基于SDD的太陽(yáng)X射線探測(cè)器智能測(cè)控系統(tǒng)的建立和完善,電力論文

基于SDD的太陽(yáng)X射線探測(cè)器智能測(cè)控系統(tǒng)的建立和完善,電力論文衛(wèi)星在運(yùn)行過(guò)中隨時(shí)受空間環(huán)境影響，空間環(huán)境劇烈變化可能導(dǎo)致默寫元器件失效甚至整個(gè)衛(wèi)星無(wú)法工作?？臻g環(huán)境變化的源頭是太陽(yáng)，太陽(yáng)耀斑引起的質(zhì)子事件是影響空間環(huán)境的重要因素。為了盡可能減少太陽(yáng)質(zhì)子事件對(duì)空間飛行器的儀表和人員的影響與損害，減少損失，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)太陽(yáng)質(zhì)子事件的發(fā)生、強(qiáng)度、時(shí)間等因子就顯得特別必要[1].科學(xué)研究表示清楚，以太陽(yáng)X射線某些物理特征警報(bào)太陽(yáng)質(zhì)子事件是一種特別有效的手段。本文建立和完善基于SDD的太陽(yáng)X射線探測(cè)器智能測(cè)控系統(tǒng)，構(gòu)成高可靠性安全性的地面測(cè)控支撐系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)用于航天任務(wù)的太陽(yáng)X射線探測(cè)器上天前進(jìn)行嚴(yán)格、精到準(zhǔn)確的檢驗(yàn)和考核，為星上設(shè)備的研制提供重要支持。該X射線探測(cè)器采用德國(guó)Ketek公司生產(chǎn)的硅漂移傳感器〔SiliconDriftDetector,SDD〕，SDD是一種新型的、獨(dú)具優(yōu)勢(shì)的核輻射探測(cè)器。采用雙面并行的平面工藝技術(shù)，通過(guò)在硅片兩外表制造特殊的電極，在適當(dāng)?shù)钠珘合拢构杵w處于全耗盡狀態(tài)，并構(gòu)成一個(gè)平行于上下兩外表、均勻的漂移電場(chǎng)。電荷收集極位于探測(cè)器，面積非常小，因而收集極電容也非常小，這樣減小了串聯(lián)噪聲分量，降低了整個(gè)電子學(xué)噪聲，小于同樣面積和厚度的Si-PIN探測(cè)器，只需采用簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體制冷就能夠到達(dá)甚至超過(guò)需用液氮制冷的Si〔Li〕探測(cè)器的能量分辨率,并使最佳成型時(shí)間變快[2-3].SDD中的電子漂移時(shí)間與位置有關(guān)，當(dāng)多個(gè)光子同時(shí)入射時(shí)，硅漂移室能夠加以分辨，進(jìn)而獲得十分高的計(jì)數(shù)率。總的來(lái)講，當(dāng)X射線光子穿過(guò)耗盡層時(shí)，會(huì)損失能量并產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，華而不實(shí)空穴被附近的電極吸收，而電子則被漂移電場(chǎng)強(qiáng)迫向硅片的一端漂移，到達(dá)電荷收集極，電荷收集極的點(diǎn)電極進(jìn)行電荷收集，每個(gè)X射線光子產(chǎn)生的電荷信號(hào)都在收集電極構(gòu)成與光子能量成正比的增量電荷[4],電荷的變化反映在外電路中，即產(chǎn)生電流。本文采用的SDD其特性如下：整機(jī)狀態(tài)下對(duì)X射線探測(cè)器的能量分辨率可達(dá)189eV@5.9keV,探測(cè)能量范圍1.5~24.8keV,峰本比15000,計(jì)數(shù)率可達(dá)1000kcps,可工作在-60~-20℃,消耗功率小,高效的集成Pilter元件,易于使用,體積小等優(yōu)點(diǎn).為了將該傳感器良好的特性充分發(fā)揮,需要完備的電子學(xué)測(cè)控系統(tǒng).以下為參考文獻(xiàn)[5],探測(cè)器能夠看做是一個(gè)恒流源.這樣,采用電荷靈敏前置放大器對(duì)電流脈沖積分,構(gòu)成電壓脈沖信號(hào)(10mV),再經(jīng)過(guò)脈沖成形放大電路對(duì)電壓脈沖信號(hào)進(jìn)行濾波整形放大(10V),以知足后端幅度分析系統(tǒng).