GRM在轨标定探测器的设计和实现

文 星，刘江涛，刘 鑫，王瑞杰，师昊礼， 李 陆，孙建超，张 力，董永伟，吴伯冰

(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； 3.中国科学院 粒子天体物理重点实验室，北京 100049)

伽马射线暴(GRB)是宇宙空间中随机出现、短时间内γ射线辐射突然增强的一种爆发现象，每次爆发释放的能量可达约1051ergs，甚至更高，堪称宇宙中能量释放最剧烈的事件[1-2]。该现象自1967年被Vela卫星首次发现后，一直是高能天体物理研究的热门领域。几十年来，GRB的能谱特性[3]、时间特性[4]、偏振特性[5]及其理论模型[6]等均取得了一定的研究成果，但仍有一些尚待回答的问题，包括GRB爆发过程中喷流的成分、能量耗散机制、粒子加速机制等[7]，需探测性能更高的探测器对其进行观测。空间多波段变源监视器(SVOM)卫星是由中法两国多个科研单位共同参与研制的一项国际合作项目，是专门探测GRB的天文卫星。卫星轨道高度约630 km，倾角约为30°，预计2021年发射，在轨设计寿命为3 a。

伽马射线监视器(GRM)作为SVOM卫星上的载荷之一[8]，能很好地完成硬X射线、软伽马射线的能谱观测和GRB触发功能。其主要科学目标包括：1) 在卫星寿命期内，观测各种类型的GRB；2) 对在视场内的GRB进行快速触发；3) 在X射线到软伽马射线的波段范围(15～5 000 keV)对GRB进行T0-5 min～T0+10 min(T0为GRB触发时刻)的连续观测；4) 配合进行引力波探测。

GRM包括伽马射线探测器(GRD)、粒子监测器(GPM)和电控箱(GEB)3种单机(设备)，其中GRD作为主探测器进行X射线和软伽马射线的能谱观测和GRB触发，包含3个不同指向的探头，采用碘化钠(NaI)作为探测晶体。GRM在轨飞行中，由于磁场和温度的变化及长时间工作后电子线路的老化，均会引起系统增益的改变[9-11]，从而导致能谱测量的谱漂现象，因此需引入在轨标定探测器(GCD)，用于GRD的在轨自动增益控制。GCD安装在探头晶体表面，包含在GRD单机设备中。GCD的任务要求和设计指标为：1) 完成对α粒子的有效探测，探测效率要求大于95%；2) 输出饱和α信号作为GRD符合触发源，且在轨温变工况中饱和能谱的峰位漂移要求小于0.5 V。本文对GCD研制过程进行介绍，并对设计中出现的问题加以验证及改进。

1 工作原理及电路设计

1.1 GCD设计方案

探测器稳定增益的基本原理是根据标定谱峰位的变化，通过改变PMT高压或电子学系统增益来实现谱仪增益的稳定，其方法有多种，主要包括：1) 利用测量标定放射源发出的单能X射线，获得峰位信息再进行稳谱，如BeppoSAX卫星上的PDS探测器[12]、RXTE上的HEXTE探测器[13]及HXMT上的高能探测器均使用241Am作为标定源；2) 利用探测器自身本底的特征谱线，通过累积本底能谱得到特征谱线峰位信息再进行稳谱，如Fermi上的GBM探测器[14]；3) 利用LED光脉冲模拟单能X射线作为标定源的方法等。

以上方法各有优劣，选用本底事例中的特征峰作为标定源通常需累积较长时间(如GBM为90 min)才能达到满足要求的精度，LED标定源无法修正晶体本身发光性能引起的漂移，而选用放射源作为标定源相对更为可靠，也是最常用的方法。GRM参考其他卫星经验，利用长寿命的α-γ放射源241Am作为标定源，其发生α衰变的同时会产生59.5 keV的γ光子，通过两种射线的同时性将标定源的γ射线与被测天体源的区分开，并采用逐光子事例进行增益调节。

