GRM復合晶體探測器讀出系統設計

劉江濤，董永偉，宋黎明，吳伯冰，張永杰，徐 鶴

(1.中國科學院 高能物理研究所，北京 100049；2.中國科學院大學，北京 100049)

γ射線暴(簡稱γ暴)是能探測到的發生于宇宙學尺度上的恒星級天體中的γ射線爆發過程，同時伴隨長時間的余輝現象。根據現有的研究，猜測其形成原因是兩個致密天體如中子星或黑洞的合并或是在大質量恒星演化為黑洞的過程中產生的。γ暴爆發時，在很小的空間內釋放巨大能量，所以γ暴現象涉及一些僅發現于極少數天體現象中的極端條件下的物理過程。在認識和了解宇宙的過程中，γ暴具有重大的科學意義。對γ暴的深入研究，需要實現對γ暴的連續準確定位，同時測量γ暴的紅移和Epeak等參數[1-4]?？臻g多波段變源監視器(SVOM)是中國和法國多家科研單位聯合研制的專門用于γ暴探測的科學衛星，將于2017年發射，其主要物理目標為：探測所有已知類型的γ暴；實現對γ暴的快速準確定位；從可見光到硬X射線寬波段范圍內對γ暴輻射進行探測；對γ暴的可見光余輝和近紅外余輝進行識別。

γ射線譜儀(GRM)是SVOM的一個重要測量工具，主要用于γ射線能量測量，測量范圍為50～5 000 keV，GRM可對所有被SVOM精確定位的γ暴進行大動態范圍Epeak測量，且可根據γ射線能譜的顯著性實現SVOM對γ暴的實時觸發[5]。

地球軌道天然空間輻射粒子包括地磁場俘獲輻射帶粒子和宇宙射線，輻射粒子包括氫、重離子、電子、X射線、γ射線等，輻射方向基本為4π，且能量分布非常廣。GRM需在復雜的輻射環境中對某一固定方向的γ射線進行探測，除在探測器前安裝準直器外，探測介質由3層閃爍體構成，以實現背向入射γ射線反符合和前向入射帶電粒子屏蔽，因此，GRM的數據采集系統需實現3種信號及其混合信號的甄別，同時需滿足航天電子學設計可靠性要求。本工作基于跨導放大器原理設計峰值保持電路，利用FPGA技術控制整個系統時序。

1 GRM復合晶體探測器

GRM由兩個獨立的γ射線探測器(GRD)組成，GRD的探測能區為30～5 500 keV，其結構示于圖1。GRD由塑料閃爍體(PS)、NaI(Tl)和CsI(Na)構成，3種晶體的直徑均為190 mm。PS的厚度為6 mm，用于屏蔽空間低能帶電粒子；NaI(Tl)閃爍體的厚度為15 mm，是GRD的主探測器晶體；CsI(Na)晶體的厚度為35 mm，是GRD的另外一種主探測晶體，它不僅可擴展GRD的探測能區，還可屏蔽背向入射的低能X射線和帶電粒子。3種晶體通過光學膠粘合到一起，利用同一個光電倍增管完成光電轉換，前端電子學的電荷靈敏前置放大器進行電荷積分，數據采集系統對GRD輸出的電壓脈沖信號進行處理。

由于空間中的輻射環境復雜，GRD中的3種閃爍體可能會同時發光，也可能只有1種或2種晶體發光，對于GRD的信號來源可分為以下幾種情況：1) 低能帶電粒子正向入射，引起PS發光；2) 低能帶電粒子背向入射，引起CsI(Na)晶體發光；3) 能量較高的帶電粒子入射，可能引起3種晶體同時發光、塑料閃爍體與NaI(Tl)發光、CsI(Na)與NaI(Tl)發光；4) 能量較低的X射線正向入射，引起NaI(Tl)發光，此時，X射線的能量全部沉積在晶體中；5) 能量較低的X射線背向入射，引起CsI(Na)發光；6) 能量較高的X射線入射，可能引起NaI(Tl)和CsI(Na)同時發光，也可能僅1種晶體發光，但只有2種晶體同時發光時，X射線的能量才能全部沉積。根據GRM的物理目標，GRM需探測正面入射的中等能量的X射線，GRM信號采集系統需實現對信號來源的甄別，篩選出有效的γ暴事例。

