硬X射线调制望远镜卫星中能望远镜设计与验证

曹学蕾 姜维春 张万昌 孟斌 杨生 雒涛 顾煜栋 谭颖

(中国科学院高能物理研究所,北京 100049)

硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星[1]于2017年6月15日在酒泉卫星发射中心成功发射,在轨运行1年多。作为HXMT卫星3台望远镜之一,中能望远镜的主要任务是对5～30 keV能区X射线进行巡天及定点观测。为了实现中能望远镜高时间分辨率和高能量分辨率的要求,本文设计了中能望远镜,概述了其功能组成,详细介绍了Si-PIN探测器、低噪声专用集成电路(ASIC)、高精度准直器3项关键技术,并给出了中能望远镜在轨运行的功能与性能测试结果。

1 中能望远镜设计

根据中能望远镜的任务要求,其主要技术指标见表1。

表1 中能望远镜主要技术指标Table 1 Main performance indexes of medium energy telescope

基于模块化设计的原则,根据资源约束条件与性能指标的要求,中能望远镜设计由3个中能探测器机箱和1个中能电控箱组成,3个中能探测器机箱均与中能电控箱相连,中能电控箱和卫星平台相连。图1为中能探测器机箱在HXMT卫星望远镜主支撑结构上的安装示意。

图1 中能探测器机箱安装结构示意Fig.1 Schematic diagram of medium energy detector box assembly structure

按照功能划分,每个中能探测器机箱包括准直器、探测器、前端电子学组件(包括前端读出电子学、数据采集电路和高压及接口电路)3个部分。准直器主要用于限定观测视场,采用组合视场设计(1°×4°,4°×4°,以及全遮挡),可用于估计在轨观测背景。探测器主要用于X射线光子的探测,可以实现在5～30 ke V能区低噪声、高灵敏探测。因为Si-PIN探测器在5～30 keV能区观测中具有能量分辨率高、线性好的优点,所以探测器采用Si-PIN阵列探测器技术方案。整个中能望远镜共包括1728通道灵敏面积为56.25 mm2、厚度为1 mm的Si-PIN探测器单体。前端电子学组件主要用于探测器输出信号的收集、放大、数字化并传输,采用ASIC技术来实现读出电路的低功耗、低噪声设计。

中能电控箱包括数管电路和二次电源及遥测量感知电路。数管电路负责与卫星平台通信,完成中能探测器机箱与卫星平台之间的数据交换和控制。二次电源使用2组完全相同的电源模块,互为冷备份,为数管电路提供＋5.9 V电源,并为中能探测器机箱提供所需电源。二次电源的设计,除了要满足输出功率的要求,还要综合考虑输入保护、抗干扰、浪涌抑制、噪声控制等其他重要因素的影响。中能电控箱需要产生二次电源的电压遥测信号,以及一次电源的电压、电流遥测信号,主要用于判断系统的功能状态。

中能望远镜具体功能框图见图2。

图2 中能望远镜功能框图Fig.2 Functional block diagram of medium energy telescope

中能望远镜的探测原理为:X射线光子入射到Si-PIN探测器基体内,与探测器硅介质发生相互作用(主要为光电效应、康普顿效应),X射线光子损失全部或者部分能量。该作用过程产生的携带入射光子能量的次级电子在探测器基体发生电离效应,生成空间电荷(即电子-空穴对)。在Si-PIN探测器两极间外加偏置高压170 V,在探测器基体内部形成电场。入射X射线光子与探测器作用产生的电荷,在空间电场的作用下被收集到探测器的电极上。入射X射线光子的能量正比于产生的电荷量,因此通过获得探测器电极收集到的电荷量信息,就可以得到入射X射线光子的能量及时间信息。

中能望远镜设计主要包括的关键技术为:①Si-PIN探测器技术;②低噪声、高灵敏ASIC技术;③高精度准直器技术。其中:ASIC技术为采购国外商业化芯片,在国内完成封装与可靠性筛选;Si-PIN探测器技术与高精度准直器加工技术均在国内完成。

1.1 Si-PIN探测器技术

Si-PIN探测器是一种高性能的以半导体材料硅为探测器基体的X射线探测器。它采用注植工艺在探测器基体内部形成高阻的I层,构成P-I-N器件结构[2-7]。相比面垒型探测器,Si-PIN探测器基体漏电流可以达到皮安量级,匹配读出电子学后具有更高的能量分辨率。采用表面钝化及保护环技术后,Si-PIN探测器表面状态更稳定,而且表面漏电流也降低到皮安量级(低温环境－20℃左右),因此具有更稳定的性能。图3为中能望远镜Si-PIN探测器抽测的低温漏电流结果,在－20℃环境和探测器两极外加180 V偏压情况下,像素漏电流达到约7 p A[9]。

