用于空间中高能离子探测的飞行时间(TOF)质谱仪——发展现状与展望

张伟杰， 张珅毅*， 张贤国， 叶依众

1 中国科学院国家空间科学中心， 北京 100190 2 中国科学院大学， 北京 100049 3 天基空间环境探测北京市重点实验室， 北京 100190 4 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室， 北京 100190

0 引言

中高能离子通常指空间中几十keV到几MeV的重离子，能量介于等离子体(plasma)和高能粒子(energetic particles)之间，广泛存在于地球磁层、行星磁层、日球层和行星际空间中.测量中高能离子的成分、能谱、角分布及其时空变化等信息，具有非常重要的科研和应用价值.

中高能离子可用于对磁场的拓扑结构边界及其动态进行遥感测量(Zong et al., 2003, 2005).通过测量中高能离子的三维角分布，可推断回旋半径范围内等离子体分布、结构以及其变化过程.还可用于推断磁力线开放或闭合，研究磁重联区域的位置、结构和变化.中高能离子作为粒子加速过程的产物，是研究不同的粒子加速机制的重要探针.磁重联和激波加速是空间带电粒子加速两种主要机制(Reames, 1999; Jokipii, 2001; Richardson, 2004; Filwett et al., 2017).磁重联在地球磁层顶、磁尾(Millan and Baker, 2012)、以及太阳耀斑等区域(Reames, 1999, 2013)发生，可产生等离子体加热、粒子加速等现象；激波一般会在地球磁层顶(Millan and Baker, 2012)、日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection，CME)(Reames, 1999, 2013)和共转相互作用区(Corotating Interaction Region, CIR)(Richardson, 2004; Filwett et al., 2017)等区域形成，使其中的等离子体发生加速.中高能离子还可作为很多物理过程的示踪剂.例如太阳高能粒子在行星际空间的传播(Jokipii, 2001)，磁暴时环电流离子注入(Kozyra and Liemohn, 2003)，亚暴时极光爆发(Mauk and Bagenal, 2012)等.

离子的质量和电荷数较大，在物质中的阻止本领更高，能带来更严重的辐照位移损伤，中高能离子在航天器的总剂量效应中的贡献不可忽视.对空间中高能离子进行探测和监视，可以更准确地评估空间环境对航天器造成的辐射效应，从而采取相应的保护措施；利用大量的中高能离子探测数据可帮助构建空间粒子环境模型，为航天任务的辐射风险评估提供支持.

因其重要的科研和应用价值，中高能离子探测器从太空时代开始之初就在不同的空间任务中得到应用，是十分重要的空间探测载荷.在测量技术上，中高能离子探测器有别于等离子体和高能粒子探测.最适合测量等离子体的探测技术是静电分析器(Electrostatic Analyzer，ESA)技术，至今仍然是最常用的等离子体测量技术.受重量和功耗等因素的制约，静电分析器技术的离子成分分辨能量上限只能到达～10 keV/e.适用于高能离子成分鉴别的技术是ΔE-E望远镜方法(Gold et al., 1998).其原理是利用不同种类入射离子在固体探测器(Solid State Detector，SSD)叠层中沉积能量的分布来识别离子种类.ΔE-E法的离子成分分辨能力下限受第一片ΔE探测器厚度的制约，在早期的技术条件下最低只能对不低于1000 keV/n的重离子进行成分分辨(Gold et al., 1998).直到今天，在使用硅探测器作为ΔE探测器时，离子成分分辨下限不低于300 keV/n；使用气体探测器作为ΔE探测器，能量下限也只能延伸到～100 keV/n.静电分析器和ΔE-E望远镜都难以对10～100 keV/n能区进行离子成分分辨.20世纪70到80年代，G. Gloeckler和B. Wilken等将基于二次电子(Secondary Electron Emission，SEE)的TOF×E方法引入到空间粒子探测领域，填补了当时10～1000 keV/n的离子成分分辨能量空缺(Gloeckler and Hsieh, 1979; Wilken et al., 1982; Wilken and Stüdemann, 1984).基于SEE的TOF×E方法对中高能离子种类鉴别能力优秀，能量下限可与静电分析器测量范围衔接，直到目前该方法仍然被广泛应用于空间中高能离子测量.