圖1 GRD結構

2 GRM信號采集系統設計

GRD由3層閃爍體(PS、NaI(Tl)、CsI(Na))構成，共用一個光電倍增管輸出信號，根據GRD的物理設計，信號采集系統需完成X射線或帶電粒子在3種晶體中能量沉積的讀出，同時判斷GRD輸出信號的來源，由于3種閃爍體發光衰減時間常數不同[6]，可根據GRD輸出電壓脈沖波形判斷信號來源，因此，GRD信號采集系統包括峰值保持電路、脈沖形狀甄別電路、峰值讀取電路和FPGA控制時序。

2.1 峰值保持電路

峰值保持電路的作用是獲取輸入電壓脈沖的峰值，并產生輸出V0=VI(peak)。GRD的3種晶體中PS的輸出信號最快，其發光時間與衰減時間只有幾ns，經過前端電子學的阻容網絡后，脈沖寬度變為約300 ns，上升沿約100 ns，因此，峰值保持電路的響應時間應好于100 ns。由于光電倍增管陽極分壓輸出采用高低增益設計，考慮到信噪比，要求峰值保持電路的線性動態范圍為300～5 000 mV，保持時間可調節，增益為1。

通用的峰值保持電路主要有2種：跨導型與電壓型[7]。電壓型電路原理簡單，但動態范圍小、小幅度響應差，不具有快響應的特征；跨導型峰值保持電路具有響應速度快、動態范圍大和誤差小的優點，但電路結構較復雜。針對核物理實驗中應用的峰值保持電路，文獻[8-10]介紹了相應的改進方法，但在航天電子學的設計中還需考慮電路設計的可靠性、元器件符合航天要求、電路設計簡單、電路控制簡單等特點，本工作對跨導型峰值保持電路進行了改進，其原理示于圖2。

圖2中，輸入第一級采用跨導放大器可得到優異的性能，但由于元器件選型的局限，第一輸入級及隔離級采用運算放大器LM6172，其輸入帶寬為100 MHz，輸入電阻為40 MΩ，壓擺率為3 000 V/μs，信號到達觸發級采用高速電壓比較器AD8561，其延遲時間為7 ns，放電電路采用集成電路DG541，斷開時間為80 ns，FPGA采用XC2V1000。

FPGA控制整個峰值保持過程。當輸入信號幅度達到比較器的閾值時，比較器的輸出變為高電平，FPGA控制模擬開關斷開，第一級放大器的輸出開始對峰值保持電容C42充電，當輸入信號達到峰值后，D2截止，峰值保持電容C42兩端的電壓值即為輸入脈沖的峰值，FGPA控制ADC完成讀出第二級放大器輸出電壓，此電壓值即為輸入電壓脈沖的峰值，FPGA控制模擬開關閉合時，C42開始放電，峰值保持結束，輸出電壓為零，FPGA繼續等待下一個觸發信號。