因而,首先盡量減少測(cè)控系統(tǒng)的輸入噪聲,除此之外,在一定的脈沖處理時(shí)間下,脈沖濾波成形電路的性能,直接影響著整個(gè)儀器的能量分辨率.欲保證傳感器的能量分辨率最優(yōu)化,除了要獲得較高的信噪比之外,脈沖濾波成形電路還應(yīng)知足下面技術(shù)指標(biāo)要求:1)半導(dǎo)體探測(cè)器輸出幅度和成形電路輸出幅度應(yīng)嚴(yán)格保持線性關(guān)系,成形輸出幅度最高10V;2)通過(guò)調(diào)節(jié)電路參數(shù),減少堆積和基線的變化,提高電路的計(jì)數(shù)率響應(yīng);3)成形后的輸出波形應(yīng)符合后續(xù)電路分析測(cè)量參數(shù)要求,脈沖寬度為1s,成形時(shí)間為3~5s.4)濾波成形電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單,增益可調(diào).1濾波成形原理脈沖成形電路的總體設(shè)計(jì)包括電荷靈敏前置放大電路和濾波成形電路,SDD輸出的電脈沖信號(hào),經(jīng)過(guò)電荷靈敏前置放大電路,變換為以3s為時(shí)間常數(shù)衰減的指數(shù)脈沖信號(hào),經(jīng)過(guò)成形濾波電路,消除噪聲,整形放大,輸出知足后端幅度分析的波形信號(hào).1.1電荷靈敏前置放大電路電荷靈敏前置放大器就是帶有電容負(fù)反應(yīng)的電流積分器.變換增益ACQ=1/Cf,它表示單位電荷量輸入該前放得到的輸出幅度,又叫做電荷靈敏度.對(duì)于SDD而言,使用電荷靈敏放大器,能夠消除結(jié)電容的影響.假設(shè)電壓放大器的放大倍數(shù)為K,那么該放大器的等效輸入電容為C+KCf.只要K足夠大,有KCf〕C,那么輸出脈沖幅度VO=KV0=KQ/KCf=Q/Cf,僅與反應(yīng)小電容Cf有關(guān),與探測(cè)器的結(jié)電容無(wú)關(guān).本文選用的SDD已包含前放輸入級(jí)FET,后端前放電路原理圖如此圖1所示.作為電荷靈敏前置放大電路的的主要性能指標(biāo)之一,變換增益ACQ越大越好,這里可定義為ACQ=VO/Cf.因而,前置放大器設(shè)計(jì)時(shí)采用高穩(wěn)定度的反應(yīng)電容,便能夠得到穩(wěn)定的電荷變換增益.1.2濾波成形電圖2所示的濾波成形電路由兩級(jí)二階有源帶通濾波器和一級(jí)電壓跟隨器組成.在濾波成形電路的運(yùn)算放大器選擇上,本文采用的是AD829運(yùn)算放大器,它有750MHz的增益帶寬積,低噪音,適用于高速電路.C1、C4為耦合電容,濾去低頻的信號(hào).C3和C7為補(bǔ)償電容(實(shí)驗(yàn)分別優(yōu)化為100pF,10pF),C2、C5為AD829的外部并聯(lián)補(bǔ)償電容,用以保證帶寬并具有閉環(huán)工作的穩(wěn)定性.C2、R2并聯(lián),C5、R4并聯(lián),分別用于補(bǔ)償U(kuò)1、U2反相輸入端的電容,另外C2、C5選用較小值,可提高電路響應(yīng)速度.C8是濾波電容.U1、U2兩級(jí)有源帶通濾波器,級(jí)聯(lián)后相當(dāng)于無(wú)源的(CR)-(RC)電路.整個(gè)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入10mV下面的電壓脈沖信號(hào)的濾波成形放大,經(jīng)過(guò)該電路輸出為最高10V電壓的準(zhǔn)高斯波形.因兩級(jí)濾波器構(gòu)造一樣，下面就第一級(jí)電路分析，計(jì)算傳遞函數(shù)。由圖2可知，令Z1=〔R1C1s+1〕/sC1,Z2=R2/〔R2C2s+1〕，得到H〔s〕=-Z2/Z1,將Z1和Z2代入上式可得閉環(huán)傳遞函數(shù)能夠看出，傳遞函數(shù)包括一個(gè)在原點(diǎn)的零點(diǎn)和兩個(gè)分別在-1/〔R1C1〕和-1/〔R2C2〕的實(shí)極點(diǎn)，在原點(diǎn)的零點(diǎn)使得在原波形的峰位處出現(xiàn)過(guò)零點(diǎn)，輸出Vo〔t〕呈雙極性脈沖,在高計(jì)數(shù)率時(shí)宜采用雙極性成形并適當(dāng)減小脈寬。