基于SDD的太阳X射线探测器智能测控系统的建立和完善

  
　　卫星在运行过中随时受空间环境影响，空间环境剧烈变化可能导致默写元器件失效甚至整个卫星无法工作。 空间环境变化的源头是太阳，太阳耀斑引起的质子事件是影响空间环境的重要因素。 为了尽可能减少太阳质子事件对空间飞行器的仪表和人员的影响与损害，减少损失，准确预报太阳质子事件的发生、强度、时间等因子就显得十分必要[1]. 科学研究表明，以太阳 X 射线某些物理特征警报太阳质子事件是一种十分有效的手段。 本文建立和完善基于 SDD 的太阳 X 射线探测器智能测控系统，形成高可靠性安全性的地面测控支撑系统，对应用于航天任务的太阳 X 射线探测器上天前进行严格、精确的检验和考核，为星上设备的研制提供重要支持。
　　该 X 射线探测器采用德国 Ketek 公司生产的硅漂移传感器（Silicon Drift Detector, SDD），SDD 是一种新型的、独具优势的核辐射探测器。 采用双面并行的平面工艺技术，通过在硅片两表面制造特殊的电极，在适当的偏压下，使硅片体处于全耗尽状态，并形成一个平行于上下两表面、均匀的漂移电场。 电荷收集极位于探测器中央，面积非常小，因此收集极电容也非常小，这样减小了串联噪声分量，降低了整个电子学噪声，小于同样面积和厚度的 Si-PIN 探测器，只需采用简单的半导体制冷就能够达到甚至超过需用液氮制冷的 Si（Li）探测器的能量分辨率 ,并使最佳成型时间变快[2-3]. SDD中的电子漂移时间与位置有关， 当多个光子同时入射时，硅漂移室能够加以分辨，从而获得特别高的计数率。 总的来说，当 X 射线光子穿过耗尽层时， 会损失能量并产生电子-空穴对，其中空穴被附近的电极吸收，而电子则被漂移电场强迫向硅片的一端漂移，到达电荷收集极，电荷收集极的点电极进行电荷收集，每个 X 射线光子产生的电荷信号都在收集电极形成与光子能量成正比的增量电荷[4],电荷的变化反映在外电路中，即产生电流。
　　本文采用的 SDD 其特性如下： 整机状态下对 X 射线探测器的能量分辨率可达 189 eV@ 5.9keV,探测能量范围 1.5~24.8 keV, 峰本比 >15 000, 计数率可达 1 000 kcps, 可工作在-60~-20 ℃,消耗功率小,高效的集成 Pilter 元件,易于使用,体积小等优点.

    为了将该传感器良好的特性充分发挥,需要完备的电子学测控系统. 参考文献[5],探测器可以看做是一个恒流源. 这样,采用电荷灵敏前置放大器对电流脉冲积分,形成电压脉冲信号(≤10 mV),再经过脉冲成形放大电路对电压脉冲信号进行滤波整形放大(≤10 V),以满足后端幅度分析系统.

    因此,首先尽量减少测控系统的输入噪声,此外,在一定的脉冲处理时间下,脉冲滤波成形电路的性能,直接影响着整个仪器的能量分辨率. 欲保证传感器的能量分辨率最优化,除了要获得较高的信噪比之外,脉冲滤波成形电路还应满足以下技术指标要求:1)半导体探测器输出幅度和成形电路输出幅度应严格保持线性关系,成形输出幅度最高 10 V;2)通过调节电路参数 ,减少堆积和基线的变化 ,提高电路的计数率响应;3)成形后的输出波形应符合后续电路分析测量参数要求,脉冲宽度为 1 μs,成形时间为 3~5 μs.4)滤波成形电路应尽可能简单,增益可调.

    1 滤波成形原理

    脉冲成形电路的总体设计包括电荷灵敏前置放大电路和滤波成形电路,SDD 输出的电脉冲信号, 经过电荷灵敏前置放大电路, 变换为以 3 μs 为时间常数衰减的指数脉冲信号,经过成形滤波电路,消除噪声,整形放大,输出满足后端幅度分析的波形信号.

