GRM复合晶体探测器读出系统设计

刘江涛，董永伟，宋黎明，吴伯冰，张永杰，徐 鹤

(1.中国科学院 高能物理研究所，北京 100049；2.中国科学院大学，北京 100049)

γ射线暴(简称γ暴)是能探测到的发生于宇宙学尺度上的恒星级天体中的γ射线爆发过程，同时伴随长时间的余辉现象。根据现有的研究，猜测其形成原因是两个致密天体如中子星或黑洞的合并或是在大质量恒星演化为黑洞的过程中产生的。γ暴爆发时，在很小的空间内释放巨大能量，所以γ暴现象涉及一些仅发现于极少数天体现象中的极端条件下的物理过程。在认识和了解宇宙的过程中，γ暴具有重大的科学意义。对γ暴的深入研究，需要实现对γ暴的连续准确定位，同时测量γ暴的红移和Epeak等参数[1-4]。空间多波段变源监视器(SVOM)是中国和法国多家科研单位联合研制的专门用于γ暴探测的科学卫星，将于2017年发射，其主要物理目标为：探测所有已知类型的γ暴；实现对γ暴的快速准确定位；从可见光到硬X射线宽波段范围内对γ暴辐射进行探测；对γ暴的可见光余辉和近红外余辉进行识别。

γ射线谱仪(GRM)是SVOM的一个重要测量工具，主要用于γ射线能量测量，测量范围为50～5 000 keV，GRM可对所有被SVOM精确定位的γ暴进行大动态范围Epeak测量，且可根据γ射线能谱的显著性实现SVOM对γ暴的实时触发[5]。

地球轨道天然空间辐射粒子包括地磁场俘获辐射带粒子和宇宙射线，辐射粒子包括氢、重离子、电子、X射线、γ射线等，辐射方向基本为4π，且能量分布非常广。GRM需在复杂的辐射环境中对某一固定方向的γ射线进行探测，除在探测器前安装准直器外，探测介质由3层闪烁体构成，以实现背向入射γ射线反符合和前向入射带电粒子屏蔽，因此，GRM的数据采集系统需实现3种信号及其混合信号的甄别，同时需满足航天电子学设计可靠性要求。本工作基于跨导放大器原理设计峰值保持电路，利用FPGA技术控制整个系统时序。

1 GRM复合晶体探测器

GRM由两个独立的γ射线探测器(GRD)组成，GRD的探测能区为30～5 500 keV，其结构示于图1。GRD由塑料闪烁体(PS)、NaI(Tl)和CsI(Na)构成，3种晶体的直径均为190 mm。PS的厚度为6 mm，用于屏蔽空间低能带电粒子；NaI(Tl)闪烁体的厚度为15 mm，是GRD的主探测器晶体；CsI(Na)晶体的厚度为35 mm，是GRD的另外一种主探测晶体，它不仅可扩展GRD的探测能区，还可屏蔽背向入射的低能X射线和带电粒子。3种晶体通过光学胶粘合到一起，利用同一个光电倍增管完成光电转换，前端电子学的电荷灵敏前置放大器进行电荷积分，数据采集系统对GRD输出的电压脉冲信号进行处理。

由于空间中的辐射环境复杂，GRD中的3种闪烁体可能会同时发光，也可能只有1种或2种晶体发光，对于GRD的信号来源可分为以下几种情况：1) 低能带电粒子正向入射，引起PS发光；2) 低能带电粒子背向入射，引起CsI(Na)晶体发光；3) 能量较高的带电粒子入射，可能引起3种晶体同时发光、塑料闪烁体与NaI(Tl)发光、CsI(Na)与NaI(Tl)发光；4) 能量较低的X射线正向入射，引起NaI(Tl)发光，此时，X射线的能量全部沉积在晶体中；5) 能量较低的X射线背向入射，引起CsI(Na)发光；6) 能量较高的X射线入射，可能引起NaI(Tl)和CsI(Na)同时发光，也可能仅1种晶体发光，但只有2种晶体同时发光时，X射线的能量才能全部沉积。根据GRM的物理目标，GRM需探测正面入射的中等能量的X射线，GRM信号采集系统需实现对信号来源的甄别，筛选出有效的γ暴事例。

图1 GRD结构

2 GRM信号采集系统设计

GRD由3层闪烁体(PS、NaI(Tl)、CsI(Na))构成，共用一个光电倍增管输出信号，根据GRD的物理设计，信号采集系统需完成X射线或带电粒子在3种晶体中能量沉积的读出，同时判断GRD输出信号的来源，由于3种闪烁体发光衰减时间常数不同[6]，可根据GRD输出电压脉冲波形判断信号来源，因此，GRD信号采集系统包括峰值保持电路、脉冲形状甄别电路、峰值读取电路和FPGA控制时序。

2.1 峰值保持电路

峰值保持电路的作用是获取输入电压脉冲的峰值，并产生输出V0=VI(peak)。GRD的3种晶体中PS的输出信号最快，其发光时间与衰减时间只有几ns，经过前端电子学的阻容网络后，脉冲宽度变为约300 ns，上升沿约100 ns，因此，峰值保持电路的响应时间应好于100 ns。由于光电倍增管阳极分压输出采用高低增益设计，考虑到信噪比，要求峰值保持电路的线性动态范围为300～5 000 mV，保持时间可调节，增益为1。

