空间粒子辐射监测器用模拟信号源的实现

施伟红，何正文，陈鸿飞，于向前，邹 鸿，邹积清

（1.北京大学 地球与空间科学学院 空间物理与应用技术研究所，北京 100871；2.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

0 引言

空间粒子辐射监测器用于监测航天器内部的高能电子和质子的辐射通量，已作为“资源一号”卫星环境分系统载荷交付使用。该设备通用性强，可以广泛应用于空间探测、空间实验室等项目。

在设备研制、调试、验收及整星联合测试过程中，需要有信号源来模拟空间高能粒子产生的电信号，以检测设备的电性能和功能。空间粒子辐射监测器要求配用的模拟信号源有3路模拟信号同时输入，并在实验室、生产车间、环境实验室、整星测试站及靶场等多个场地间辗转使用；而从美国进口的ORTEC模拟信号源只有1路输出，不符合使用要求，且设备体积大、较笨重，使用不便。为此，作者针对空间粒子辐射监测器的特点，自行研制了一套专用的模拟信号源，其体积小、重量轻，且性能优异。下面对该模拟信号源进行介绍。

1 问题分析

ORTEC模拟信号源设备功能强大，包括高压电源模块、低压电源模块、波形发生器及功放等几大部分，可以对输出信号进行各种调整，完成复杂的试验。但对于空间粒子辐射监测器这样的单台设备研制来说，这些功能过于复杂。

空间粒子辐射监测器由1个电子测量通道和2个质子测量通道组成，分别为：高能电子（0.5～2.0 MeV，≥ 2.0 MeV），高能质子1（5～30 MeV，30～60 MeV），高能质子2（60～120 MeV，120～300 MeV）。因此，模拟信号源需要同时提供3路输出，对应于设备的3个独立测量通道；需要提供准确频率的脉冲信号以测试设备的计数率；需要有反质子信号功能，以测试设备的反质子污染功能。即该模拟信号源设计应达到如下目标：

1）提供3路同步信号，且各路信号幅度可独立调整；2）模拟高能电子产生的信号，对应于电子测量通道，覆盖2个电子测量能档；3）模拟高能质子产生的信号，对应于2个质子测量通道，覆盖4个质子测量能档；4）产生反质子模拟信号，以检测电子测量通道的反质子污染功能；5）提供准确频率的脉冲信号，且波形接近于粒子在探测器中产生的电信号。

2 模拟信号源设计

2.1 用电信号模拟入射粒子能量的原理

根据第1部分提出的设计目标，模拟信号源的设计原理和方案如下。

在空间高能粒子探测中，常使用半导体固体探测器作为传感器。其中PIN探测器是近年来较多采用的探测器，利用离子注入掺杂法构成P-I-N结[1]。北京大学微电子研究所通过多年研究，采用先进的半导体微机械工艺，研制出离子注入型探测器[2]。当粒子入射到半导体探测器时，入射粒子与硅原子发生库仑碰撞，使原子的外层电子脱离原子核束缚，形成载流电子；而原子由于失去电子而形成起载流作用的空穴。硅原子的平均电离能为3.6 eV[3]。高能入射粒子在探测器中产生很多的电子-空穴对，在探测器内部电场作用下向探测器的两极运动，在探测器表面形成感应电荷[4]。感应电荷被读出电路收集并放大，变为可以测量的电信号。模拟信号源根据粒子在半导体探测器中产生信号这一特性，模拟入射粒子在探测器中产生的电信号。

空间粒子辐射探测器由半导体探头及其读出电路、高压单元（HVU）、信号处理单元和数据处理单元[5]4部分组成。为配合测试，在读出电路前端，设计了一个模拟信号源的输入接口，其等效电路如图1所示。

图1 模拟信号源接口等效电路Fig.1 Interface equivalent circuit for analog signal source input

当模拟信号为电压脉冲时，将在Ci上充电，其充电电荷累积到探测器的等效电容Cd上。由于Ci的电容值远小于Cd的电容值，所以模拟信号产生的电荷量由公式(1)[6]

给出，其中：Q为充电电荷量；V为模拟信号源的脉冲电压幅度。

粒子入射到探测器以后，由于电离作用在探测器内产生电子和空穴，电子-空穴对的运动在探测器两端产生感应电荷，产生的电荷量正比于入射粒子在探测器中损失的能量（沉积能量）。根据标定实验，可以求出探测器输出电荷量与入射粒子能量之间的关系。根据公式(1)可知模拟信号源的输出信号电压幅度等效于入射粒子的沉积能量，再由入射粒子的沉积能量与入射能量的关系，可以得到模拟信号源的输出信号电压幅度所对应的入射粒子能量。