    1.1 电荷灵敏前置放大电路

    电荷灵敏前置放大器就是带有电容负反馈的电流积分器. 变换增益 ACQ=1/Cf,它表示单位电荷量输入该前放得到的输出幅度,又叫做电荷灵敏度. 对于 SDD 而言,使用电荷灵敏放大器,可以消除结电容的影响. 假设电压放大器的放大倍数为 K,那么该放大器的等效输入电容为 C+KCf. 只要K 足够大,有 KCf》C,那么输出脉冲幅度 VO=KV0=KQ/KCf=Q/Cf,仅与反馈小电容 Cf有关,与探测器的结电容无关.本文选用的 SDD 已包含前放输入级 FET, 后端前放电路原理图如图1 所示 .

   

   
    作为电荷灵敏前置放大电路的的主要性能指标之一,变换增益 ACQ越大越好,这里可定义为 ACQ=VO / Cf. 因此 ,前置放大器设计时采用高稳定度的反馈电容,便可以得到稳定的电荷变换增益.

    1.2 滤波成形

    电图 2 所示的滤波成形电路由两级二阶有源带通滤波器和一级电压跟随器组成. 在滤波成形电路的运算放大器选择上,本文采用的是 AD829 运算放大器,它有 750 MHz 的增益带宽积,低噪音,适用于高速电路. C1、C4为耦合电容,滤去低频的信号. C3和 C7为补偿电容(实验分别优化为 100 pF,10 pF),C2、C5为 AD829 的外部并联补偿电容,用以保证带宽并具有闭环工作的稳定性. C2、R2并联,C5、R4并联,分别用于补偿 U1、U2反相输入端的电容,另外 C2、C5选用较小值,可提高电路响应速度. C8是滤波电容. U1、U2两级有源带通滤波器,级联后相当于无源的(CR)²-(RC)²电路.整个电路实现对输入 10 mV 以下的电压脉冲信号的滤波成形放大,经过该电路输出为最高 10 V 电压的准高斯波形.

   

　　因两级滤波器结构相同，下面就第一级电路分析，计算传递函数。

　　由图 2 可知， 令 Z1=（R1C1s+1）/sC1,Z2=R2/（R2C2s+1）， 得到 H（s）=-Z2/Z1,将 Z1和 Z2代入上式可得闭环传递函数

　　可以看出，传递函数包括一个在原点的零点和两个分别在-1/（R1C1）和-1/（R2C2）的实极点，在原点的零点使得在原波形的峰位处出现过零点，输出 Vo（t）呈双极性脉冲 ,在高计数率时宜采用双极性成形并适当减小脉宽。
　　令 s=jw 得

　　其中，H0=-R2R1称为中频增益，wL=2πfL=1/（R1C1），ωH=2πfH=1/（R2C2），wH>wL.图3所示单级成形滤波的幅频特性和相频特性，代入参数得到，增益最高点的频率f0=1/[2π√（R1C1R2C2）],fL=1/2πR1C1,fH=1/2πR2C2,相位则在频率最高点发生反转。

    2 电路的仿真

    Multisim 12.0 是一个最新版本基于 SPICE 模型、NI 和行业标准硬件连接器、模拟和数字协同仿真和电路分析工具. 本文利用 Multisim 12.0 对二阶有源带通滤波器的性能参数进行仿真.