我国空间粒子探测技术已经发展多年.从1971年发射的实践一号搭载G-M计数器和铍窗积分电离室开始发展至今，我国已经掌握空间等离子体(孔令高等，2015；Kong, et al, 2020)、中能质子、中能电子(贾向红等，2015)和高能粒子(张珅毅，2006)探测技术，多种空间粒子探测器已经在双星任务(Cao et al., 2005, 2007)、风云系列气象卫星(孔令高等，2015；刘震等，2019.)、北斗导航卫星、嫦娥系列卫星(王馨悦等，2012，2019)、天宫系列、空间站、火星探测器(孔令高等，2019)等不同空间任务中搭载升空，为我国航天事业发展作出重要贡献.但我国目前尚未掌握中高能离子探测技术.随着嫦娥探月工程和载人航天取得了丰硕的成果，天问一号的成功拉开了行星探测的序幕，我国目前处于航天事业飞速发展的阶段.目前有一系列的空间科学和深空探索任务正在论证(孙辉先等，2017；叶培建等，2018；甘为群等，2019；林隽等，2019)，其中已确定的包括载人登月、木星系探测、太阳探测、太阳系边际探索等深空计划.这些项目对中高能离子均有明确的科学研究和应用需求.因此，中高能离子探测技术是目前我国亟需填补的技术空白.

本综述将着重介绍针对测量几十keV到几MeV离子成分的中高能TOF质谱仪.第1章将介绍TOF×E方法的基本原理；第2章将详细介绍中高能TOF质谱仪技术的发展过程、现状和趋势；第3章将对中高能TOF质谱仪的关键性进行分析，并介绍目前国际上的一些新的发展趋势；在第4章中会针对国内未来的空间任务需求以及目前的技术水平，对我国中高能TOF质谱仪的研究思路和方向提出了一些设想和展望.

1 TOF×E法离子成分分辨原理

离子的能量E和质量m存在以下简单关系：

(1)

不同种类的离子的质量m不同，由上式可知，只需测出离子的能量E和飞行速度v，就可以算出离子的质量m，即可对离子成分进行鉴别.

如图1，相距L的两组定时探测器，离子先后穿过两组探测器并输出“开始”和“结束”两个定时信号，利用后端电路分析出两个定时信号的时间差τ，结合两组探测器的距离l，即可计算出离子的飞行速度v=l/τ.再利用固体探测器(Solid State Detector，SSD)将离子剩余能量ESSD测出，即可通过下面式子计算出离子质量，区分离子种类.

(2)

实际测量中，可通过TOF—ESSD二维谱(图2)对粒子进行记录和区分.

图1 飞行时间(TOF)质谱仪基本原理Fig.1 Basic principle of time of flight (TOF) mass spectrometer

离子穿过定时探测器会损失部分能量ΔE，能量探测器测得的离子能量ESSD是离子的剩余能量.根据ESSD修正出离子入射能量E，即可获得每种离子的能谱：

E=ΔE+ESSD.

(3)

利用该原理TOF×E方法进行离子种类鉴别的探测器称为飞行时间(TOF)质谱仪.

2 中高能TOF质谱仪发展历史和趋势

2.1 最早的中高能TOF质谱仪

2.1.1 ΔE-E TOF质谱仪

TOF×E法在空间中高能离子探测器中的首次应用是ISEE-l的Heavy Ion Telescope (HIT)探测器(Williams et al., 1978).该探测器主体采用ΔE-E望远镜设计，但将第一片ΔE探测器和第二片总能量E探测器分开一段比较长的距离(L=10 cm).当离子穿过两片探测器时，分别测量离子在第一片探测器中的沉积能量ΔE，以及在第二片探测器中测量剩余能量Eres.通过电子学对这两个信号同时进行幅度分析和TOF测量，既可进行望远镜法常规的ΔE-E分析，又可进行TOF×E法离子鉴别.该方案的中高能离子探测器存在比较大的性能局限性.首先，硅探测器脉冲上升时间长，时间分辨率差，直接影响TOF×E方法的离子成分分辨能力.另外，该方案的能量下限无法突破第一片ΔE探测器的厚度限制.该探测器的ΔE探测器厚度为4.7 μm，He离子的测量下限约为400 keV，对于CNO、Si、Fe等质量数更大的离子，测量下限会更高.因此，ΔE-E TOF质谱仪并不是中高能离子成分探测的理想选择，此后该方案再未应用于空间中高能离子探测器.

2.1.2 基于SEE的TOF质谱仪

利用二次电子触发定时信号的技术最先由C.W.Williams等(Williams et al.,1964)引入到TOF质谱仪中用于裂变碎片测量.其原理是，当离子穿透二次电子发射薄膜，在表面几nm处将一小部分动能转移给介质中的电子，这些电子获得动能后可以从薄膜表面释放出来.利用探测器捕获这些电子并触发定时信号，即可进行TOF测量.由于二次电子发射薄膜非常薄(<10 μg·cm-2)，入射离子能量损失较小，可将离子成分分辨能量下限延伸至<10 keV/n.

