风云三号E星中能质子探测器标定.pdf

11728/cjss2023.03.220329033Calibration of the Medium Energy Proton Detector of FY-3E(inChinese).Chinese Journalof Space Science,2023,43(3):558-566.DOI:10.HAO Mengtan,ZHANG Shenyi,HOU Donghui,SHEN Guohong,ZHANGHuanxin,SiUBo,BAYing,ZHoUPing,JIWentao.Chin.J.SpaceSci.空间科学学报0254-6124/2023/43(3)-0558-09风云三号E星中能质子探测器标定*郝梦坛1,2,31,2,3侯东辉1,31,3张坤毅沈国红1,3苏波1,2,3张焕新1,3白超平孙莹1,3周平21,3冀文涛1,31(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(北京天基空间环境探测重点实验室北京100190)摘要风云三号E星搭载的中能质子探测器实现了风云三号系列卫星首次对辐射带中能质子进行多方向的测量。中能质子探测器实现了对九个方向的测量能量范围为0.0 3 5MeV的中能质子能谱的测量。为确定中能质子探测器的实际性能，在仪器交付前，利用中国科学院国家空间科学中心的中高能电子加速器，对中能质子探测器的能量分辨率，相对响应效率曲线、不同方向探头测量一致性以及抗电子污染能力进行了标定。文中介绍了仪器的标定场所、标定内容，并对标定的结果做了分析。其结果显示，仪器的能量分辨率为6.50%3 10 keV，各测量一致性偏差优于1.51%，电子在仪器内产生污染计数的概率低于1%。该结果为中能质子探测器在轨运行时数据的分析处理提供了重要的参考依据。关键词同太阳同步轨道，风云三号E星，中能质子探测器，定标，能量分辨率中图分类号V447Calibration of the Medium Energy ProtonDetector of FY-3E1,2,3ZHANG ShenyilHAO Mengtan;1,2,3HOU Donghuil:3SHEN Guohong1.3ZHANG Huanxin l.3SU Bo l.3BAI Chaoping1,2,3SUN Ying1,3ZHOU Ping1,3JI Wentao1,31(National Space Science Center,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190)2(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)3(Beijing Key Laboratory of Space Encironment Erploration,Beijing 100190)*中国科学院国家空间科学中心“攀登计划”和科工局基金项目（D020104)共同资助2022-03-28收到原稿，2 0 2 2-10-18 收到修定稿E-mail:The Author(s)2023.This is an open access article under the CC-BY 4.0 License(https:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/)559郝梦坛等：风云三号E星中能质子探测器标定AbstractFY-3E is the first satellite among the FY-3 series that has observed protons with mediumenergy in multiple directions.The medium energy proton detector can measure the energy spectrum ofprotons with the energy range of 0.035 MeV in nine directions.In order to determine the actual perfor-mance of the medium energy proton detector,before the instrument delivered,the energy resolution,rel-ative response efficiency curve,measurement consistency of probes in different directions,and anti-elec-tron pollution ability of the medium energy proton detector were calibrated using the medium and high-energy electron accelerator of the National Space Science Center of the Chinese