    2.1 参数选择过程

    信号源设置为指数时间衰减信号,上升时间常数为 100 ns,下降时间常数为 3 μs,周期 10 μs,脉冲幅度可调. 现在脉冲幅度固定为 5 mV,改变电路参数值,对不通参数值的滤波放大效果进行仿真,图 4(a)为 3 种不同参数下的仿真波形,当R1=300 Ω,R2=6 kΩ 时,A 为 C1=1 000 pF,C2=10 pF,中心频率f0=1.19 MHz 的波形曲线;B 为 C1=500 pF,C2=5 pF, 中心频率f0=2.37 MHz 的波形曲线 ;C 为 C1=250 pF,C2=2.5 pF, 中心频率 f0=4.75 MHz 的波形曲线. 由图 4(a)看出,随着中心频率的不断变大,脉冲幅度减小,脉冲宽度变小,震荡变大. 原因是中心频率增大, 响应频率范围内的干扰信号未能有效滤除,滤波效果变差.

   

    保持信号源参数不变,在相同的中心频率下,对不同的电容电阻值的滤波效果进行仿真. 在中心频率 f0=1.19 MHz时,A 为 R1=300 Ω,R2=6 kΩ,C1=1 000 pF,C2=10 pF 的波形曲线;B 为 R1=600 Ω,R2=12 kΩ,C1=500 pF,C2=5 pF 的波形曲线;C 为 R1=150 Ω,R2=3 kΩ,C1=2 000 pF,C2=20 pF 的波形曲线.图 4(b)中可以看出,只要中心频率不发生变化,该级滤波成形效果不变. 同理, 第二级电路的参数选择 R3=1 kΩ,R4=50 kΩ,C4=1 000 pF,C5=1 pF.

    综合上面两组仿真的结果, 较为理想的波形参数是 R1=300 Ω,R2=6 kΩ,C1=1 000 pF,C2=10 pF;R3=1 kΩ,R4=50 kΩ,C4=1 000 pF,C5=1 pF.

    2.2 线性关系验证

    为了验证输入输出幅度呈线性关系,利用单级滤波成形放大电路观测,使得信号源电压线性变化,即曲线 A 为 1.2 mV,曲线 B 为 2.4 mV,曲线 C 为 4.8 mV,曲线 D 为 9.6 mV,如图 5(a)所示. 图 5(b)则为输出线性变化的输出电压. 由图5(a)和图 5(b)可以看出,不同输入最大幅度呈线性递增的关系,对应的不同输出峰值也保持线性关系, 图 6 是应用具体的实验数据描绘出的线性关系图. 所以,该实验验证了半导体探测器输出幅度和成形电路输出幅度应严格保持线性关系.

   

    2.3 准高斯波形产生

    由最佳滤波器理论可知:当成形后的波形为无限宽尖顶脉冲时,可以达到最佳信噪比. 高斯波形是具有无限宽的脉冲,而顶部也保持一定的宽度. 在实际应用中,为了提高计数率,还应减小脉冲宽度,所以采用接近高斯型波形的准高斯型(也称半高斯). 试验证明积分的级数越多,半高斯就越对称,电路的噪声越低[2]

    . 保持信号源参数不变 ,即上升时间常数为 100 ns,下降时间常数为 3 μs,周期 10 μs,脉冲峰值设定为 5 mV,图 7(a)是单级成形电路输出波形,Vm≈105 mV,-Vm≈-26 mV;图 7(b) 是两级成形电路输出波形 ,Vm‘≈5 V,-Vm’≈-2.6 V.

   

    图 7 的(a)和(b)比较可以看出,两级有源滤波器比一级有源滤波器的输出波形达峰时间增加, 更接近高斯波形了,虽然相应的峰值持续时间也增加了,但是在允许范围之内. 图 7(c)是信号经过跟随器后输出波形,达峰时间≤0.5μs,峰持续时间≤5 μs. 由此看出,电路的滤波效果良好,噪声较小,在一定范围内得到了准高斯波形,因此整个电路符合设计要求.

    3 结 论.

    通过分析有源滤波成形电路的工作原理, 利用 软件Multisim12.0 进行电路最佳参数的选择 , 结果显示采用两级有源滤波电路滤波成形, 能够输出脉宽约为 1 μs 的准高斯波形,利于后端的脉冲幅度分析电路利用. 该脉冲成形电路适用于便携式小型化探测系统中的信号获取以及滤波成形处理中.

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