TEROS：雷暴高能辐射观测系统的设计与实现

张雄， 郑毅， 曹保锋， 张爽， 李鹏， 李小强

国民核生化灾害防护国家重点实验室， 北京 102205

0 引言

雷暴高能辐射(Thunderstorm Energetic Radiations，TERs)是指源自雷暴，能量可达数十MeV的X/γ射线(由于历史原因，在TERs研究领域，一般将1 MeV以下的光子称为X射线，把1 MeV以上的光子称为γ射线)，因与闪电始发过程的潜在联系而日益受到关注(Dwyer and Uman, 2014)，是近年来兴起的前沿交叉领域——高能大气物理(High Energy Atmospheric Physics，HEAP)(Dwyer et al., 2012a)的主要研究对象.TERs的持续时间跨度很大，包括长达数十分钟的γ射线辉光(Wada et al., 2019a)，也称为雷暴地面增强(Thunderstorm Ground Enhancements，TGEs)(Chilingarian et al., 2018)；亚毫秒尺度的地球γ射线闪(Terrestrial Gamma-ray Flashes，TGFs)(Marisaldi et al., 2013；陆高鹏等，2020；郄秀书和王俊芳，2010)；以及由多个微秒量级爆发组成的X射线暴(Dwyer et al., 2003).虽然相对论逃逸电子雪崩(Relativistic Runaway Electron Avalanche，RREA)(Gurevich et al., 1992)已被普遍接受是产生TERs的基本物理过程，但目前还不清楚各类TERs具体的产生机制以及相互之间的联系和区别，也不清楚TERs在雷暴或闪电发展中是否发挥了作用.其中的一个重要制约因素是TERs观测事例少，辐射特性还不明确.

由于TERs发生的不确定性和空气对光子强烈的吸收衰减，早期的TERs事例大多来自于观测高能γ射线的大科学装置.如CGRO/BATSE(Fishman et al., 1994)、RHESSI(Smith et al., 2005, 2020)、AGILE(Lindanger et al., 2020；Tavani et al., 2011)、Fermi(Roberts et al., 2018)等具有较大观测视角的天基平台，报道了绝大部分的高瞬时强度TGFs；而天山宇宙线观测站(Gurevich et al., 2018)、羊八井宇宙线观测站(Tsuchiya et al., 2012)、ASEC(Chilingarian et al., 2019)、HAWC(Bowers et al., 2019)等具有较大探测面积的高海拔地基平台，则报道了大量的低强度γ射线辉光.国内的GRID(Wen et al., 2019)、Insigt-HXMT(Xiao et al., 2020)、GECAM(Zhang et al., 2019)以及LHAASO(Jia et al., 2022)等也将TERs观测纳入科学任务.但由于核心科学目标的不同，上述装置在探测能力、触发机制、数据采集模式等方面的设计上与TERs观测需求并不完全一致，且无法对雷暴/闪电多发地区进行针对性观测.

2018年，首个TGFs多波段同步观测天基载荷ASIM(Neubert et al., 2019)成功发射，凭借其时间分辨快、探测面积大的优势发现了TGFs在时间分布上的亚结构，并将测量到的TGFs平均持续时间缩短到50 μs以内(Østgaard et al., 2019)，证实了TGFs产生于先导发展阶段(Neubert et al., 2020)，开启了TGFs观测的新纪元.其他在轨(法国的TARANIS(Sarria et al., 2017)于2020年11月17日发射失败)或规划的专用卫星/载荷还包括Vernov/RELEC(Panasyuk et al., 2016)、Lomonosov(Svertilov et al., 2018)、RAAD(Roberts et al., 2019)等单星项目，以及TYRAD(Fogle and Wersinger, 2017)、CAMELOT(Werner et al., 2018)、Universat-SOCRAT(Panasyuk et al., 2019)等多星组网项目.但天基观测距离远，捕捉到的事例偏向于强爆发事件，源区光子经长距离输运后发生时间色散，能谱成分也发生较大变化，特别是低能部分无法到达观测轨道，难以准确反演源区辐射特性(Lindanger et al., 2021).空基观测距离辐射源区近，能够捕获低强度TERs，但易受天气影响，观测难度大.目前仅有ADELE观测到1次TGF(Smith et al., 2011)和1次与TGF有关的反向光子束(Bowers et al., 2018)，ILDAS(Kochkin et al., 2015)和ALOFT(Kochkin et al., 2021)报道了少量的γ射线辉光，其余则未见有正式报道的观测结果(Bagheri, 2019；Helmerich et al., 2019；Ringuette, 2014).