20世纪70到80年代，G. Gloeckler 和 B. Wilken等将基于SEE的TOF测量技术引入到空间粒子探测器中(Gloeckler and Hsieh, 1979; Wilken et al., 1982; Wilken and Stüdemann, 1984)(图3)，随后在多种空间粒子探测器中得到应用(Wüest, 1998).80年代，B. Wilke等研制出第一台基于SEE TOF×E方法的空间中高能TOF质谱仪原型机(Wilken and Stüdemann, 1984).两层二次电子发射薄膜分别位于入口(“开始”薄膜)和末端(“结束”薄膜)，二者相距L即为离子飞行距离.利用电极分别将“开始”和“结束”薄膜发射的二次电子偏转到位于探测器中部的MCP探测器，并触发“开始”和“结束”两个定时脉冲，利用电子学测量出两个脉冲的时间间隔，即离子在两片薄膜之间的飞行时间τ.在“结束”薄膜的后方使用SSD测出离子的剩余能量ESSD.结合测得的τ和ESSD，即可通过TOF×E方法识别出离子种类.

SEE TOF×E方法能量测量下限更低，低能端质量分辨率更高，直至今天仍然是空间中高能TOF质谱仪的唯一实现方案.

2.2 中高能TOF质谱仪发展——单方向中高能TOF质谱仪

早期中高能TOF质谱仪采用单方向设计.单方向中高能TOF质谱仪结构相对简单，并且具备一些不可替代的性能优势：(1)在相同体积和重量限制下，容易实现更大的飞行距离L，从而提高质量分辨率；(2)容易实现更大的几何因子，有利于测量丰度较低的元素.单方向中高能TOF质谱仪大体上可根据电极形态分为两种形式(图4)：静电镜式(electrostatic mirror)和无栅网式(gridless).

图4 单方向TOF×E中高能离子质谱仪两种形态(a) 无栅网式； (b) 静电镜式(Möbius et al., 2016).d是飞行距离，e是二次电子.Fig.4 Two types of uni-directional energetic TOF×E mass spectrometer(a) Mirror-less; (b) Electrostatic mirror (Möbius et al., 2016).

2.2.1 静电镜式(electrostatic mirror)

静电镜是一种由平行栅网构成的偏转电极.首台发射升空的中高能TOF质谱仪——AMPTE CCE卫星的MEPA探测器(McEntire et al., 1985)即采用了静电镜式设计.MEPA探测器探头(图5)前端采用准直器限制离子入射张角.“开始”薄膜与SSD距离10 cm，作为离子飞行距离L.离子穿过“开始”薄膜和击中SSD表面时，会发射出二次电子，通过静电镜偏转到MCP中，分别触发“开始”和“结束”定时信号，用于测量离子穿过飞行距离的时间τ.SSD将离子剩余能量ESSD测量出.除了MEPA外，已发射的静电镜型单方向中高能TOF质谱仪还有：SAMPAX的LEICA(Mason et al., 1993)、ACE的ULEIS(Mason et al., 1998)、Solar Orbiter的EPD-SIS(Rodríguez-Pacheco et al., 2020)等.

图5 AMPTE CCE卫星的MEPA探测器结构示意图(McEntire, et al., 1985)Fig.5 Structure of MEPA detector aboard AMPTE CCE satellite (McEntire, et al., 1985)

静电镜对二次电子的偏转具有镜像反射的特点，不仅二次电子飞行时间一致性高，还可通过二次电子收集位置反推其在薄膜/SSD表面的出射位置，修正离子飞行距离L，提高质量分辨率.例如，ACE的ULEIS探测器利用楔条型位置灵敏阳极测量二次电子入射MCP的位置，重构离子飞行路径.加上L～50 cm的超长飞行距离，ULEIS的质量分辨率非常高，达到σM<0.15 amu (Z=6，Z是原子核质子数)，σM<0.5 amu (Z=26).但是，静电镜是一组位于离子光路之中的栅网，会降低离子透过率，影响探测器的整体探测效率.

2.2.2 无栅网式(gridless)

无栅网式中高能TOF质谱仪利用极板电压差产生内部偏转电场对二次电子进行偏转，可以减少离子光路上的栅网，避免静电镜对离子透过率的影响，提高总体测量效率.