图3 中能望远镜Si-PIN探测器像元漏电流测试结果Fig.3 Leakage current test results of Si-PIN detector in medium energy telescope

按照物理设计的需求,中能望远镜在巡天及定点观测中要达到与高能望远镜近似的通量,探测面积要大于900 cm2。单个像素Si-PIN探测器的面积与其耗尽电压时的结电容成正比,而结电容与电荷灵敏前置放大器的噪声成正比[8]。为保证中能望远镜的能量分辨率,并考虑探测器读出电子学复杂度,根据单路探测器的试验,探测器像素面积设计为50.00 mm2左右。实际设计像素面积考虑阵列设计的结构优化,确定为56.25 mm2(12.5 mm×4.5 mm)。

综合考虑物理设计中对灵敏面积的要求,结合中能望远镜在卫星中的资源条件限制,在探测器研制过程成品率估计的约束条件下,选择2个像素做在同一个硅芯片上(称为“双像素单元”),以有效减小死区,其机械尺寸为14.50 mm×11.01 mm×1.00 mm。同时将2个“双像素单元”探测器封装在一个陶瓷外壳内,形成中能望远镜探测器的最终设计方案,如图4所示。

图4 中能望远镜探测器设计方案Fig.4 Design scheme of medium energy telescope detector

1.2 低噪声、高灵敏ASIC技术

中能望远镜的探测器总共由1728通道的多像元Si-PIN探测单元构成。电子学采用ASIC技术完成设计与研制。日本“朱雀”(Suzaku)卫星的高能X射线望远镜(HXD)采用了与HXMT卫星中能望远镜相同的Si-PIN探测器技术,而由于采用分立器件的读出电子学,受系统功耗限制和电子学系统复杂度的影响,只能增加探测器的灵敏面积来减少电子学通道数,其Si-PIN探测器的定型像素尺寸为21.5 mm×21.5 mm,是HXMT卫星中能望远镜Si-PIN探测器灵敏面积的8.2倍,探测器的结电容是HXMT卫星中能望远镜的4倍。通过在轨观测数据分析,Suzaku卫星的HXD在轨能量分辨率为FWHM 4 ke V左右(在59.5 ke V时),探测能区的下限只能到12 keV[10-11]。HXMT卫星中能望远镜的读出电子学设计,基于ASIC技术,具有低功耗、高集成优点,单通道的功耗在35 mW左右(包括前级场效应管),因此在保证整个中能望远镜灵敏面积在900 cm2以上的前提下,仍然可以采用小像元Si-PIN探测器(56.25 mm2)的方案设计。在实际设计实施过程中,中能望远镜ASIC设计方案,还能同时兼顾可靠性(抗静电设计、抗辐照设计等)和低噪声性能要求。

1)读出电子学设计

在中能望远镜中,每32个Si-PIN探测器像元组成1个探测器模块。每个探测器模块有32个探测器通道,由1片ASIC(VA 32TA6)完成所有通道信号的读取、放大及模数转化。每6片ASIC共用1套数据采集系统,组成1个探测单元,由FPGA实现其逻辑控制,如图5所示。每3个探测单元在1个中能探测器机箱内,因此整个中能望远镜包括3个中能探测器机箱,9个探测单元,54个探测模块。

图5 中能探测器机箱电子学功能框图Fig.5 Electronics functional block diagram of medium energy detector box

2)低噪声设计与实现

中能望远镜的能量分辨率指标要求为FWHM 3 ke V(在17.8 ke V时),优于国际同类仪器FWHM 4 ke V(在59.5 ke V时)的性能指标,在设计中对输入等效噪声的指标进行分析。Si-PIN探测器平均电离能为3.6 eV,能量探测范围5～30 keV对应的等效信号幅度为170～1000μV。能量分辨率FWHM 3 ke V,等效ASIC输入端耦合电容前的等效噪声小于100μV。考虑到该噪声包含了探测器部分噪声及探测器与ASIC匹配参数的影响,实际要求ASIC读出电子学的等效输入噪声要小于50μV。

中能望远镜前端电路的信号特征和噪声指标要求,决定了其对噪声的敏感性。探测器需要的±5.6 V,高压、系统级的接地设计及ASIC工作电压上的滤波,都会对中能望远镜的性能指标产生影响。因此,中能望远镜电子学中关键供电电源的纹波全部在5 m V以下;而且采用数字地、模拟地分开,单点接地的方式,达到了低噪声设计要求。中能望远镜能量分辨率达到FWHM 2.8 ke V(在17.8 ke V时),时间分辨率达到256μs,可以满足HXMT卫星的科学观测应用需求。