相较空天基观测，针对雷暴/闪电多发地区特别是人工触发闪电的地基观测具有部署维护方便、成本低廉的优势，且距离源区近、闪电发生频率相对较高，能够兼顾不同类别TERs事件，并可同步开展精细的雷暴/闪电多物理效应综合观测(Hettiarachchi et al., 2018；Saba et al., 2019；Tran et al., 2019；Urbani et al., 2021)，是TERs观测的重要途径.如依托美国ICLRT建设的探测阵列TERA(Hare et al., 2016；Saleh et al., 2009)先后报道了首个与人工触发闪电有关的X射线暴(Dwyer et al., 2003)和TGF(Dwyer et al., 2004a)，以及首个与自然地闪有关的TGF(Dwyer et al., 2012b).TERA以NaI(Tl)闪烁体为核心探测器，其主要特点是连续采集探测器输出信号，这对于短时高强度事件信息的解析十分重要.但TERA采用模拟信号传输数据，容易受环境影响，扩展性相对较差，且不具备γ射线辉光观测能力.而面向日本冬季雷暴应用的GROWTH(Wada et al., 2019b)/Thundercloud Project(Hisadomi et al., 2021；Yuasa et al., 2020)则直接采集脉冲幅度和时间信息，结合模块化探测单元的广泛部署，有效实现了弱TERs的检出，但其无法给出连续时域波形，且使用的BGO探测器能量分辨较差.采用类似设计的还有GODOT(Bowers et al., 2017)和TETRA(Ringuette et al., 2013)/TETRA-II(Pleshinger et al., 2019).

目前国内针对TERs的研究较少且主要集中在相关闪电数据分析(Lu et al., 2019；Zhang et al., 2020, 2021)，尤其缺乏专门的辐射探测手段.自2016年以来，国民核生化灾害防护国家重点实验室持续开展TERs地面观测(Li et al., 2017)，利用单个闪烁体探测器成功捕获到人工触发闪电高能辐射(李小强等，2019)和自然闪电高能辐射(李小强等，2018a)，但其测量能量上限较低，且缺少准确的时间信息，无法与其他闪电观测数据进行精细比对.本文在前期原理装置(李小强等，2018b)基础上，综合考虑观测的可行性、事件的检出率以及经济成本，瞄准人工触发闪电试验环境，以X射线暴和TGFs等短爆发事件为主要观测对象，兼顾γ射线辉光观测，设计了一套基于双通道闪烁体探测器的宽量程、分布式雷暴高能辐射观测系统(Thunderstorm Energetic Radiation Observation System，TEROS)，利用NaI(Tl)探测器建立了国内首个分布式观测系统，成功应用于2021年夏季人工引雷试验，证明了TEROS具有良好的TERs观测能力，可为TERs研究提供科学数据资料.

1 系统总体设计

TEROS的核心科学目标是捕获TERs，并给出X/γ射线的强度、能谱、时间谱以及事件发生的准确时刻，其本质上是一个辐射探测系统.综合考虑能量/时间分辨能力和有效探测面积，辐射探测器采用闪烁体耦合光电倍增管(Photo Multiplier Tube，PMT).为约束TERs的空间分布特性并便于形成大范围的观测能力，TEROS设计为如图1所示的分布式系统，包括1个远程终端单元(Remote Terminal Unit，RTU)和布置在不同观测点的若干个高能辐射探测单元(Energetic Radiation Detection Unit，ERDU)，RTU和ERDU之间通过光纤连接.