在GCD设计中，将241Am嵌入桶形塑料闪烁体制作成镶嵌源，由于受到探测方向限制，且γ光子在通过铝制外壳吸收后光子数会减少，GRD能探测到的光子数可根据式(1)计算及Geant4程序模拟得到，再根据在轨增益调节频率可得到标定源活度下限。偶然符合(非241Am产生的γ光子的符合)会增加标定系统的死时间并造成自动增益的误调节，为减少偶然符合，根据GCD对α粒子的实际探测效率(约96%)和符合电路的分辨时间(500 ns)，计算得到标定源活度上限。通过计算后将241Am的活度定在100 Bq。根据GRM鉴定件产品测试结果，该活度下能被GRD探测到的241Am产生的γ光子约为10 s-1，符合概率为5%～10%，偶然符合计数所占比例小于1%，可满足增益调节需求。通过分析，在自动增益控制系统的高压调节步长为312.5 mV的条件下，若要在调节50 V的高压范围内进行稳谱，考虑到高压模块响应时间、偶然符合导致的误调节等因素，稳谱时间约为17 s。

I=I0e-ud

(1)

其中：I为出射光子流强；I0为入射光子流强；u为吸收系数；d为经过材料厚度。

GRM利用标定源进行自动增益控制的过程为：标定源中的α粒子(能量集中在5.48 MeV附近)与塑料闪烁体相互作用所激发的荧光被GCD中的SiPM探测到，通过光电转换作用产生电信号并通过前端电子学放大读出，同时主探测器GRD会对标定源发出的γ光子进行探测。利用二者的同时性，通过后端电子学的α-γ符合，将标定源产生的γ事例从天体源的物理事例中挑选出，并标记为标定事例。将标定事例中能谱峰位对应的道址与59.5 keV对应的道址进行比较，根据比较结果调节高压来控制系统增益。根据GRM鉴定件产品的测试结果，GRD对59.5 keV能量点的分辨率约为14%。因此，对镶嵌源发出的α粒子的有效探测是GCD的主要任务。

1.2 SiPM偏压补偿电路设计

SiPM由工作在盖革模式的二极管阵列组成，工作时加入一大于击穿电压VBD的反向偏压Vbias，超过击穿电压的部分称为过压，即ΔV=VBD-Vbias。GCD选用的SiPM型号为Sensl公司生产的MicroFC-30035-SMT，其有效探测面积为3 mm×3 mm，工作偏压为25～30 V，光敏峰值波长为420 nm。

SiPM的性能(增益)依赖于所加的偏压及温度，环境温度的升高导致其击穿电压升高，在偏压固定的情况下，过压会相对减小，而由于增益是过压的线性函数，因此其增益也随之减小，其增益的温度系数为-0.8%/℃；在温度固定的情况下，偏压越大则过压越大，相应的增益也越大。因此在GCD的设计中，利用偏压(过压)补偿电路，抵消温度变化导致的过压变化，使得过压保持不变，从而使SiPM的增益基本保持不变。GCD所采用的SiPM的击穿电压是温度的线性函数，具有正的温度系数21.5 mV/℃，故需偏压补偿电路具有基本一致的温度系数，从而抵消由于温度变化导致的增益涨落。

图1为偏压补偿电路原理图，利用精密温度传感器LM135H的温度特性，对SiPM的供电偏压进行补偿。LM135H具有正的温度系数10 mV/℃，因此通过两个LM135H串联，电路的温度系数达到20 mV/℃，接近SiPM击穿电压的温度系数，从而保证其在不同温度环境中增益基本维持不变或变化在可接受范围内。另外，利用运算放大器设计了一路电压跟随器对偏压进行监测。

1.3 前置放大电路及差分输出电路

电路中的前置放大电路，利用运算放大器LM6172设计为两级电压并联负反馈电路，对SiPM输出的弱电流信号进行放大后输出电压信号，并通过反馈网络中的电容对直流成分进行滤波。由于GCD的α信号在轨主要用作触发信号，信号幅度越大越好，且能在SiPM由于温度影响而使得增益出现相对变化时，仍能满足α信号幅度大于噪声的需求。因此在设计时将前置放大电路的放大倍数设计为600倍，使得最终读出的241Am镶嵌源的α信号达到饱和(图2)。为抑制信号的共模干扰，利用LM6172设计了单端输入双端输出的差分信号读出电路，一路为电压串联负反馈，一路为电压并联负反馈，使其同时输出两个极性相反的电压信号。图3为前置放大电路和差分输出电路原理图。