如WIND卫星的EPACT/STEP探测器(Von Rosenvinge et al.,1995)，以及STEREO卫星的SIT探头(Mason et al., 2008)，均采用无栅网式设计.如图6所示，无栅网式中高能TOF质谱仪电极不遮挡离子光路，产生的电场将二次电子偏转到2片MCP上并触发“开始”和“结束”信号.该设计的缺点是二次电子飞行距离很长，导致飞行时间发散较大，影响时间分辨率；而且不具备静电镜重构离子飞行路径的功能，一定程度上限制了质量分辨率的上限.

图6 WIND卫星的EPACT/STEP探测器原理图(Von Rosenvinge et al., 1995)Fig.6 Principle of EPACT/STEP instrument aboard WIND satellite (Von Rosenvinge et al., 1995)

构以及卫星自旋来对空间进行扫描来实现角分布测量.这种角分布测量方案最显著的缺点是旋转机构带来额外的重量、功耗和可靠性风险.

(1)多方向中高能TOF质谱仪

除了离子成分外，空间中高能离子的角分布信息同样意义重大，不仅可用于遥感测量磁层的结构和时空变化，还可对一些空间带电粒子的加速过程进行探测和研究，如磁重联、激波加速等.因此，多方向中高能TOF质谱仪在很多种空间任务中具有十分重要的科学需求.

最早实现角分布测量的中高能TOF质谱仪是Galileo任务的EPD-CMS探测器(Williams et al., 1992)，探头采用静电镜式单方向设计，结合旋转机第一台无旋转机构的多方向中高能TOF质谱仪是Cluster卫星的RAPID探测器(Wilken et al., 1997).RAPID离子探头采用静电镜进行二次电子偏转(图7)，并依靠位置灵敏MCP收集“开始”二次电子，识别离子入射位置并区分入射方向，结合共用的“结束”MCP和SSD探测器，实现4个方向的离子种类鉴别.RAPID包含3个相同的离子探头，共12个测量方向，每个方向覆盖15°×6°张角，合计覆盖180°×6°张角，结合卫星自转实现全空间4π覆盖.Geotail卫星的HEP探测器(Doke et al., 1994)也采用了相同的设计.相比需要旋转机构的实现方式，这种一维多方向中高能TOF质谱仪的可靠性和时间响应都更为优秀.

图7 Cluster卫星的RAPID探测器探头结构示意图(Wilken et al., 1997)Fig.7 Structure of one ion detector head of the RAPID spectrometer aboard Cluster satellite(Wilken et al., 1997)

(2)小型化多要素测量——“冰球”探测器

进入21世纪，NASA提出了Planetary Instrument Definition and Development(PIDDP)计划，其中包括“开发用于测量行星和彗星的小型化、小质量能量粒子探测器”研究方向.该计划的最终成果是一种更为轻便紧凑的一维多方向中高能TOF质谱仪，称为“冰球”探测器(Andrews et al., 2007; McNutt et al., 2008; Mitchell et al., 2013; Mauk et al., 2017, 2016; Clark et al., 2016).

“冰球”探测器探头(图8)的前端准直器、“开始”薄膜、“结束”薄膜和6组SSD呈旋转对称排列，中间共用一套电极，利用位置灵敏MCP接收二次电子测量离子TOF，并判断离子入射方向.每组SSD包含两个像素，其中一个像素测量中能离子能量，结合TOF信息可测量10 keV～10 MeV的质子和重离子；另一个像素覆盖一层1～2 μm的铝屏蔽层阻挡中能离子，用于测量25～1000 keV的电子.结合起来，“冰球”探测器可实现6个方向的电子和6个方向的质子、离子测量，张角覆盖可达160°.

图8 “冰球”探测器原理图(Mauk et al., 2017)Fig.8 The Schematic of “Puck” detectors(Mauk et al., 2017)

“冰球”探测器具有众多优点.首先，旋转对称分布方式可充分利用探测器尺寸，以紧凑的尺寸实现较大的飞行距离L，获得较好的质量分辨率；同时，该设计的各个测量方向完全对称，可实现很好的方向一致性；“冰球”探测器兼容多方向中能电子测量，既可提供中能电子能谱和各向异性科学数据，还可以为质子和离子测量提供提供电子污染修正依据.

(3)适应三轴稳定飞行器——二维角分布测量

一维多方向中高能TOF质谱仪须结合卫星自旋才能实现二维角分布测量.然而一些科学卫星会采用三轴稳定姿态，对二维多方向中高能TOF质谱仪提出了需求.其中最有代表性的是Parker Solar Probe(PSP)的“Mushroom”探测器(McComas et al., 2016; Hill et al., 2017).PSP的轨道近日点不足10个太阳半径，可能遇到的能量粒子方向分布非常复杂.而PSP基于防热设计需求采用了三轴稳定姿态，不能借助自旋进行二维多方向覆盖.为了满足中高能电子和离子测量需求，“Mushroom”探测器采用了复杂的二维多方向设计.