图1 TEROS示意图Fig.1 Schematic diagram of TEROS

RTU由光电转换模块和集中管理计算机组成，并部署有集中管理软件，负责系统控制、参数设置和数据管理等；ERDU是探测X/γ射线的基本单元，能够相对独立地完成观测数据的采集、处理与上传，具有测量能量范围宽、抗干扰能力强、易部署、易组网等特点.

2 高能辐射探测单元

为实现宽量程测量，ERDU设计了2个具有不同增益的探测通道.双通道数据还可用于TERs的离线符合确认，从而排除误触发.如图2所示，ERDU包括2个闪烁体/PMT、2个分压器/前置放大器、1个基于FPGA的高速数据采集模块、1个高精度GPS模块(含天线)、1个供电模块和1个电磁屏蔽箱.除GPS天线外，整个ERDU均放置在电磁屏蔽箱内以降低雷暴环境的电磁辐射干扰，屏蔽箱尺寸为0.5 m×0.4 m×0.4 m.X/γ射线在闪烁体内沉积能量并激发出闪烁光，由PMT转换为电信号，经前置放大器放大成形送入高速数据采集模块，完成辐射脉冲信号的处理和数字化采集分析后，连同相应的GPS时间和位置信息一并上传至RTU，用于后续物理分析.GPS模块为HJ5442-V1型GPS同步时钟，授时精度优于30 ns；供电模块为24 V锂电池.ERDU的主要技术指标列于表1.

图2 ERDU原理框图Fig.2 Principle block diagram of ERDU

表1 ERDU主要技术指标Table 1 Technical indicators of ERDU

2.1 闪烁体/PMT

TEROS主要配备的是直径和长度均为7.6 cm的NaI(Tl)(简称为NaI(Tl)-D3)，此外可兼容直径为4.5 cm、长度为5.1 cm的CeBr3(简称为CeBr3)和5 cm×10 cm×40 cm的NaI(Tl) (简称为NaI(Tl)-2L).表2列出了NaI(Tl)和CeBr3两种闪烁体的主要参数，图3展示了3种不同的探测器，图4是仿真计算得到的3种探测器对不同能量垂直入射光子的有效探测面积.NaI(Tl)-D3成本低，适用于大范围组网观测；CeBr3时间响应快、能量分辨优，适用于近距离精细化观测；NaI(Tl)-2L探测面积大，可作为远距离观测自然闪电的有效补充.通过调整PMT的工作高压改变信号增益，可以实现不同的测量能量上限(详见第4节).

表2 NaI(Tl)与CeBr3闪烁体的主要参数Table 2 Main characteristics of NaI(Tl) and CeBr3

图3 3种探测器实物图Fig.3 Photos of three detectors

图4 3种闪烁体的有效探测面积计算值(垂直入射)Fig.4 Calculated effective detection areas (vertical incidence) of three detectors

2.2 分压器/前置放大器

分压器为PMT提供相应的级间工作电压，供电方式为阴极接地、阳极接正高压，通过对最后三级分压电阻并联去耦合电容，以抑制电压突变.前置放大器采用电荷灵敏方式，以保证输出信号幅度与探测器内沉积能量成正比.分压器/前置放大器如图5所示.

2.3 高速数据采集模块

高速数据采集模块(图6)由模拟信号调理电路、高速ADC电路、FPGA以及电源电路组成，负责信号的处理、采集、上传，以及ERDU各模块的电源控制.

图5 分压器/前置放大器实物图Fig.5 Photo of voltage divider/preamplifier

图6 高速数据采集模块实物图Fig.6 Photo of high-speed data acquisition module

模拟信号调理电路将前置放大器输出的指数脉冲波形调理为正极性近高斯波形，电压幅值为0～2 V.如图7所示，对于衰减时间约为230 ns的NaI(Tl)，调理后的典型输出信号宽度约2 μs，而衰减时间较小的CeBr3典型输出脉宽约0.5 μs.高速ADC负责脉冲波形的数字化采集，选用AD9245BCPZ-80，最高采样率为80 MHz，可向下调整，采样精度为14 bit.电源电路负责为高速数据采集模块、GPS模块以及前置放大器提供工作电压，并通过分压器向PMT提供正高压.FPGA根据设置的参数和观测模式，完成事件判别以及数据的采集和上传.