2.2 设计方案

模拟信号源由脉冲信号发生器、脉冲整形电路、驱动放大器、稳压电源和电池组等部分组成。其设计方案原理如图2所示。

为将脉冲方波调制成为快速上升、慢速下降的锯齿形波，使输出波形更接近于粒子在探测器中产生的电信号，在脉冲信号发生电路后设置脉冲整形电路。

将模拟信号源由外部供电改为内部电池供电，使用3节5号干电池，供电电压为直流4.5 V，由稳压电源稳压到2.5 V后，提供给各器件使用。这种供电方式使信号源的体积小巧，并且可以完全避免供电干扰和设备间通过电源线的干扰。由于信号源功耗很小，3节电池可以支持较长时间的试验需要。

根据空间粒子辐射监测器的几何因子、电路响应时间，将模拟信号源的输出信号频率设定为2 kHz。

在使用中可以通过旋钮调节各路输出信号的幅度，最大幅度依据探测器的标定结果设定。在锯齿形波产生之后，设置信号放大电路，使输出的锯齿形信号在负载为51 Ω的条件下，能够驱动空间粒子辐射监测器的信号输入电路。

图2 模拟信号源原理框图Fig.2 Schematic diagram of the analog signal source

3 设计实施情况

根据以上设计完成的模拟信号源，其电性能和功能达到设计要求，实际指标如表1所示。

表1 模拟信号源电性能指标Table 1 Electrical properties of the analog signal source

实际的信号源操作面板如图3所示：中间为信号输出插座（OUT）；右边为3个控制开关；左边为3个调节旋钮。

图3 模拟信号源操作面板Fig.3 The control panel of the analog signal source

1）3个控制开关

PW开关：控制电源供电，设备不使用时需要关闭开关，避免电池过放电。

Se 开关：控制电子通道的模拟信号输出，在使用放射源时需要关闭。

Sde开关：控制电子通道的反质子污染功能的开闭，打开时模拟质子进入电子探头的情况。

2）3个调节旋钮

Ve 旋钮：调节电子通道的模拟信号强度，可以等效为入射电子的能量，即强度越大，等效入射电子能量越高。

Vp1旋钮：调节质子1通道的模拟信号强度，可以等效为5～60 MeV之间入射质子的能量，即强度越大，等效入射质子能量越低。

Vp2旋钮：调节质子2通道的模拟信号强度，可以等效为60～300 MeV之间入射质子的能量，即强度越大，等效入射质子能量越低。

自制完成的模拟信号源外形尺寸为 113 mm×78 mm×44 mm，原进口ORTEC模拟信号源外形尺寸为482 mm×580 mm×221 mm，两者的对比效果如图4所示。可见自制模拟信号源在体积上明显小巧，使用更为方便、灵活。

图4 模拟信号源大小对比Fig.4 Comparison between the imported ORTEC analog signal source and the self-developed one

4 结束语

本文以国外能谱测试仪的模拟信号源作为设计原型，针对空间粒子辐射监测器的特点和需求，研制了专用模拟信号源。该信号源设计简洁，运行稳定，体积远小于进口设备，并且有3路信号输出，各路输出可独立调节，方便携带和使用。同时该信号源应用独立性强，可以广泛应用于空间探测设备、空间实验室等项目。

（References）

[1]欧阳晓平, 李真富, 张国光, 等.电流型大面积PIN探测器[J].物理学报, 2002, 51(7)： 1502

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[2]张太平, 张录, 宁宝俊, 等.平面工艺辐射探测器的研制[J].半导体学报, 2001, 22(3)： 354

Zhang Taiping, Zhang Lu, Ning Baojun, et al.Fabrication of Si radiation detector with plane technology[J].Chinese Journal of Semiconductors, 2001,22(3)： 354

[3]焦维新.空间探测[M].北京大学出版社, 2002： 81

[4]童诗白, 华成英.模拟电子技术基础[M].3版.北京：高等教育出版社, 2000： 2

[5]于向前, 陈鸿飞, 邹积清, 等.空间粒子辐射探测器高压电源设计[J].核电子学与探测技术, 2008, 28(3)： 529

Yu Xiangqian, Chen Hongfei, Zou Jiqing, et al.Design of high voltage unit in particle detector in space[J].Nuclear Electronics and Detection Technology, 2008,28(3)： 529

[6]邱关源.电路[M].4 版.北京： 高等教育出版社, 1999： 10