“Mushroom”探测器由8个探头构成(图9)，每一个探头包括10个探测方向(图10)，组合起来可实现80个方向测量，覆盖2π空间.

图9 PSP的“Mushroom”探测器可实现2π空间角分布测量(McComas et al., 2016)Fig.9 “Mushroom” detector aboard PSP can cover 2π spatial angular distribution detection(Hill et al., 2017)

图10 (a) “Mushroom”探测器探头结构示意图； (b) “Mushroom”探测器探头内二次电子光路.(Hill et al., 2017)Fig.10 (a) Structure of the one wedge of “Mushroom” detector; (b) The trajectories secondary electrons in a wedge of “Mushroom” detecotor. (Hill et al., 2017)

每个探头内部结构如图10所示，10个测量方向由10个准直器限定，每个准直器后包含一片“开始”薄膜，所产生的二次电子通过加速电极引导到MCP上，10个方向共用一组“结束”薄膜和SSD，“结束”二次电子通过静电镜偏转到MCP上.利用位置灵敏阳极对10个“开始”和1个“结束”信号进行识别，实现10个方向的TOF×E离子分辨.SSD采用与“冰球”探测器类似的多像素设计，可分别测量中高能离子和中能电子.

截止目前已发射的中高能TOF质谱仪如表1所示.

表1 已发射的中高能TOF质谱仪Table 1 The launched energetic TOF mass spectrometers

2.3 发展现状和趋势

单方向中高能TOF质谱仪在质量分辨率和大几何因子实现方面存在优势，目前仍然在太阳风测量、太阳高能粒子的精细丰度谱测量等方面得到应用.2020年发射的Solar Orbiter的EPD-SIS探测器可代表当前单方向中高能TOF质谱仪的发展水平.

多方向TOF质谱仪探测器可测量中能离子的角分布信息，应用场合更加广泛，可用于行星磁层、地球磁层、行星际空间、太阳系边缘等不同领域的空间探测和科学研究.

小型化、多要素探测是面向深空探测的需求，是目前包括中高能TOF质谱仪在内的深空应用粒子探测器的总体发展趋势，可利用有限的重量功耗和数据资源来获取更多的科学数据.“冰球”探测器和“Mushroom”探测器是该发展趋势的最先进技术水平代表.“冰球”探测器设计紧凑，性能优异，适应性强，目前已经在5个不同的深空任务中搭载.“Mushroom”探测器采用了二维角分布测量设计，并且在薄膜设计、电极设计和SSD等方面改良了“冰球”探测器中存在的缺点(Clark, et al., 2016).虽目前只在PSP上搭载，但由于其对于三轴稳定飞行器的适用性，未来应当还会在其他深空任务中得到应用.

3 中高能TOF质谱仪的关键性能分析

3.1 关键性能指标

3.1.1 质量分辨率

(4)

如图11所示，中高能TOF质谱仪低能端质量分辨率主要受能量分辨率影响，高能端则主要受时间分辨率影响，中间能区质量分辨率较好.质量分辨率的绝对值和最佳能区取决于探测器设计和硬件性能.

图11 质量分辨率与时间分辨率、能量分辨率和飞行距离相对误差的关系(Mason et al., 1998)Fig.11 The relationship between mass resolution and time resolution, energy resolution, and relative error of path length(Mason et al., 1998)

提升质量分辨率，不同类型的中高能TOF质谱仪有不同的思路.单方向中高能TOF质谱仪主要采用延长飞行距离L的方法，如第2.2.1节中介绍的ULEIS(Mason et al., 1998)和EPD-SIS(Rodríguez-Pacheco et al., 2019)等.这可以增大飞行时间τ，提升时间分辨率.使用静电镜可降低二次电子飞行时间发散从而提升时间分辨率，还可结合位置灵敏MCP来修正飞行距离，降低飞行距离相对误差，如LEICA(Mason et al., 1993)和ULEIS(Mason et al., 1998)均采用了该方法.多方向中高能TOF质谱仪的飞行距离L通常较短(<10 cm)，提升质量分辨率主要依靠电极设计缩短二次电子飞行距离，降低二次电子飞行时间发散，提升时间分辨率，并通过使用薄死层的SSD和低噪声电子学，提高能量分辨率.

3.1.2 抗干扰能力

中高能TOF质谱仪的事件识别逻辑是“开始-结束-SSD”三重符合(图12).入射离子先后通过二次电子触发“开始”和“结束”信号，并沉积能量在SSD中产生ESSD信号，三个信号在预设的符合窗口中先后触发，即识别成事件并被正确地记录.