令s=jw得華而不實(shí)，H0=-R2R1稱為中頻增益，wL=2fL=1/〔R1C1〕，H=2fH=1/〔R2C2〕，wHwL.圖3所示單級(jí)成形濾波的幅頻特性和相頻特性，代入?yún)?shù)得到，增益最高點(diǎn)的頻率f0=1/[2〔R1C1R2C2〕],fL=1/2R1C1,fH=1/2R2C2,相位則在頻率最高點(diǎn)發(fā)生反轉(zhuǎn)。2電路的仿真Multisim12.0是一個(gè)最新版本基于SPICE模型、NI和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件連接器、模擬和數(shù)字協(xié)同仿真和電路分析工具.本文利用Multisim12.0對(duì)二階有源帶通濾波器的性能參數(shù)進(jìn)行仿真.2.1參數(shù)選擇經(jīng)過(guò)信號(hào)源設(shè)置為指數(shù)時(shí)間衰減信號(hào),上升時(shí)間常數(shù)為100ns,下降時(shí)間常數(shù)為3s,周期10s,脈沖幅度可調(diào).如今脈沖幅度固定為5mV,改變電路參數(shù)值,對(duì)不通參數(shù)值的濾波放大效果進(jìn)行仿真,圖4(a)為3種不同參數(shù)下的仿真波形,當(dāng)R1=300,R2=6k時(shí),A為C1=1000pF,C2=10pF,中心頻率f0=1.19MHz的波形曲線;B為C1=500pF,C2=5pF,中心頻率f0=2.37MHz的波形曲線;C為C1=250pF,C2=2.5pF,中心頻率f0=4.75MHz的波形曲線.由圖4(a)看出,隨著中心頻率的不斷變大,脈沖幅度減小,脈沖寬度變小,震蕩變大.原因是中心頻率增大,響應(yīng)頻率范圍內(nèi)的干擾信號(hào)沒(méi)有能有效濾除,濾波效果變差.保持信號(hào)源參數(shù)不變,在一樣的中心頻率下,對(duì)不同的電容電阻值的濾波效果進(jìn)行仿真.在中心頻率f0=1.19MHz時(shí),A為R1=300,R2=6k,C1=1000pF,C2=10pF的波形曲線;B為R1=600,R2=12k,C1=500pF,C2=5pF的波形曲線;C為R1=150,R2=3k,C1=2000pF,C2=20pF的波形曲線.圖4(b)中能夠看出,只要中心頻率不發(fā)生變化,該級(jí)濾波成形效果不變.同理,第二級(jí)電路的參數(shù)選擇R3=1k,R4=50k,C4=1000pF,C5=1pF.綜合上面兩組仿真的結(jié)果,較為理想的波形參數(shù)是R1=300,R2=6k,C1=1000pF,C2=10pF;R3=1k,R4=50k,C4=1000pF,C5=1pF.2.2線性關(guān)系驗(yàn)證為了驗(yàn)證輸入輸出幅度呈線性關(guān)系,利用單級(jí)濾波成形放大電路觀測(cè),使得信號(hào)源電壓線性變化,即曲線A為1.2mV,曲線B為2.4mV,曲線C為4.8mV,曲線D為9.6mV,如此圖5(a)所示.圖5(b)則為輸出線性變化的輸出電壓.由圖5(a)和圖5(b)能夠看出,不同輸入最大幅度呈線性遞增的關(guān)系,對(duì)應(yīng)的不同輸出峰值也保持線性關(guān)系,圖6是應(yīng)用詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描繪出的線性關(guān)系圖.所以,該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了半導(dǎo)體探測(cè)器輸出幅度和成形電路輸出幅度應(yīng)嚴(yán)格保持線性關(guān)系.2.3準(zhǔn)高斯波形產(chǎn)生由最佳濾波器理論可知:當(dāng)成形后的波形為無(wú)限寬尖頂脈沖時(shí),能夠到達(dá)最佳信噪比.高斯波形是具有無(wú)限寬的脈沖,而頂部也保持一定的寬度.在實(shí)際應(yīng)用中,為了提高計(jì)數(shù)率,還應(yīng)減小脈沖寬度,所以采用接近高斯型波形的準(zhǔn)高斯型(也稱半高斯).試驗(yàn)證明積分的級(jí)數(shù)越多,半高斯就越對(duì)稱,電路的噪聲越低[2].