通用的峰值保持电路主要有2种：跨导型与电压型[7]。电压型电路原理简单，但动态范围小、小幅度响应差，不具有快响应的特征；跨导型峰值保持电路具有响应速度快、动态范围大和误差小的优点，但电路结构较复杂。针对核物理实验中应用的峰值保持电路，文献[8-10]介绍了相应的改进方法，但在航天电子学的设计中还需考虑电路设计的可靠性、元器件符合航天要求、电路设计简单、电路控制简单等特点，本工作对跨导型峰值保持电路进行了改进，其原理示于图2。

图2中，输入第一级采用跨导放大器可得到优异的性能，但由于元器件选型的局限，第一输入级及隔离级采用运算放大器LM6172，其输入带宽为100 MHz，输入电阻为40 MΩ，压摆率为3 000 V/μs，信号到达触发级采用高速电压比较器AD8561，其延迟时间为7 ns，放电电路采用集成电路DG541，断开时间为80 ns，FPGA采用XC2V1000。

FPGA控制整个峰值保持过程。当输入信号幅度达到比较器的阈值时，比较器的输出变为高电平，FPGA控制模拟开关断开，第一级放大器的输出开始对峰值保持电容C42充电，当输入信号达到峰值后，D2截止，峰值保持电容C42两端的电压值即为输入脉冲的峰值，FGPA控制ADC完成读出第二级放大器输出电压，此电压值即为输入电压脉冲的峰值，FPGA控制模拟开关闭合时，C42开始放电，峰值保持结束，输出电压为零，FPGA继续等待下一个触发信号。

2.2 脉冲形状甄别原理

图2 峰值保持电路原理

图3 3种晶体对应的电压脉冲波形

2.3 GRM数据采集系统

GRM数据采集系统框图示于图4。本系统主要由峰值保持电路、脉冲形状甄别电路和FPGA控制逻辑构成，其工作过程为：GRD探头输出电压脉冲信号，通过峰值保持电路实现电压脉冲峰值获取和为后续电路提供获取前后沿阈值，电压信号经过800 ns延迟芯片后与前后沿阈值符合给出前后沿触发信号T1和T2，FPGA控制逻辑通过控制ADC读取电压脉冲的峰值，同时根据T1和T2获取脉冲的脉冲宽度信息，在FPGA内部形成包含幅度与宽度信息的物理事例，控制RS232芯片实现与PC的通信，至此，数据采集系统完成了对GRD输出信号的采集。本系统中比较器采用AD8561，响应时间为10 ns，ADC采用ADC08200，分辨为8 bit，速度为200 MHz，FPGA采用Xilinx公司的2V1000，对脉冲宽度的分辨主要取决于FPGA的工作时钟，本系统中FPGA的工作时钟为24 MHz。

3 GRM数据采集系统性能测试

上述数据采集系统研制完成后，设计了一些实验来测试其性能，在所有实验过程中，设定数据采集系统的最小触发阈值为60 mV，此阈值基本可消除系统噪声的影响，同时不损失系统的线性范围。利用函数发生器Agilent33521A输出的脉冲波形模拟GRD的信号，测试本系统对脉冲形状甄别的性能与脉冲幅度获取的线性，然后，利用本系统获取GRD探头的本底信号。

3.1 函数发生器信号输入实验

设置函数发生器输出波形为脉冲，脉冲前沿为60 ns，脉冲下降沿为300 ns，利用不同脉冲宽度信号测试数据采集系统对脉冲形状的获取性能。根据3种闪烁体的实际输出波形，设置脉冲宽度分别为300 ns、1 μs和1.7 μs，设置脉冲输入幅度为5 V。采用测试系统对3种信号进行数据采集，获取的脉冲宽度分布示于图5。FPGA内部时钟为24 MHz，系统对脉冲宽度的时间分辨率为41.67 ns。图5中，横轴为测试系统获取输入脉冲宽度，纵轴为输入脉冲的计数，对于固定宽度、固定幅度的电压脉冲，此系统脉冲宽度响应为单一值，分辨为41.6 ns。以上结果说明，本测试系统可有效地根据脉冲前后沿获取脉冲宽度信息。

图4 GRM数据采集系统功能框图

图5 300 ns、1 μs和1.7 μs电压输出脉冲的数据采集获取结果

图6 GRM数据采集系统对电压脉冲幅度的线性获取

保持函数发生器输出电压脉冲的波形不变，改变输入脉冲波形测试数据采集系统的峰值获取线性，由于GRD的主探测晶体为NaI(Tl)，设置输入脉冲波形宽度为1 μs，脉冲幅度范围为0.2～10 V，图6为输入脉冲幅度与系统获取峰值的线性关系，横轴为输入脉冲的电压幅度Vin，纵轴为将峰值保持电路输入的直流电平数字化的结果。改变输入电压脉冲的幅度后，获取对应峰值的数据，并对数据进行线性拟合，线性方程为y=-0.058 77+23.000 84x，相关系数为0.999 99。

3.2 GRD探头本底测试结果

GRM数据采集系统接入GRD探头输出信号，在不加放射源的情况下，测量本底数据，测试结果示于图7。从图7中可清晰地分辨出探头输出3种脉冲宽度的信号，在系统线性范围内，数据采集系统可有效对脉冲宽度进行获取。

a——GRD探头测试本底信号脉冲宽度与幅度的二维分布；b——本底信号脉冲宽度分布

4 结论

通过对传统跨导型放大器的改进，利用FGPA技术，实现了对多层晶体γ射线探测器输出信号的峰值和脉冲宽度的精准获取，此数据采集系统设计稳定可靠，符合航天电子学设计的设计原则，此系统可满足对多层晶体探测器的性能研究，同时，也为GRM有效载荷的数据采集和数据管理的设计打下基础。

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