空间辐射粒子LET谱探测技术及设计分析

安 恒 文 轩 李得天 王 鹢 李存惠 杨生胜 秦晓刚王 俊 张晨光 曹 洲

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室 兰州 730000）

保障空间安全、空间信息获取及态势感知预警等需求都依赖于探测器对于空间环境信号、空间环境因素的准确获取能力。空间辐射场是一个复杂的混合粒子的辐射场［1］，主要包括空间的带电粒子（银河宇宙线（Galactic Cosmic Rays，GCR）、太阳宇宙线、太阳风等离子体和磁层粒子等），空间X 射线、γ射线，空间中性粒子（主要指太阳中子、大气中子），如图1所示。

图1 空间辐射环境Fig.1 Space radiation environment

空间中的粒子辐射损伤属于综合影响，可依据线性能量传输（Linear Energy Transfer，LET）谱区分出不同能量段的粒子对LET谱的贡献；区分辐射带粒子和磁层扰动时粒子的贡献；对LET谱积分可以得到入射粒子的总流量和总辐射剂量。利用这些信息可以深入研究单粒子翻转事件机理；探索辐射环境与生物体基因组织学的关系；发现粒子辐射对人体器官的损伤机制等。因此空间粒子的LET 谱是研究空间物理现象，保障航天器和航天员安全，探索生物材料在空间中遗传变异影响的重要依据。突发的大剂量事件（银河宇宙射线中X射线、γ射线爆等）对太空舱及宇航员的损伤是无法预估的。针对于长时间的空间任务例如登月计划及空间站建设运行等，需要对空间辐射LET 谱进行实时监测，得到吸收剂量和剂量当量、有效品质因子。在国际空间站任务 ISS-12（2005～2006 年）、ISS-13（2006 年 3～9 月）等综合使用了多种探测器，如：组织等效正比计数器（Tissue Equivalent Proportional Counter，TEPC）、硅实时辐射监测仪（Real-time Radiation Monitoring Detector， RRMD）、热释光剂量计（Thermoluminescent Dosimeter，TLD）、CR-39 塑料核径迹探测器（Plastic Nuclear Tracking Detector，PNTD）、光释光剂量计（Optical Stimulated Luminescent Dosimeter，OSLD）等，对空间辐射的LET 谱进行深入细致的研究。其中主动式探测器TEPC 及RRMD 可实时监测辐射场 LET 谱，在空间辐射测量领域有着广阔的应用前景。

1 空间LET谱探测技术研究现状

目前，对于空间LET 谱探测技术逐渐趋向于综合化、智能化方向，研制的探测器出现了多粒子、复合化的发展趋势。国外有多个卫星均安装了望远镜式LET谱探测器，如 ：DOSTEL（DOSimetry TELscope）等。对于LET 谱测量方面，目前常用的测量方法有：生物等效比例计数器、固体核径迹探测器、热致发光探测器、基于径迹蚀刻的LET 光谱计（Polyallyldiglycolcarbonate-Tracketch Detectror，PADC-TED）等。早期国外在粒子LET 谱探测载荷以TEPC 和RRMD 为主。美国为了能实时地测量LET 谱的分布，设计了两种类型的实时辐射监测探测 器（Real-time Radiation Monitoring Device，RRMD），可监测到0.2～4 000 keV·μm−1的LET值，覆盖了LET数值的大部分范围，可以满足空间辐射环境危害评估的需求。RRMD-I型监测器搭载于STS-65 卫星，成功测量出了5 keV·μm−1及其以上的LET谱分布。而RRMD-Ⅱ型监测器也在1996 年的STS-79 卫星中进行了飞行测试试验，获得了3.5 keV·μm−1及其以上的LET 谱分布。这两次测试实验都成功观测了高LET谱区域，但由于监测器极限值的限制，没能观测到低LET 谱，尤其是3.5 keV·μm−1以下的LET 谱分布。为了能观测到相关质子起主要作用的低LET范围的谱分布，设计了RRMD-Ⅲ监测器，在STS-84 任务中搭载，在轨运行223.1 h，探测了距地300～400 km 空间内的空间环境。该探测器利用双边硅微条半导体探测器测量了动态范围在0.2～600 keV·μm−1的LET 值。又如CR-39 探测器在 ISS-Exception 2、STS-108、STS-112、ISS-7S、STS-114 和 STS-121 实验中进行了搭载，并获得了相应的空间重离子LET 谱数据，RRMD-III［2］探测器如图2所示。