2.2 脈沖形狀甄別原理

圖2 峰值保持電路原理

圖3 3種晶體對應的電壓脈沖波形

2.3 GRM數據采集系統

GRM數據采集系統框圖示于圖4。本系統主要由峰值保持電路、脈沖形狀甄別電路和FPGA控制邏輯構成，其工作過程為：GRD探頭輸出電壓脈沖信號，通過峰值保持電路實現電壓脈沖峰值獲取和為后續電路提供獲取前后沿閾值，電壓信號經過800 ns延遲芯片后與前后沿閾值符合給出前后沿觸發信號T1和T2，FPGA控制邏輯通過控制ADC讀取電壓脈沖的峰值，同時根據T1和T2獲取脈沖的脈沖寬度信息，在FPGA內部形成包含幅度與寬度信息的物理事例，控制RS232芯片實現與PC的通信，至此，數據采集系統完成了對GRD輸出信號的采集。本系統中比較器采用AD8561，響應時間為10 ns，ADC采用ADC08200，分辨為8 bit，速度為200 MHz，FPGA采用Xilinx公司的2V1000，對脈沖寬度的分辨主要取決于FPGA的工作時鐘，本系統中FPGA的工作時鐘為24 MHz。

3 GRM數據采集系統性能測試

上述數據采集系統研制完成后，設計了一些實驗來測試其性能，在所有實驗過程中，設定數據采集系統的最小觸發閾值為60 mV，此閾值基本可消除系統噪聲的影響，同時不損失系統的線性范圍。利用函數發生器Agilent33521A輸出的脈沖波形模擬GRD的信號，測試本系統對脈沖形狀甄別的性能與脈沖幅度獲取的線性，然后，利用本系統獲取GRD探頭的本底信號。

3.1 函數發生器信號輸入實驗

設置函數發生器輸出波形為脈沖，脈沖前沿為60 ns，脈沖下降沿為300 ns，利用不同脈沖寬度信號測試數據采集系統對脈沖形狀的獲取性能。根據3種閃爍體的實際輸出波形，設置脈沖寬度分別為300 ns、1 μs和1.7 μs，設置脈沖輸入幅度為5 V。采用測試系統對3種信號進行數據采集，獲取的脈沖寬度分布示于圖5。FPGA內部時鐘為24 MHz，系統對脈沖寬度的時間分辨率為41.67 ns。圖5中，橫軸為測試系統獲取輸入脈沖寬度，縱軸為輸入脈沖的計數，對于固定寬度、固定幅度的電壓脈沖，此系統脈沖寬度響應為單一值，分辨為41.6 ns。以上結果說明，本測試系統可有效地根據脈沖前后沿獲取脈沖寬度信息。

圖4 GRM數據采集系統功能框圖

圖5 300 ns、1 μs和1.7 μs電壓輸出脈沖的數據采集獲取結果

圖6 GRM數據采集系統對電壓脈沖幅度的線性獲取

保持函數發生器輸出電壓脈沖的波形不變，改變輸入脈沖波形測試數據采集系統的峰值獲取線性，由于GRD的主探測晶體為NaI(Tl)，設置輸入脈沖波形寬度為1 μs，脈沖幅度范圍為0.2～10 V，圖6為輸入脈沖幅度與系統獲取峰值的線性關系，橫軸為輸入脈沖的電壓幅度Vin，縱軸為將峰值保持電路輸入的直流電平數字化的結果。改變輸入電壓脈沖的幅度后，獲取對應峰值的數據，并對數據進行線性擬合，線性方程為y=-0.058 77+23.000 84x，相關系數為0.999 99。

3.2 GRD探頭本底測試結果

GRM數據采集系統接入GRD探頭輸出信號，在不加放射源的情況下，測量本底數據，測試結果示于圖7。從圖7中可清晰地分辨出探頭輸出3種脈沖寬度的信號，在系統線性范圍內，數據采集系統可有效對脈沖寬度進行獲取。

a——GRD探頭測試本底信號脈沖寬度與幅度的二維分布；b——本底信號脈沖寬度分布

4 結論

通過對傳統跨導型放大器的改進，利用FGPA技術，實現了對多層晶體γ射線探測器輸出信號的峰值和脈沖寬度的精準獲取，此數據采集系統設計穩定可靠，符合航天電子學設計的設計原則，此系統可滿足對多層晶體探測器的性能研究，同時，也為GRM有效載荷的數據采集和數據管理的設計打下基礎。

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