Academy of Sciences.This paper introduces the calibration site and contents of the instrument,and analyzes the calibrationresults.The results show that the energy resolution of the instrument is 6.50%310 keV,the consisten-cy deviation of each measurement is better than 1.51%,and the probability of electronic pollution count-ing in the instrument is less than 1%.The results provide an important reference for the analysis andprocessing of the data of the intermediate-energy proton detector in orbit.Key wordss Sun-synchronous orbit,FY-3E,Medium energy proton detector,Calibration,Energy resolution0引言在地球周围一定的空间范围内存在大量被地磁场捕获的高能带电粒子，该捕获区被称为地球辐射带。地球辐射带分为内辐射带(1.2 L2.5)和外辐射带（3 L8)，其中内辐射带主要由质子和电子组成，还有少量重离子存在；外辐射带以电子为主，并存在MeV以下的质子2。在平静情况下，内辐射带质子的全向积分通量在10 10 cm2s1,其最大全向积分通量出现在磁赤道上，在太阳质子事件、磁暴等活动期间，内辐射带的质子通量会受到明显的影响，质子通量发生明显增长门。中能质子是辐射带的重要研究内容之一，对磁暴、波粒相互作用的起因以及机制的研究有重要的意义。此前,POLAR卫星搭载的IPS(ImagingProtonSensor)13、PO ES 卫星搭载的MEPED(Medium En-ergy Proton and Electron Detector)4,GOES-N,O,P卫星搭载的MAGPD(Magnetosphere ProtonDetec-tor)5 以及 GOES-R卫星搭载的MPS-HI(Magneto-spheric Particle Sensor-High Energy)5.6 均对辐射带的中能质子进行了观测，其测量的质子范围及探测手段列于表13-6。这些载荷的质子数据在研究极区中的粒子沉降、构建辐射带模型以及研究南大西洋异常区等方面发挥了重大的作用，例如验证了粒子沉降对当地时间以及地磁活动的依赖性8，HILDCAA事件期间粒子注入导致Dst指数的降低提供了证据9;为辐射带模型的构建与修正提供了大量的实测数据10 等。过去的风云三号系列卫星从未进行过中能质子的测量，风云三号E星首次实现对辐射带的中能质子和极区沉降的中能质子的探测，测量的质子能量范围为0.0 3 5MeV。风云三号E星的运行轨道为830km的太阳同步轨道，位于内辐射带边缘，空间环境平静期间，这个轨道的粒子分布在南大西洋负磁异常区，空间环境扰动时，在高纬地区也会有粒子分布。通过对该轨道中能质子的能谱和投掷角测量可以服务于空间天气的预警和预报；同时，通过中能质子的测量可以提供大量数据的累积研究粒子的时间、空间分布，补充中国辐射带模型中能质子的欠缺部分，以及高能粒子的运动规律；最后，为中国空间环境保障监测和体系提供支撑，同时为卫星飞控管理和异常情况分析提供分析数据。1仪器的设计方案风云三号E星的中能质子探测器总体的物理设计思想是使用硅半导体传感器组成的望远镜形式对中能质子进行测量，通过多个半导体测量单元实现不同方向上的中能质子能谱测量，每个方向的能档划分情况如表2 所示。仪器共包括两个部件，分别为中能质子探测器部2023,43(3)560Chin.J.SpaceSci.空间科学学报表1国际上辐射带中能质子探测载荷Table 1Medium energy proton detector of radiation belts in the international卫星载荷质子范围/MeV探测手段POLARIPS0.021.5小孔成像+磁偏转POESMEPED0.036.9半导体望远镜+磁偏转GOES-N,O,PMAGPD0.080.8半导体望远镜+磁偏转GOES-RMPS-HI0.0812半导体望远镜+磁偏转表2FY-3E中能质子探测器的能档划分Table2Energy bin division of the medium energyproton detector of FY-3E能档能量/keVP13048P24880P380120P4120170P5170240P6240350P7240350P8350500P9500800P108001500P1115003000P1230005000件1和2。