图7 NaI(Tl)-D3/PMT与CeBr3/PMT实测的 662 keV脉冲Fig.7 662 keV pluses measured by NaI(Tl)-D3/PMT and CeBr3/PMT

3 观测模式设计

考虑到不同TERs的辐射强度和持续时间差异较大，对数据的采集需求也有所区别，设计了针对短爆发事件和γ射线辉光的2种观测模式.

图8 实测脉冲堆积Fig.8 Measured pulses pile-up

3.1 短爆发事件观测模式

短爆发事件具有较大的瞬时强度，容易引起如图8所示的脉冲堆积，需要采集完整时域波形用于辐射信息的准确解析.为降低连续观测下的高速数据采集对系统存储和数据传输的要求，同时避免因堆积引起的脉冲计数不准确而造成漏触发，TEROS基于放射性本底的统计涨落规律和过阈值采样点数量在线识别短爆发事件(李小强等，2018b).在较短时间窗内，本底放射性可认为服从泊松分布，那么在该给定时间窗内，由期望为M的本底引起计数值>N的概率P为

NaI(Tl)-D3的本底计数率约为200 cps，假设短爆发事件触发时间窗为500 μs，由上式计算可得：当N=4时，因本底引起的触发约为13.25次/天；当N=5时，本底触发约为0.22次/天.在实际应用过程中，使用N×(典型脉冲采样点数量)作为触发判别参数.如NaI(Tl)-D3的典型脉宽为2 μs，当采样率为20 MHz时，典型脉冲采样点数量为40，相应的触发阈值为40N.

在短爆发事件观测模式下，各ERDU相对独立运行，实时进行触发判别且互不触发，而ERDU内部的两个通道相互触发，触发后上传的数据包括连续时域波形、触发时间和观测点位置.

3.2 γ射线辉光观测模式

γ射线辉光强度相对较低且观测持续时间长，可直接采集信号幅度(能量)和时间信息而无需采集连续时域波形.在γ射线辉光观测模式下，各个ERDU每秒钟向RTU上传一个能谱数据文件，包括2个通道的1024道累积能谱和时间信息.通过对累积能谱数据差分处理，可以给出每10 s(或任意时间间隔)计数的变化.当某一时间段内的计数值显著超过本底统计涨落(如5σ)，则认为发生一次γ射线辉光，相应的能谱数据和时间信息可用于后续分析.图9给出了NaI(Tl)-D3/PMT和CeBr3/PMT实测的1 min137Cs能谱，能量分辨率分别为8.48%和4.19%.

图9 NaI(Tl)-D3/PMT与CeBr3/PMT的 1 min实测137Cs能谱Fig.9 1-minute energy spectra of 137Cs measured by NaI(Tl)-D3/PMT and CeBr3/PMT

4 基于NaI(Tl)-D3/PMT的4站TEROS及测试实验

4.1 4站TEROS及测试实验概述

2021年夏季，研究团队在中国气象局雷电野外科学试验基地(Field Experiment Base on Lightning Sciences，China Meteorological Administration，CMA_FEBLS)(Fan et al., 2020)建立了1套4站TEROS(图10)，利用人工引雷试验重点对其短爆发事件观测能力进行了验证.4个ERDU围绕2个引雷点布置，并从ERDU-1至ERDU-4依次编号.探测器均选用NaI(Tl)-D3/PMT，触发时间窗为500 μs，采样率为20 MHz，触发阈值为160.图11展示了电磁屏蔽箱和ERDU内部组成.

4.2 能量刻度

NaI(Tl)探测器能量线性好，一般采用线性或二项式拟合能量与道址的关系.对每个探测器设定3种不同的PMT工作高压，以实现低(测量上限～3 MeV)、中(测量上限～10 MeV)、高(测量上限～20 MeV)3种不同的测量上限(图12)，利用137Cs、60Co和40K完成了全部8个探测器的24组能量刻度.其中，中、高能段使用线性拟合，低能段则使用二项式拟合，以提高拟合精度.在实际应用中，可结合具体情况灵活调整两个通道的工作能段，以提高观测数据的可用性.

