 和15 kV 時，調(diào)制極截止電壓為?0.6 V，且在?0.6～9 V 范圍內(nèi)打靶電子數(shù)隨調(diào)制極電壓增大而增大，呈正相關(guān)［17］。在實際測試中，陰極燈絲、三個聚焦極和陽極對應(yīng)電壓分別設(shè)置為2.7 V、33.33 V、200 V、1.33 kV 和8 kV，得到調(diào)制極截止電壓為?3 V，保證完全截止，X 射線強度與調(diào)制極電壓之間的關(guān)系如圖5 所示。

圖5 實測X 射線強度與調(diào)制極電壓關(guān)系Fig.5 Measured relationship between normarized X-ray intensity and modulation pole voltage

1.2 任意波形發(fā)生器

任意波形發(fā)生器產(chǎn)生調(diào)制信號，控制X 射線調(diào)制管的輸出脈沖，對脈沖星信號進(jìn)行模擬時，可產(chǎn)生具有對應(yīng)脈沖輪廓的控制信號。由于本文所用的X 射線調(diào)制管所需的調(diào)制電壓很低，且測量X 射線單光子探測器所需的調(diào)制信號比較簡單，最常見的信號發(fā)生器就能滿足需求，為簡化實驗，使用信號發(fā)生器代替任意波形發(fā)生器的功能。在測量探測器光子到達(dá)時間精度的實驗中，任意波形發(fā)生器的脈沖控制信號設(shè)定為?3～1 V 變化的窄脈沖。調(diào)制極電壓為1 V 時，脈沖X 射線發(fā)生器可正常發(fā)射X 射線光子；調(diào)制極電壓為?3 V 時，電子束被完全抑制，無X 射線光子產(chǎn)生。

該過程反應(yīng)迅速，X 射線脈沖信號的發(fā)射時間由調(diào)制極控制脈沖信號確定，且調(diào)制極所需控制電壓比較小，易于產(chǎn)生和調(diào)控，通過調(diào)制極調(diào)控的方式，能夠快速實現(xiàn)對輸出的X 射線光子強度的控制。

1.3 待測單光子探測器

本文用于測試的單光子探測器為APD 探測器。該APD 探測器的傳感器為拉通型APD（型號C30703H），其光電靈敏面積為10 mm×10 mm，吸收層厚度為120 μm，偏置電壓為370 V。該APD 探測器具有較高增益，可以在線性模式工作下實現(xiàn)X 射線單光子的探測，對8 keV 的X 射線探測效率高于80%。通過該光子到達(dá)時間精度測試系統(tǒng)可對該APD 探測器時間特性進(jìn)行精確測量，進(jìn)一步了解其性能。在測試系統(tǒng)中，APD 探測器接收X 射線光子信號，經(jīng)放大電路處理后，測得的單光子信號輸出波形如圖6 所示，脈寬約為20 ns，信號幅度大小約為150 mV，將該探測器輸出信號接入時間標(biāo)記光子計數(shù)器，測量時采用下降沿觸發(fā)。

圖6 APD 探測器接收X 射線脈沖光子信號Fig.6 APD detector receiving X-ray pulse photon signal

1.4 時間標(biāo)記光子計數(shù)器

時間標(biāo)記光子計數(shù)器具有兩路輸入，分別用來接收任意波形發(fā)生器的控制信號和單光子探測器輸出信號，并測量兩者之間的脈沖到達(dá)時間間隔，測量模式如圖7 所示。

圖7 時間標(biāo)記光子計數(shù)器的測量模式Fig.7 Measurement mode of time-marked photon counter

理論上測量得到的脈沖到達(dá)時間間隔受到多種因素的干擾，脈沖到達(dá)時間間隔分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差可以表示為

任意波形發(fā)生器的脈沖控制信號選擇上升沿觸發(fā)，觸發(fā)電平為?1 V；APD 探測器的測量輸出信號選擇下降沿觸發(fā)，觸發(fā)電平為?90 mV，得到的數(shù)據(jù)為APD 探測器對脈沖X 射線發(fā)生器控制信號的時間響應(yīng)間隔，即圖7 中Δt1、Δt3等，一般一個周期內(nèi)測得光子數(shù)非常少，沒有光子或只有1 個光子。時間標(biāo)記光子計數(shù)器時間分辨率為16 ps，能夠高精度測量探測器時間響應(yīng)延遲分布情況，該分布的標(biāo)準(zhǔn)差即為探測器光子到達(dá)時間精度。

2 實驗結(jié)果與分析

實驗中，脈沖寬度設(shè)置為25 ns，實際調(diào)制極控制信號的波形如圖8 所示，頻率為1 MHz。窄脈沖波形是為了保證X 射線調(diào)制管在一個脈沖周期中，僅產(chǎn)生一個光子或一定概率無光子產(chǎn)生，避免產(chǎn)生多個光子的情況，減少誤差干擾。同時，窄脈沖也可確保在X 射線調(diào)制管導(dǎo)通的極短時間內(nèi)，X 射線光子能夠集中在同一時刻發(fā)射，避免光子發(fā)出時刻分散。

圖8 調(diào)制極控制信號波形Fig. 8 The modulating pole control signal waveform

實驗測量100 s 的數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)后經(jīng)過處理得到的探測器時間響應(yīng)延遲分布情況如圖9 所示。測得的時間延遲數(shù)據(jù)中，時間延遲最小值為3.49 ns，主要集中在4～14 ns 范圍內(nèi)，整體分布近似于高斯分布，將其擬合高斯分布模型，結(jié)果如圖10 所示，該模型的均值為9.03 ns，標(biāo)準(zhǔn)差為2.23 ns，探測器光子到達(dá)時間精度即為時間延遲的標(biāo)準(zhǔn)差2.23 ns。

圖9 探測器時間響應(yīng)延遲分布情況Fig.9 Distribution of detector time response delay

圖10 探測器時間響應(yīng)延遲分布情況的高斯擬合曲線Fig.10 Gaussian fitting curve of the detector time response delay distribution

結(jié)果表明，APD 探測器具有快時間響應(yīng)特性，時間響應(yīng)延遲的均值僅為9.03 ns，同時探測TOA 精度優(yōu)于2.23 ns，可實現(xiàn)對X 射線光子到達(dá)時間的高精度標(biāo)記，其光子到達(dá)時間精度是NICER 使用的SDD 探測器的近50 倍。

3 結(jié)論

本文基于X 射線脈沖星導(dǎo)航的需求，研究了一套測量X 射線單光子探測器光子到達(dá)時間精度的模擬脈沖星測試系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)測試了APD 探測器光子到達(dá)時間精度，得到APD 探測器的時間延遲均值約9.03 ns，探測器光子到達(dá)時間精度優(yōu)于2.23 ns。結(jié)果表明APD 探測器時間響應(yīng)快、測量精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)對X 射線單光子的快時間響應(yīng)高精度標(biāo)記。該X 射線光子到達(dá)時間測試系統(tǒng)易于操作控制，測量結(jié)果精度高，測量效率高，適用性廣，滿足X 射線探測器光子到達(dá)時間精度的測量要求，可對多種X 射線單光子探測器進(jìn)行實驗測試，對X 射線探測器選型及應(yīng)用于脈沖星導(dǎo)航后的導(dǎo)航精度測算具有一定意義。