图1 偏压补偿电路原理图Fig.1 Schematic diagram of bias voltage compensation circuit

图2 饱和α信号波形Fig.2 Saturated alpha signal waveform

图3 前置放大电路和差分输出电路Fig.3 Preamplifier circuit and differential output circuit

图4为利用信号发生器向放大电路输入方波信号(频率为1 kHz，幅值为10 mV)，并通过差分输出电路读出的双极性方波信号。

图4 利用信号发生器对前置放大电路及差分输出电路的测试输出信号Fig.4 Output signal of preamplifier circuit and differential output circuit using signal generator

1.4 前端电子学结构设计

由于GCD安装到探头晶体的表面会对探测视场有部分遮挡，从而影响探测效率，因此为降低对视场的遮挡，在GCD的电子学结构设计中，只将耦合镶嵌源(高度和截面直径均为6 mm)的部分留在晶体表面，其他电子学部分置于探头侧面，这样既保证了主探测器对标定源γ光子的有效探测，又降低了GCD结构对视场的遮挡。

GCD电子学的PCB板分为大扇形板和小方形板。小板上焊装SiPM并放置通过光学耦合胶粘贴到SiPM表面的镶嵌源；大板放置其他电子学，由于需贴合探头结构侧面，故将其设计为扇形结构；在安装到GCD结构上时两个板子之间存在5.5 mm的高度差，故二者通过柔性电路板相连。为消除GCD电缆对主探测器外包络的干涉，将电连接器放置在扇形板正中央的下方。

2 偏压补偿电路的高低温实验

前端电子学电路设计完成后，利用高低温恒温箱测试SiPM增益随温度的变化情况，并验证设计的偏压补偿电路是否可有效降低温度变化对SiPM增益的影响。

2.1 测试设备及条件

测试设备包括高低温恒温箱、焊接的GCD电路板(包含偏压补偿电路)、万用表、数字转换器(DT5751，最大输入信号为1 V)、信号衰减器、241Am镶嵌源(100 Bq)、电源(4路，±12 V，+24 V，+30 V)、暗盒及测试电缆等。测试系统如图5所示。

图5 GCD高低温实验测试系统Fig.5 High and low temperature test system diagram of GCD

根据GCD的在轨工作温度范围(-10～+40 ℃)选取测温范围为-35～+50 ℃，选取18个温度点，步长为5 ℃，调温速率为1 ℃/min，温度平衡时保持温变<0.5 ℃/min。

2.2 测试方案

首先对偏压补偿电路在不同温度环境下的输出电压变化进行测试，从而得到补偿电路的温度系数。在该测试中，仅对补偿电路进行供电(+24 V和+30 V)工作，后续前置放大电路及差分输出电路不供电，也不放置镶嵌源。若温度系数基本符合预期，则对前置放大电路和差分输出电路进行供电，并放置镶嵌源，将电路的输出信号通过衰减器进行幅值衰减(衰减系数为17 dB)后接入数字转换器，从而得到镶嵌源的α信号幅度谱，再通过能谱拟合得到峰值的位置。更改SiPM供电偏压或前置放大电路的增益可得到非饱和状态下的α信号，这样可得到准确的能谱峰位，从而在不同温度下实测峰位的变化情况。另外，考虑到在实际在轨工作中，α信号始终处于饱和状态，因此也需对饱和α信号在不同温度下能谱峰位的变化情况进行测试。测试1，偏压补偿电路温度系数测试，测试偏压补偿电路在不同温度下的输出电压，从而得到补偿电路的温度系数。测试2，非饱和α信号峰位变化情况测试，其步骤为：1) 单独对SiPM供电，测试非饱和α信号能谱峰位随温度的变化情况；2) 加入补偿电路，测试非饱和α信号能谱峰位随温度的变化情况。测试3，饱和α信号峰位变化情况测试，其步骤为：1) 单独对SiPM供电并使α信号饱和，测试其能谱峰位随温度的变化情况；2) 加入补偿电路，测试饱和α信号能谱峰位随温度的变化情况。

测试中，先将高低温恒温箱温度设置为+25 ℃，然后按5 ℃的调整步长升温至+50 ℃，再降温至-35 ℃，最后升至+20 ℃完成1次测试。每个温度点均保持15 min，待温度稳定后进行电压读取或记录α能谱峰位。