如 NASA（National Aeronautics and Space Administration）在 LRO［3］（Lunar Reconnaissance Orbiter）轨 道 器上 搭载 的 CRaTER［4］（The Cosmic Ray Telescope for the Effects of Radiation）探测器用于探测太阳高能质子和银河宇宙射线在材料中的电离能损，其通过硅固态探测器和组织等效塑料相结合的方式实现LET谱测量，探测器如图3所示。

图3 LRO飞行器及CRaTER探测器示意图Fig.3 Schematic diagram of LRO aerocraft and CRaTER detector

其性能指标如表1所示。

ESA（European Space Agency）借鉴了空 间CREDO（Cosmic Ray Environment Dosimetry）和SURF 探测的成功经验开发了 MERLIN 探测器［5］（体积和功耗小）（图4），MERLIN 是由英国QinetiQ公司研制，已经成功搭载于Shuttle、Skynet、UoSAT、STRV、APEX、Concorde 卫星。MERLIN 主要功能是：

1）电子和质子能量和通量测量；

2）表面和深层介质充电监测；

3）重 离 子 LET 谱 测 量（16 通 道 、0.1～200 MeV·cm2·mg−1）；

4）总剂量测量（RadFETS，3 mm Al 和 6 mm Al屏蔽）。

其中质子和重离子探测使用两个望远镜（telescope），每个望远镜包括两个一致性半导体探测器，用来确定粒子到达的方向和通过探测器的路径长度。在其中一个探测器中放大电荷沉积能量，分析脉冲高度，并给出LET 谱；另一个探测器监测低阈值以上的记数。

Taylor 等［6］研制了微型辐射环境监测仪（Micro Radiation Environment Monitor，MuREM），并 在TechDemoSat-1卫星上进行了搭载飞行，其基于PIN二极管的重离子通量和LET探测器，如图5所示，面积为3 cm×3 cm、300 μm 厚的PIN 二极管的输出信号经CR-RC 脉冲成形、峰值保持，再经ADC（Analog to Digital Converter）读出电路得到粒子入射的信息。 其重离子LET 探测范围是2～20 MeV·cm2·mg−1，计数率为 5 000 事件/秒；而质子LET探测范围是0.1～5 MeV·cm2·mg−1。

近年来，国外在粒子LET 谱探测载荷向更高（灵敏度）、更精（分辨率）、更强（多任务、多功能）、更准（标定能力）、更宽（观测范围/谱段）、更微小、更轻型、综合化和智能化的方向发展。如：典型的粒子复合探测器是NASA研制的RAD［7］（Radiation Assessment Detector）探测器，是目前探测粒子种类最全的空间辐射探测器，在2011 年11 月26 日发射的火星科学实验飞船MSL（Mars Scientific Lab）上搭载，如图6所示，主要用于探测空间辐射粒子环境（包括电子、质子、中子、γ等）。其能量探测范围为：电子0.15～15 MeV，质子与α 粒子4.3～100 MeV·n−1，重离子（High Z particles，HZP）5～270 MeV·n−1，中子2～100 MeV，X/γ<1.5 MeV。

表1 CRaTER探测器性能指标Table 1 Performance index for CRaTER detector

图4 MERLIN监测器内部组件分布及功能Fig.4 Distribution and function of internal component of MERLIN detector

图5 MuREM探测器Fig.5 MuREM detector

图6中的RAD探测器A、B、C是三片Si半导体，D 是 CsI 闪烁晶体，半导体A、B、C 能够给出带电粒子的电荷数，ABC三片半导体可以组成低能质子和重离子的测量的ΔE-E望远镜，它们与D组合又能够组成高能质子和重离子的测量的ΔE-E望远镜。C和D可以组成电子能量测量的探测器。D探测器及CsI闪烁晶体同时能够测量γ射线的能量。E是塑料闪烁体，通过中子与氢原子核的碰撞反应测量中子能量和通量。F 是反符合闪烁体，用于带电粒子、γ和中子测量中的非真事件。