1.3 高精度准直器技术

中能望远镜准直器采用了组合视场的设计方案,通过后期的数据处理可以有效减小在轨观测的背景影响,其中全遮挡视场的设计可以估计在轨观测的粒子背景。准直器视场分别为1°×4°、4°×4°和全遮挡3种,不同视场的准直孔在整个中能探测器机箱中的分布如图6所示。其中:1°×4°为15组,4°×4°为2组,全遮挡为1组。

图6 准直器视场分布Fig.6 Layout of collimator field of view

1)钽片对插设计

根据物理需求分析,中能准直器的占空比不小于90%,钽片平行度不大于1′,同时根据HXMT卫星资源限制,单机准直器质量不大于9 kg,且整体准直器模块安装后要满足卫星力学环境的约束要求。根据以上设计约束,可供选择的准直器方案包括平行钽片方案、弓形钽片方案和钽片对插方案3种。

传统的平行钽片方案,是通过安装外框的加工切槽并用平行钽片插入的方式构建准直柵格。根据中能望远镜的物理设计占空比和平行度的要求,平行钽片方案设计的准直器高度和质量均比对插钽片方案设计的增加1倍以上。弓形钽片方案的设计思路,是将薄钽片先行按照准直器柵格的要求,通过模具先行加工成型,再按照平行钽片方案插入外框插槽,见图7。该方案在占空比和资源限制方面可以满足中能望远镜的需要,但存在模块加工完成后钽片回弹的问题,容易变形,因此很难满足HXMT卫星环境适应性要求,其精度也无法保证。钽片对插方案的设计思路为:在安装外框的四面切槽,将钽片中间切槽,在安装外框将钽片垂直对插后,通过激光点焊的方式固定,最后通过点胶工艺进行固化,形成最终产品。图8为钽片栅格单元全部装入铝框后的效果。

图7 弓形钽片示意Fig.7 Schematic diagram of bow shaped tantalum

图8 钽片栅格单元全部装入铝框后的效果Fig.8 Overall layout of all tantalum plates loaded into aluminum frame

2)准直器结构

准直器采用铝合金外框配合内部对插钽片的设计方案。由于机箱上部探测器阵列的总面积较大,为了保证准直器的加工成品率,将准直器分成3个模块,即2块准直器侧块和1块准直器中块。准直器设计总高度为69 mm,上下各设计0.5 mm的凹面,用于保护准直器内部钽片结构。图9为准直器剖面。

图9 准直器剖面Fig.9 Cutaway drawing of collimator

针对资源约束下准直器69 mm高度的限制,准直器柵格准直孔大小为1.17 mm×4.68 mm。根据占空比设计的要求,钽片的厚度设计为0.07 mm。准直孔完全由钽片构成,在满足物理设计需要的准直器占空比(90%以上)要求的同时,还降低了机械加工的难度,保证了准直器的抗力学特性。

2 在轨运行情况

中能望远镜在轨运行1年多,从遥测参数的结果(见图10)分析,探测器机箱(主)总电压和分到各探测器机箱电压的遥测值变化幅度均在±0.1 V,电压稳定,相应的电流监测量变化幅度也在正常允许范围之内,因此中能望远镜设计合理,功能正常。

通过相同像素的在轨数据与地面标定数据分析与比对,可以发现:在轨观测的中能望远镜能量分辨率为FWHM 2.8 keV(在17.8 keV时),与地面标定时的结果完全一致(见图11)。能量分辨率指标达到预期结果,可以满足科学分析所需要的仪器指标要求。

图10 中能望远镜在轨遥测电压和电流结果Fig.10 Voltage and current telemetry results of medium energy telescope in orbit

图11 中能望远镜在轨运行1年后带标定源(Am-241)测试能谱与地面标定时能谱对比Fig.11 Am-241 source spectrum after one year in-orbit operation compared with ground calibration of medium energy telescope

分析中能望远镜的到达时间间隔谱(如图12所示)可知:到达时间间隔谱中各探测单元的到达时间间隔截止位置均在256μs左右,即系统的时间分辨率为256μs,远优于物理需求分析对中能望远镜时间分辨率的指标要求(1 ms)。

图12 中能望远镜各探测单元到达时间间隔谱Fig.12 Arrival time interval spectrums of all detection units in medium energy telescope

3 结束语

HXMT卫星中能望远镜以Si-PIN探测器与ASIC为主要技术方案,并利用高精度准直器技术保证其空间分辨率,在轨运行性能指标达到了工程任务的指标要求。目前,该望远镜已在轨正常工作1年多,各项功能性能指标稳定。中能望远镜设计中采用的Si-PIN探测器技术和低噪声、高灵敏ASIC技术,以及高精度准直器技术,在后续类似空间项目及地面试验应用方面都具有实际应用价值。

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