单个部件的实物图如图1所示，包括三个探头1/2/3，每个探头内各包括3 组传感器，呈扇形排列，3 组传感器共用一个人射窗口，形成3 个方向的测量（见图2）。因此整个仪器共实现了对18 个方向中能质子的测量。在卫星本体坐标系中，对仪器方向的定义如图3 所示，其中部件1实现了方向19 的测量，部件2 实现了方向10 18 的测量。每组传感器由两片硅半导体组成，每组硅半导体传感器的特性参数列于表3。第一片半导体传感器的作用是测量能量粒子在传感器中的能量损失，将能量转化为电信号，提供给后续电子学电路进行分析；第二片传感器为反符合探测器，用于去除高能粒子的干扰（如果粒子同时在第一片和第二片传感器产生信号，则认为该粒子为干扰粒子)单个探头的截面图如图2 所示，其中准直仪用于限定仪器的视场并阻止斜人射粒子的进人12.13，挡光Sensor2SensorlSensor3522图1风云三号E星中能质子探测器部件1Fig.1Component 1 of the medium energy protondetectorof FY-3E层用于屏蔽太阳光产生的信号干扰；铁用于对磁铁进行磁屏蔽；磁铁可对电子的路径进行偏转，使之无法进入传感器，从而提高测量精度；硅半导体传感器用于粒子的测量。2定标设备及定标参数2.1定标设备仪器的标定在中国科学院国家空间科学中心的电子加速器进行。FY-3E中能质子探测器定标采用的加速器进行选取时主要考虑两方面因素。一方面是仪器可承受的最大通量，高通量的粒子进人传感器后，容易对传感器造成损伤，为了确保仪器不因试验高通量的粒子辐照损坏，所使用的加速器需要通量较低；另一方面是仪器的时间分辨率，FY-3E中能质子探测器的时间分辨率为6 s，即当入射粒子时间间隔小于6 s时，探测器将无法分辨两个粒子信号，在这种情况下会造成计数的损失，以及信号幅度的错误。561郝梦坛等：风云星中能质子探测器标定因此，在采用加速器对该仪器标定时，需要加速器的束流最好均匀且6 s内进人传感器视场的粒子数不超过1个。中国部分质子加速器虽然单位时间的通量较低，但是属于脉冲信号，束流中两个粒子的时间间隔远小于6 s，这可能导致信号的叠加问题，对后续的试验数据分析较为困难。此外，电子和质子在传感器中的主要作用机理都是电离，且中能电子和中能质子的探测原理都是一致的，因此只要使用能损相同的电子就可以替代质子进行定标。实验时将需要测试的质子能量等效成相应的电子能量。加速器可输出连续可调的单能电子束，用中能质子探测器整机对CollimatorIronMagentismSilicon semiconductorsensor图2中能质子探头截面Fig.2Schematic diagram of the cross section ofthe medium energy proton probe+x31221110156514一X4139188177+216图3中能质子探测器探测方向分布（Cyz为卫星本体坐标系，一之为朝天向，十z为对地方向，十y和-y为垂直轨道面，十为前进方向，一为后退方向）Fig.3Distribution of the medium energy protondetector detection direction(ryz are the satellite bodycoordinate system,where-z is the upward direction,+zis the direction to Earth,+y and-y is the verticalorbital plane,+r is the forward direction,and-is the backward direction单能电子进行测量，可以获得探测器的传感器和电子学部分整体对不同能量电子的响应情况。综合以上原因，本试验优先选择了中国科学院国家空间科学中心的电子加速器替代质子的定标。中国科学院国家空间科学中心怀柔中高能电子加速器是中国唯一的应用于星载中高能电子探测载荷测试定标的综合系统（见图4）。电子加速器采用多次扩散与限束相结合的先进技术方案，获得极弱流电子束，再经高精磁屏蔽束流输运线输运至同样高精磁屏蔽的高真空试验终端。通过法拉第同阵列、硅探测器阵列、硅微条探测器联合标定，国际首次实现测试定标试验过程中准实时（5min)监测，独有设计保证极弱束流测量达飞安级（10-15A）。根据标定怀柔电子加速器的能谱范围为10 2 0 0 0 keV,电子束流通量范围:10 3 10 cm2.s。S2.2定标参数2.2.1能量分辨率能量分辨率是指仪器对某一个单能粒子进行测量时，测量结果的展宽情况。能量分辨率实际反映了仪器的测量精度。一般可认为，粒子在传感器中的能量沉积谱近似为高斯分布。则在粒子物理中能量分辨率的定义为表3每组硅半导体传感器特性参数Table 3Characteristic parameters of each groupof silicon semiconductor sensors传感器厚度/m直径/m传感器死层/nm第一片3008150（10 0 n m 铝电极+50 nm注人层）第二片3008150(100nm铝电极+50 nm注人层）图4仪器标定试验使用的加速器Fig.4Acceleratorusedforinstrumentcalibration test5622023,43(3)Chin.J.SpaceSci.