NASA 格林研究中心（Glenn）正在开展全向空间辐射探测系统，将各类探测器集成在更加紧凑的球形结构中［8］，如图7 所示。开发出寿命、功耗和信噪比大幅改进的固体探测器，扩大了探测器的能量范围和灵敏度，并且降低了体积和重量，且能够在球形各面监测全向4π空间高能粒子。

图6 RAD探测器结构图Fig.6 Diagram of RAD detector structure

该系统由LET 探测器堆叠，并且与反符合探测器一起将切伦科夫探测器包围在球形中央，如图8所示。

通过采用宽带隙半导体探测器等技术，经过优化的球形全向空间辐射探测器有望达到表2所示的设计指标。

欧洲发展的 SREM（Standard Radiation Environment Monitor）的 新 一 代 NGRM（New Generation Radiation Monitor）探测器［9］，由质子、重 离子探测单元和电子探测单元组成，如图9所示。

图7 球形空间辐射探测器设计概念示意图Fig.7 Diagram of spherical space radiation detector

图8 球形空间辐射探测器内部结构示意图Fig.8 Schematic diagram of internal structure of spherical space radiation detector

表2 球形空间辐射探测器技术指标Table 2 Technical index of spherical space radiation detector

图9 NGRM探测器外观图Fig.9 Outside view of NGRM detector

NGRM 探测器的质子和重离子探测单元HEP（High Energetic Particles）由7片300 μm的Si二极管组成，中间夹有不同厚度的Al或Ta降能片，如图10所示。7片Si半导体和Ta降能片组合能够探测的质子能量范围为6～200 MeV，电子探测单元ED 由16个0.5 mm厚的环形硅探测器组成，电子测量能够覆盖的能量范围为0.1～7 MeV。

国内早期主要采用固体核径迹探测器（Solid Semiconductor Nuclear Tracking Detector，SSNTD）的方法测量LET 谱。1996 年发射升空的科学探测和技术实验返回式卫星搭载固体核径迹探测器CR-39探测器测量重离子的LET分布。神舟系列3号、4号、5号飞船中也搭载固体核径迹探测器，成功测量出舱内的LET谱分布。

近年来，我国也研制了基于半导体的探测器，开始在低轨和中轨道卫星上布局LET谱探测器，用于空间重离子的LET谱测量。但由于体积大、功耗高的劣势，限制了其在未来微纳卫星等平台的进一步应用。另外，也研制了一些基于纳米材料如金刚石、石墨烯等小型探测器，但都处于地面原理验证阶段，还未实现在轨飞行应用。

图10 NGRM质子、重离子探测单元HEP(a)和电子探测单元ED（b）Fig.10 Proton,heavy ion detection unit HEP(a)and electronic detection unit ED(b)of NGRM detector

通过对比分析国外研究现状可以看出，空间辐射粒子LET谱探测技术呈现出如下趋势：

1）探测器呈现复合化、智能化，一个探测器集成了多种传感器，可实现多种粒子及LET 的综合探测；

2）探测精度越来越高，粒子能量范围越来越宽，位置分辨能力越来越强；

3）探测器体积更小、功耗更低，逐步发展为微型化的微纳载荷。

2 基于硅半导体望远镜结构的LET谱探测器分析与设计

2.1 探测原理

当带电粒子入射Si 半导体材料后，单位路径长度（Δx）上沉积的平均能量（ΔE）即为LET，也就是ΔE/Δx，原理示意如图11所示。

式中：ΔE为入射离子在探测器中的沉积能量，MeV；Δx为粒子在探测中通过的路程，μm；ρ为硅材料的密度，g·cm−3。

将式（1）进行单位统一换算，得到LET 计算式为：

此时，LET谱的单位为MeV·cm2·mg−1。

图11 LET谱探测原理示意图Fig.11 Principle of LET spectrum detection

2.2 探测器分析与设计

2.2.1 基于半导体探测器设计与仿真分析

设计的望远镜结构探测器采用硅微条半导体探测器来表征带电粒子穿过探测器时的能量损失率。因空间辐射粒子 LET 谱在 0.01～100 MeV·cm2·mg−1范围内变化，因此在设计探测器时以此作为探测器设计的依据。质子在硅中的射程和LET 值（MeV·cm2·mg−1）如图12所示。