保持信號(hào)源參數(shù)不變,即上升時(shí)間常數(shù)為100ns,下降時(shí)間常數(shù)為3s,周期10s,脈沖峰值設(shè)定為5mV,圖7(a)是單級(jí)成形電路輸出波形,Vm105mV,-Vm-26mV;圖7(b)是兩級(jí)成形電路輸出波形,Vm5V,-Vm-2.6V.圖7的(a)和(b)比擬能夠看出,兩級(jí)有源濾波器比一級(jí)有源濾波器的輸出波形達(dá)峰時(shí)間增加,更接近高斯波形了,固然相應(yīng)的峰值持續(xù)時(shí)間也增加了,但是在允許范圍之內(nèi).圖7(c)是信號(hào)經(jīng)過(guò)跟隨器后輸出波形,達(dá)峰時(shí)間0.5s,峰持續(xù)時(shí)間5s.由此看出,電路的濾波效果良好,噪聲較小,在一定范圍內(nèi)得到了準(zhǔn)高斯波形,因而整個(gè)電路符合設(shè)計(jì)要求.3結(jié)論.通過(guò)分析有源濾波成形電路的工作原理,利用軟件Multisim12.0進(jìn)行電路最佳參數(shù)的選擇,結(jié)果顯示采用兩級(jí)有源濾波電路濾波成形,能夠輸出脈寬約為1s的準(zhǔn)高斯波形,利于后端的脈沖幅度分析電路利用.該脈沖成形電路適用于便攜式小型化探測(cè)系統(tǒng)中的信號(hào)獲取以及濾波成形處理中.以下為參考文獻(xiàn):[1]朱光武,李保權(quán),王世金,等.風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器[J].中國(guó)科學(xué)G輯,2004,34(3):354-360.ZHUGuang-wu,LIBao-quan,WANGShi-jin,etal.FY-2Geostationarymeteorologicalsatellitespaceenvironmentmonitor[J].ScienceinChinaSeriesG,2004,34(3):354-360.[2]吳廣國(guó),黃勇,賈彬,等.硅漂移探測(cè)器的制作工藝及特性研究[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2018,29(2):436-440.WUGuang-guo,HUANGYong,JIABing,etal.Fabricationandcharacterizingofsillicondriftdetectors[J].NuclearElectronicsDetectionTechnology,2018,29(2):436-440.[3]譚繼廉,靳根明.硅漂移探測(cè)器(SDD)及其在空間探測(cè)中的潛在應(yīng)用[C]//中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)第七次學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,122.[4]韋飛,王世金,梁金寶,等.風(fēng)云二號(hào)03批衛(wèi)星空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器[J].地球物理學(xué)報(bào),2020,56(1):1-11.WEIFei,WANGShi-jin,LIANGJin-bao,etal.Nextgennerationspaceenvironmentmonitor(SEM)forFY-2satelliteseries[J].ChineseJournalofGeophysics,2020,56(1):1-11.[5]王經(jīng)瑾,范天民,錢永庚,等.核電子學(xué)上冊(cè)[M].北京:原子能出版社,1985:104-204.[6]王芝英,樓濱喬,朱豪杰,等.核電子技術(shù)原理[M].北京:原子能出版社,1983:35-36.[7]盧霞.基于可編程邏輯陣列的SMT檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)脈沖分配器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2018(5):20-22.LUXia.Designandrealizationofsteppingmotorpulsedistributorthatapplied