空间科学学报n=100%.(1)一入式中，入为高斯拟合的中心值，为半高宽。2.2.2仪器的相对响应效率曲线粒子与传感器作用时，由于散射、能损涨落以及硅传感器死层等因素的影响，同能量的粒子会在不同的探测能档产生响应计数，即对于某个设计能档不可能只测量其对应能段的人射粒子，其他能段的人射粒子也有机会在该能档产生响应14,此时需要测试不同能量粒子在仪器各个能档的响应情况。具体原理：以加速器作为标准源，将电子加速器的能量进行调节，测试每个能量点的电子落在各个不同电子能道上的概率即可得到电子的响应曲线。2.2.3不同方向探头测量一致性在相同通量、能量条件下，不同方向探头的最大响应计数之间的偏差，其计算公式为Dmax,iXi=i=n(2)Dmax=1式中，Dmax,;为方向i的最大响应计数，n为测量的方向数。2.2.4抗电子污染能力仪器的抗电子污染能力是指电子从探测器开口进人后在传感器的能档产生响应的概率，其计算公式为d-TK=(3)式中，为加速器在探测器开口面积的通量，T为在探测器能档引起响应的计数。抗电子污染能力为磁铁对电子的偏转能力与反符合探测器的反符合能力共同作用的结果，磁偏转能力计算公式为d-MKM=(4)式中，M为在探测器第一片传感器产生响应的粒子计数。反符合能力计算公式为AKA二M(5)式中，A为同时在探测器第一片传感器和第二片传感器中产生响应的粒子数，即被反符合掉的粒子数。当电子能量较低时，主要是磁铁偏转占主要作用；随着电子能量升高之后磁铁偏转能力减弱，会有一部分能量较高的进入探测器中产生计数，通过反符合探测器的作用可以去掉这部分粒子，探测器对电子有更高的抗污染能力。3结果与分析仪器内的磁铁对电子有偏转作用，为保证测试的顺利开展，在进行能量分辨率标定、相对响应效率曲线标定以及不同方向探头测量一致性的标定时，需要拆除仪器内部的磁铁装置。但在进行抗电子污染能力测试时，需要安装磁铁。3.1能量分辨率定标结果图5给出了不同单能电子在中能质子探测器方向9 的能量沉积谱及高斯拟合结果，从图中可以看出，单一能量电子在传感器中的沉积能谱呈近似高斯函数分布，对其进行高斯拟合得到在方向9,12 8 keV和155keV电子响应能谱的能量分辨率分别为11.55%和8.7 9%，19 0 keV和3 10 keV电子响应能谱的能量分辨率分别为7.9 0%和6.15%。随着电子能量的增加，电子的能量分辨率整体呈下降趋势，这主要是因为粒子与物质作用时，发生的散射作用是一个统计过程，会造成探测器收集的电荷有涨落起伏。随着人射粒子能量的增强，散射能力变弱，探测器收集电荷的涨落变小，因此能量分辨率变好。3.2仪器的相对响应效率结果为了对仪器的性能有更加全面的了解，利用多个单能电子束流对风云三号E星中能质子探测器进行了照射。测试时选取的电子能量分为两大部分：一是与表1中能档边界质子能量等效的电子；二是介于能档上下边界之间的质子能量的等效电子。风云三号E星中能质子探测器方向1传感器对电子加速器产生的不同能量电子束流的部分响应结果如图6 所示。从图6 可以看出，不同单能电子在传感器中，沉积能谱峰值（图6 中采用脉冲信号幅度表示）随着入射电子能量的增加而增加。由于沉积谱存在一定的展宽，不同能量的沉积能谱存在交叠，即不同能量电子在传感器中有一定概率产生相同的沉积能量，产生干扰计数。根据不同能量电子在仪器中产生的沉积谱以及仪器的每个能档阈值的划分，可以得到不同能量电子563郝梦坛等：风云三号E星中能质子探测器标定*Detect-Fit128keV155keV25001500(a)(b)2000n=11.55%n=8.79%10001500100050050000200300400500600700200300400500600700190keV310keV16001400(c)(d)1400120012001=7.90%1000n=6.15%100080080060060040040020020000200300400500600700300400500600700800ChannelChannel图5FY-3E星中能质子探测器方向9 传感器的单能电子沉积能谱及其高斯拟合结果Fig.5Single-energy electron deposition energy spectrum and its Gaussian fitting results of the sensor inDirection 9 of the medium energy proton detector of FY-3E在中能质子探测器中各能档的响应计数。某单能粒子在Pi能档的相对响应效率为R:=CiT(6)式中，C,为该单能粒子射时在Pi能档的响应计数，T为仪器响应总计数。图7 给出的是不同能量电子在中能质子探测器不同能档中的相对响应效率。其中，横坐标代表人射电子等效的质子能量，纵坐标代表粒子落在不同质子能档中的概率，不同颜色曲线代表不同的能档。