图12 正常计数的真实事件Fig.12 Valid events that were counted normally

然而，在实际探测中，“开始”、“结束”和SSD信号可能会被多种不同的原因触发，产生假的“开始”、“结束”和ESSD信号.当三个非同一事件产生的信号恰好满足三重符合逻辑判断，则会产生一次假计数.假计数构成了探测数据中的本底计数，不仅会干扰真实计数，淹没通量较低的粒子信息，过多假信号还会增加探测器的资源负担，甚至造成计数饱和数据失真.

通常用真假计数比衡量中高能TOF质谱仪的抗干扰性能，即探测器获得的计数中真实事件计数和偶然符合产生的假计数之比.探测器的计数率Re可以通过以下公式计算出：

Re=Rstart×Rstop×RSSD×tTOF×tSSD,

(5)

其中Rstart，Rstop，RSSD分别是“开始”“结束”和ESSD信号的单位时间发生率，包括真实事件引起的真信号和干扰产生的假信号.tTOF是TOF测量窗口，tSSD是ESSD信号测量窗口.可见，提高真假计数比的方式，是提高真信号发射率，抑制假信号发生率.

对于“开始”“结束”和ESSD三种信号而言，最主要的假信号来源包括光子干扰、低能粒子干扰和高能粒子干扰.

(1)光子干扰

光子干扰是指空间环境中的可见光以及UV/EUV，主要来源是太阳直射、反射和散射光，还有一些其他自然、人工光源.光子干扰主要通过两种机制：一种是UV/EUV光子可能会在薄膜表面通过光电效应触发二次电子，或者通过散射直接触发MCP，从而触发假“开始”或“结束”信号；另一种是可见光触发SSD产生假的ESSD信号.

(2)低能粒子干扰

空间中存在大量能量低于测量范围的粒子，包括电子、质子和重离子.一些低能质子和重离子能量足够穿透“开始”薄膜，会相当大概率触发二次电子，产生假“开始”信号.一些低能电子穿透“开始”薄膜进入探测器内部，还可能会被内部电场偏转并触发MCP产生假“开始”信号.

(3)高能粒子干扰

空间中存在能量非常高的粒子，例如宇宙射线(Galactic Cosmic Rays，GCR)，太阳高能粒子(Solar Energetic Particles，SEP)等.高能粒子可能触发假的“开始”“结束”和ESSD信号，但其在薄膜材料中阻止本领低，发射二次电子效率较低，飞行时间τ也太短，且无法将能量完全沉积在SSD灵敏区中，通过视场入射的高能离子无法通过正常TOF×E方法进行识别.能量足够高的粒子甚至可以穿透准直器和屏蔽层，从各个方向入射并随机触发假ESSD信号.

以上三种干扰机制会引起假信号的增加，从而产生本底计数.另外，一些真实事件会因为各种机制造成“开始”“结束”和ESSD信号的部分丢失.信号丢失不仅降低了真实事件计数率，还会形成孤立信号，当孤立信号与无关信号发生偶然符合，也会产生本底计数，降低真假计数比.造成数据丢失的机制主要包括二次电子发射/收集效率，以及薄膜造成的离子散射.

(1)二次电子发射效率/收集效率

如图13，一些能量较高，质量较轻的离子，在穿透薄膜时有一定概率不发射二次电子.薄膜发射出的二次电子有一部分可能因电极和阳极设计原因无法被MCP正常收集并产生定时信号.这些情况会引起“开始”或“结束”信号的缺失.

图13 二次电子发射和收集效率引起的信号缺失Fig.13 Signal loss due to emission and collection efficiency of secondary electrons

(2)离子散射

如图14，质量较重，能量较低的入射离子穿过薄膜会发生较大角度散射，一些散射角度比较大的入射粒子，可能会无法到达“结束”薄膜和SSD，造成“结束”信号和ESSD信号的缺失.

图14 离子穿过薄膜时发生的散射引起信号缺失Fig.14 Signal loss due to scattering of the ions that get through the foils

目前有多种提高中高能TOF质谱仪真假计数比的可行措施.以“冰球”探测器为例，其采取的措施主要包括：(1)设置合适的探测窗口tTOF和tSSD，覆盖探测范围粒子同时降低偶然符合概率.(2)薄膜使用光屏蔽材料，降低UV和可见光产生干扰的概率.(3)在准直器中安装准直薄膜，使低能粒子发生散射，降低其触发假“开始”信号的概率.(4)在SSD阵列中设置一个监视像素(witness pixel)，对高能粒子产生的本底计数进行监测，便于后期扣除高能粒子干扰.(5)使用碳作为二次电子发射材料，并优化电极和MCP阳极设计，提高二次电子发射和收集效率.(6)在保证二次电子发射和光屏蔽能力的前提下，尽量控制薄膜厚度，降低离子散射.通过上述抗干扰措施，“冰球”探测器在典型空间环境下可实现1000∶1以上的真假计数比，在最恶劣的环境下也可达到10∶1以上.