图12 质子入射硅的射程及LET值Fig.12 Range and LET value of protons incident into silicon

在10 keV～5 GeV能量范围内，质子在硅中的最小 LET 值 约 为 0.001 67 MeV·cm2·mg−1，在 大 于5 GeV 时 ，由于 LET 的相对论上升 ，LET 升高。若100 MeV 质子来说，LET 约为 0.006 MeV·cm2·mg−1；500 MeV 质子来说，LET 约为 0.002 MeV·cm2·mg−1，1 GeV质子来说，LET约为0.001 7 MeV·cm2·mg−1。

宇宙空间重离子主要为质子到铁离子，原子序数大于铁的离子通量可忽略。Fe 离子在硅中的射程和LET值（MeV·cm2·mg−1）如图13所示。

图13 Fe离子入射硅的射程和LET值Fig.13 Range and LET value of Fe incident into silicon

在10 MeV～5 GeV 能量范围内，Fe 离子在硅中的最大 LET 值约为 29.3 MeV·cm2·mg−1。700 MeV Fe离子在Si中LET如图14所示。

指标要求上限为100 MeV·cm2·mg−1，考虑到加速器实现条件，可选用238U 离子进行标定。1 GeV238U离子在硅中的LET如图15所示。

考虑到探头前端需Al 膜屏蔽空间紫外等其他射线，1 GeV238U离子在10 μm Al膜和50 μm硅中的LET谱如图16所示。

图14 700 MeV Fe离子在Si中LETFig.14 LET of 700 MeV Fe ion incident into Si

因此，探头用于测量 100 MeV·cm2·mg−1的硅探测器厚度不应大于20 μm。

图15 1 GeV 238U在Si中LETFig.15 LET spectrum of 1 GeV 238U ion incident into Si

图16 1 GeV 238U离子在10 μm Al膜和50 μm Si中的LET谱Fig.16 LET spectrum of 1 GeV 238U ion incident into 10 μm Al film and 50 μm Si

为了扩大探测粒子能量的动态范围，采用ΔE1+ΔE2+ΔE3+E的多叠层望远镜结构，设计的探测器结构方案设计如图17所示。

经理论计算，D1 硅探测器厚度应为20 μm，D2为 150 μm 厚度硅探测器，D3、D4 探测器为 1 mm 厚度硅探测器。但考虑到半导体探测器的实际工艺，D1 探测器的厚度选择150 μm，其余探测器D2、D3、D4仍然按照理论设计的参数进行探测器结构设计。由此，探测器的厚度设计依次为D1、D2 是150 μm，D3、D4 的厚度为1 mm，所有探测器灵敏面积均为3.2 cm×3.2 cm，选用硅微条探测器，可以实现0.5 mm位置分辨，同时可对入射重离子进行径迹重建，给出离子入射方位，可以修正离子入射角度对LET值测量的影响。

图17 LET谱探头Fig.17 The probe of LET spectrum

D1、D2 探测器主要探测高LET值，采用低增益信号处理；D3、D4 探测器主要测量低LET 值，采用高增益信号处理。D2、D3、D4探测器同时输出触发信号。

2.2.2 电子学系统设计

设计的探测器电子学系统主要包括望远镜探测单元和电子学单元，如图18 所示，其中望远镜探测单元主要包括硅半导体探测器和前置放大器，电子学单元主要包括脉冲成形、峰值保持、模数转换器（Analogy to Digital Converter，ADC）、FPGA（Field Programmable Gate Array）、数据通信、供电模块等。其中，望远镜探测单元还为每个探测器提供偏置电压。电子学单元的模拟电子学模块为探测器的输出脉冲信号进行线性转换，而数字电子学模块用于辨识有效信号，离散化脉冲高度值，同时进行数据通信等操作。

图18 电子学系统设计框图Fig.18 Block diagram electronic systems design

FPGA 将ADC 中的数值进行分类存储，同时存储的还有信号的时间信息。外部数据获取系统通过通讯接口定时访问和转存数据，并对内部存储器清零。

3 结语

通过分析总结国内外针对空间辐射粒子LET谱的探测技术及发展趋势，针对实现LET谱在0.01～100 MeV·cm2·mg−1范围内的准确探测，利用分析数据，设计了基于硅微条半导体多层叠合的望远镜结构探测器。设计的探测器能够用于空间站及深空探测任务的空间辐射粒子LET谱探测，能为航天器的在轨安全预警和故障处理提供参考数据。