4.3 抗干扰能力测试

为评估雷暴复杂环境对TEROS的影响，设计了1次抗干扰能力测试试验.在引雷前，拆除了距离引雷点最近(水平间距为16 m)的ERDU-3的2号通道NaI(Tl)闪烁体，保留了除晶体外的全部电子学系统，并使其保持在正常工作状态.如图13所示，在测试试验期间，该通道未记录到任何信号，而其他7个通道均有显著的人工触发闪电高能辐射信号，表明TEROS可在雷暴复杂环境下可靠运行，具有良好的抗干扰能力.

4.4 短爆发事件观测能力测试

2021年夏季共成功触发闪电5次，涉及先导/回击过程22次，经与CMA_FEBLS提供的通道基电流数据比对，TEROS在其中17次过程中检测到短爆发事件，匹配率达到77.3%.这与基于回击电流触发的TERA报道的73%(Dwyer et al., 2004b)相当.如图14所示，TEROS在1次人工触发闪电的全部5次先导/回击过程中均捕获到TERs.此外，TEROS还观测到3次自然闪电高能辐射，并首次获得了多站同步数据.

由于观测点距引雷点相对较近，容易引起输出信号饱和.如图15所示，1通道因测量上限低，出现了大量的连续饱和脉冲，而中量程的2通道则采集到完整波形数据，并较好地识别出堆积脉冲，系统观测能力较单通道显著提升，数据可用性增强.

图10 TEROS在CMA_FEBLS的现场布局图Fig.10 Layout of TEROS at CMA_FEBLS

图11 ERDU实物图(a) 电磁屏蔽箱; (b) 电磁屏蔽箱内部.Fig.11 Photos of ERDU(a) Electromagnetic shielding box; (b) Interior of the electromagnetic shielding box.

图12 能量与道址的关系(a) 低能段； (b) 中能段 ； (c) 高能段.Fig.12 The relationships between energy and energy channel(a) Low energy region; (b) Medium energy region; (c) High energy region.

图13 抗干扰能力测试结果 从上到下依次为：距引雷点水平间距为61、93、16和82 m的ERDU数据.Fig.13 Test result of anti-interference capability From top to bottom: ERDU data with horizontal spacing of 61, 93, 16 and 82 m from rocket launch point.

图14 人工触发闪电过程的通道基电流和TEROS观测数据 从上到下依次为：通道基电流，以及距引雷点水平间距为100、92、31和18 m的ERDU数据.Fig.14 The channel-base current and TEROS observation data from a rocket-triggered lightning flash From top to bottom: Channel-base current, and ERDU data with horizontal spacing of 100, 92, 31 and 18 m from rocket launch point.

5 结论

针对TERs观测需求，本文设计并实现了国内首个分布式雷暴高能辐射观测系统.该系统具有抗干扰能力强、稳定性好、易部署、易扩展等特点，便于开展大范围组网观测并为约束TERs几何分布提供了可能；可通过双通道灵活配置量程，测量上限不低于10 MeV；实现了面向不同时间尺度TERs的2种观测模式.经与通道基电流数据比对，利用NaI(Tl)闪烁体探测器建立的4站TEROS观测系统，在全部22次人工触发闪电的先导/回击过程中捕获到17次TERs事件，探测率为77.3%.此外，还首次获得了自然闪电高能辐射的多站同步数据.试验结果证明TEROS在复杂电磁环境下，具备良好的TERs观测能力和运行稳定性.后续将进一步优化扩展TEROS，建立涵盖基于CeBr3的近场精细化观测和基于NaI(Tl)-2L的高建筑物观测的雷暴高能辐射地基观测网络，结合雷暴/闪电多物理效应观测和仿真计算，探索TERs的物理本质及其与雷暴/闪电的内在联系，推动高能大气物理领域试验与理论研究的发展.

致谢感谢中国气象科学研究院和中国气象局广州热带海洋气象研究所在人工引雷试验过程中提供的帮助和支持，感谢审稿专家的宝贵建议.

图15 单个ERDU观测到的1次短爆发事件Fig.15 A short-burst event observed by single ERDU