3.2 影响性能的关键部件

3.2.1 薄膜

薄膜是中高能TOF质谱仪的关键部件，包括用于发射二次电子的“开始”“结束”薄膜，以及用于屏蔽低能粒子的准直薄膜.薄膜的材料和厚度可以从多个方面影响探测器的整体性能.二次电子薄膜主要作用是提供触发“开始”“结束”定时信号的二次电子，因此，二次电子产额是薄膜材料重要性质.目前使用最多的二次电子发射材料是碳(Allegrini et al., 2016)，其二次电子发射产额高且稳定，可保证离子穿过时发射二次电子的效率，从而保证了离子探测效率.碳膜广泛应用于各类基于SEE TOF技术的空间粒子探测器中(Pollock et al., 2000；Galvin et al., 2008；Saito et al., 2010; Mitchell et al., 2016；Möbius et al., 2016).

光干扰是中高能TOF质谱仪的重要干扰源，薄膜还需要兼顾光屏蔽作用.碳材料具备不错的UV屏蔽能力(Hsieh et al., 1980, 1991)，但机械强度相对较差，因此，大部分中高能TOF质谱仪会采用聚碳酸酯(Lexan)、聚对二甲苯(parylene)或聚酰亚胺(polyimide)等材料作为薄膜的基底材料，同时提供优秀的UV屏蔽能力、抗辐照能力和机械性能(Mitchell et al., 2000; Krimigis et al., 2004; Powell, 1992; Powell et al., 1997).为了降低可见光对SSD的干扰，还可以在薄膜上镀Al、Pd、Ni等金属材料.Al或Ni也可直接作为二次电子发射材料，同时起到释放二次电子和光屏蔽的作用，但其二次电子产额相对碳材料较差.

离子穿过薄膜时会发生能损、能量歧离、和散射，对探测器的能量分辨率、质量分辨率、和真假计数比造成影响.因此，薄膜材料在保证二次电子发射效率、光屏蔽和机械强度的情况下，应尽量控制厚度，一般不超过几十nm的量级.表2列举了一些在轨的中高能TOF质谱仪采用的薄膜信息.

表2 一些中高能TOF质谱仪的二次电子薄膜的参数Table 2 The parameters of the secondary electron emission foils of some energetic TOF mass spectrometers

虽然碳是目前空间TOF探测器中最为常用的二次电子薄膜材料，但是以目前的技术能力，碳膜厚度最小不能低于0.5 μg·cm-2，更薄的碳膜机械强度无法满足空间任务的力学条件.目前Allegrini和Ebert等科学家正在研究用石墨烯替代碳作为二次电子薄膜材料的可能性(Allegrini et al., 2014; Ebert et al., 2014).石墨烯是碳元素构成的二维材料，理论上可以做到只有几层原子的厚度，并依然具备足够的机械强度和与碳膜相当的二次电子发射率.

从图15的对比可以看出，对不同种类和能量的离子，穿过石墨烯薄膜所产生的散射角均小于穿过传统碳膜的情形.用石墨烯替代碳作为二次电子发射材料，可降低离子穿过时产生的能损和散射，进一步提升中高能TOF质谱仪的能量分辨率、质量分辨率、探测效率和真假计数比等性能指标.

图15 石墨烯和碳膜对离子散射的对比(Ebert et al., 2014)Fig.15 Comparison of ion scattering after penetrating graphene and carbon foil(Ebert et al., 2014)

3.2.2 SSD

传统中高能TOF质谱仪的SSD主要采用硅半导体探测器.硅探测器具有能量分辨率高、能量响应线性范围大等优点，在空间粒子探测器中广泛应用.但是硅探测器对可见光敏感，必须采用Ni、Al、Pd等薄膜材料来屏蔽可见光，以降低假ESSD信号发生概率.但较厚较重的薄膜会导致较为严重的散射和能量歧离，对中高能TOF质谱仪的能量测量下限、质量分辨率和真假计数比都有负面影响，对质量较大、能量较低的离子影响尤为严重.