2.3 测试结果分析

1) 偏压补偿电路的温度系数

图6为电路优化前、后的测试结果，电路优化前温度系数为2 mV/℃，并不满足20 mV/℃的设计要求，原因为补偿电路的分压电阻设置不合理，且使用的传感器LM135H为低等级封装，性能较差。通过计算后，将原理图中的电阻更改为R2=5.6 kΩ、R5=50 Ω，LM135H采用TO-46的金属封装。电路优化后温度系数达到19.8 mV/℃，满足要求。

2) 非饱和α信号峰位变化

利用上述优化后的补偿电路，加入前置放大电路及差分输出电路，并放置241Am源，调整补偿电路的供电使测得的α信号峰位处于非饱和状态，图7a为测试中温度为25 ℃时的α信号幅度谱。表1列出了加入补偿电路前后的测试数据记录，在-35 ℃～50 ℃的温变范围内，加入补偿电路使α信号峰位偏移从1.8 V减小到0.37 V，减小约80%，补偿效果明显。

图6 电路优化前(a)、后(b)的测试结果Fig.6 Test result before (a) and after (b) optimization

3) 饱和α信号峰位变化情况

由于在实际应用中使用的是饱和α信号，电路中可通过增大前置放大电路的放大倍数及SiPM的偏压供电来实现，考虑到GCD的总功耗要求应小于0.5 W，因此设计前置放大电路的放大倍数为600，偏压补偿电路的供电分别为+24 V和+30 V(常温下对SiPM的偏压输出为28.9 V)。饱和α信号幅度谱如图7b所示。

根据高低温测试，在-35～50 ℃的温变范围内，不加入补偿电路时，饱和状态下α信号峰位变化为480 mV，加入后变化小于100 mV，补偿效果仍满足要求。实验中对高温工况(50 ℃)和低温工况(-35 ℃)下进行了长时间(>12 h)稳定性测试，结果显示温度保持稳定时，α信号峰位变化<1%。

图7 非饱和(a)及饱和(b)α信号幅度谱Fig.7 Unsaturated (a) and saturated (b) alpha spectra

表1 加入补偿电路前后非饱和α信号峰位变化记录Table 1 Record of peak position of unsaturated alpha signal before and after adding bias compensation circuit

3 镶嵌源灌封设计

在实际应用中，镶嵌源通过光学耦合胶EJ-500粘贴到SiPM的窗口表面，然后再利用GD414C黑色硅胶将小板整体灌封到外壳的方形凹槽内，这样既可保证对α信号的探测效率，又可起到避光效果，减少本底干扰。由于柔性电路板的存在，且并无螺钉对镶嵌源进行固定，只能完全依靠GD414C来固定镶嵌源，因此对耦合和灌封过程提出了较高的要求，灌封步骤设计如下。

1) 由于电连接器位于扇形板的正下方，需在扇形板完成全部焊装及点胶并利用螺钉安装到外壳上后，再开始进行灌封。

2) 将柔性板翻转至SiPM窗口水平朝上，并利用灌封工装进行固定，然后利用细玻璃棒将按比例(1∶3)混合好的EJ-500耦合胶均匀涂抹到SiPM窗口表面，静置15 min待气泡散尽后，将镶嵌源粘贴到上面。保持工装不移动，等待24 h使得耦合胶完全固化。

3) 将GD414C填充满外壳方形凹槽，移开工装，将耦合的镶嵌源按入凹槽内，使方形电路板卡到凹槽口外沿上，再利用封装将电路板固定，等待GD414C完全固化。

4) 将柔性板紧贴外壳内壁及凹槽侧面开口，并利用GD414C将凹槽侧面完全灌封，保证固定及避光效果满足要求。等待GD414C完全固化后，移除工装，结束灌封。

4 结论

GCD作为GRM载荷的在轨标定探测器，主要完成对标定源214Am发出的α粒子的有效探测，并作为触发信号协助主探测器完成在轨自动增益控制。本文对其各部分电子学的原理设计、偏压补偿电路的高低温实验验证及结果分析、投产加工及镶嵌源灌封设计等研制过程进行了描述，对设计中出现的问题加以验证及改进。结果表明其主要功能和性能指标均满足设计要求，对载荷系统完成GRB长期有效探测具有重要意义。