为了解决可见光响应对中高能TOF质谱仪的影响，一种可行的思路是采用对可见光不敏感的SSD取代硅探测器，金刚石探测器是目前比较有替代潜力的候选.金刚石探测器具有抗辐照能力强，工作温度范围大，温度稳定性高等优点，是一种极具空间应用潜力的SSD(王仕发等，2018).此外，金刚石探测器对可见光不敏感、时间响应快等性质，有利于提升中高能TOF质谱仪的性能.

首先，金刚石探测器较宽的带隙使其对226 nm以上波长的光子不敏感(Ogasawara et al., 2016)，意味着如果将其引入到中高能TOF质谱仪中，可降低对二次电子发射薄膜的可见光屏蔽需求.更轻薄的薄膜可以降低离子穿过时发生的能损、能量歧离和散射，对提升能量分辨率、质量分辨率、抗干扰能力和延伸能量下限均能产生正面影响.

另外，金刚石探测器的时间响应比硅探测器更快.研究结果表明，金刚石探测器对不同能量和种类的离子均可以获得优于1 ns的时间分辨率(Frais-Kolbl et al., 2004; Pietraszko et al., 2010; Ogasawara et al., 2015).如果引入金刚石探测器到中高能TOF质谱仪中，可同时作为能量探测器和“结束”探测器，省去“结束”薄膜，排除其对探测器能量分辨率、质量分辨率和抗干扰能力的影响.同时还有利于探测器的设计简化和小型化.

能量测量性能方面，相比硅探测器，金刚石探测器带隙比较宽，平均电离能ω更大，在沉积相同能量的情况下，金刚石探测器输出的脉冲幅度比硅探测器小.但带隙更宽也使得金刚石探测器的噪声水平更低.综合两种因素，金刚石探测器理论上可以获得与硅探测器接近的能量分辨率.目前单晶金刚石探测器对重离子已经实现了14 keV的能量测量下限，能量分辨率可达7 keV(Ogasawara et al., 2015)，完全可满足中高能TOF质谱仪对SSD的能量测量性能需求.

4 我国中高能TOF质谱仪研制需求和展望

4.1 研制需求

在未来的几十年，我国将会相继开展多项深空任务，包括载人登月、行星系探测、小行星探测、太阳探测、以及太阳系边界探测等.无论从科学研究和应用需求，中高能离子都是十分重要的探测目标.目前我国已具备成熟的等离子体、中能电子、中能质子、和高能粒子探测器的研制和在轨应用经验，然而中高能重离子探测技术尚处于起步阶段.

4.2 研制展望

中高能TOF质谱仪涉及的一些主要技术，包括TOF测量技术、能量测量技术、抗干扰技术等等，均在我国现有的空间粒子探测器中有着成熟的应用经验，对中高能TOF质谱仪的技术研发可提供有力的技术基础和继承性.针对我国将开展的空间任务的特点，在中高能TOF质谱仪的研发上，尤其应以单方向高精度(以ACE的ULEIS，Solar Orbiter的SIS为代表)，和小型化、多要素、多方向(以“冰球”探测器，“Mushroom”探测器为代表)作为主要研究方向.在实现中高能TOF质谱仪基本功能的同时，还应根据实际任务需求，大胆引入最新科技发展成果，进一步改进探测器各项关键性能.其中，石墨烯薄膜和金刚石探测器可作为重点研究对象，其结合使用有望显著提升质量分辨率、探测效率、抗干扰能力、耐高温、抗辐照等性能指标，使中高能TOF质谱仪具备更加优异的探测性能和更强的深空任务的适应性.

5 总结

基于SEE TOF×E方法的中高能TOF质谱仪是目前国际上对几keV到几MeV中高能重离子的主流探测器类型，在地球磁层研究、行星探测、太阳探测、太阳系边界探测等不同领域的空间科学研究中得到广泛应用.中高能TOF质谱仪大体上分为单方向和多方向两类.单方向中高能TOF质谱仪质量分辨率高，灵敏度高，适用于高精度的离子丰度测量；多方向中高能TOF质谱仪可测量离子角分布信息，适用于空间磁场的拓扑结构监测，以及粒子加速等物理过程研究.我国航天事业目前已进入深空探索的阶段，中高能TOF质谱仪是亟需掌握的关键技术.在掌握该项技术的同时，还应尝试引入石墨烯和金刚石探测器等新材料和新技术，进一步提升探测器的各项关键指标，并拓宽和增强其在不同空间任务中的应用适应性，使我国在该技术上实现国际领先.

致谢感谢中国科学院空间应用工程与技术中心和天基空间环境探测北京市重点实验室对本工作的支持.