以218keV为例，从图中可以看出，2 18 keV作为P5能档的中间能量，大部分粒子落在了P5能档，还有少部分粒子在较低的P1P4能档产生了响应计数。对仪器相对响应函数曲线的测试，将为在轨测量数据的能谱反演修正提供参考依据3.3不同方向探头测量一致性结果人射能量为2 0 0 keV时，将中能质子探头放在加速器真空罐的转台上，维持束流通量、能量以及方向不变的情况下，慢慢转动转台（见图8）。此时，束流方向与传感器相对角度不断变化，得到的中能质子探头2023,43(3)564Chin.J.SpaceSci.空间科学学报1.0Energy/keV0.930450.861801020.71281550.61900.50.40.30.20.100200400600800ADC channel图6不同能量电子在方向1产生的沉积谱Fig.6Deposition spectra of electrons with differentenergies in Direction 11008060(%)/Oe40200050100150200250300350400450Energy/keV图7风云三号E星中能质子探测器方向1传感器相对响应效率Fig.7Relative response efficiency curve of sensorin Direction 1 of the medium energy protondetector of FY-3E方向14、方向15和方向18 的传感器响应计数随转动时间的变化如图9 所示，其中横坐标代表转台转动的时间，纵坐标代表不同方向传感器在每一秒的响应计数。随着转台的缓慢转动，在第12 3 s,方向18 开始有响应，这说明束流开始进入了方向18 的视场范围；在第3 14s时，方向18 响应消失，方向14开始有响应，束流离开了方向18，进入了方向14的视场内；在第3 9 2 s，束流的人射切人到方向15,该方向的响应BeamVacuum targetchamberTurn-CableGroundMEPDtableinspectionDisplay terminalRotate图8测量一致性定标设备连接Fig.8Connection of equipment for measuringconformance calibration1600-Direction14+Direction181400+Direction151200100080060040020000100200300400500600700Time/s图9方向14、方向15以及方向18 响应计数随转台转动时间的变化Fig.9Changes in response counts for Direction 14,Direction 15,and Direction 18 asturntable rotation time计数开始增多，并随着转台旋转经历计数先增多后减少的规律。束流缓慢扫过探头，根据测试结果，该方向响应遵循偏离探头响应变小；垂直探头方向入射，响应达到最大值的规律。旋转时，在各个方向测量的一致性如表4所示，测量一致性偏差不超过1.51%。该结果为整器的实测结果，因此该偏差为各种因素综合的作用结果。根据电子加速器的性能参数，束流强度的不稳定度在1h内 1%，一致性测试的整个实验是在400s内完成的。因此，束流强度不稳定性对各方向一致性的影响较小。565郝梦坛等：风云三号E星中能质子探测器标定Angle/()+-30+-20+-10一01020+30100.050(a)(b)99.8454099.63599.43099.22599.02098.81598.61098.4598.20050010001500050010001500Energy/keVEnergy/keV图10不同能量及角度下电子在方向14的磁偏转及反符合能力Fig.10Magnetic deflection and anti-coincidence of electrons in Direction 14 at different energies and angles表4各方向垂直入射时通量测量的一致性Table 4Consistency of flux measurements at normalincidence in all directions能量/keV方向14方向15方向182000.01%1.50%1.51%3.4抗电子污染能力结果对中能质子探测器方向14做抗电子污染能力实验时，人射电子束的能量点为3 0 0 keV,500keV,700keV,1000keV,1200keV,1500keV,人射电子束偏转角度分别为-3 0，-2 0-10 0 10 2 0 3 0。不同能量点的电子在仪器内部偏转磁铁作用下的磁偏转能力如图10(a)所示，反符合能力如图10(b)所示。由于磁偏转和第二片传感器反符合共同作用，对探测器抗电子污染能力的影响如图11所示。根据上文对磁偏转作用、反符合作用以及两者总和作用的分析可以看出，磁偏转能力随着能量的上升而下降，但是反符合能力则随着能量的上升而变强，两者的结合可以达到很好的抗污染效果，使电子对中能质子探头的污染能量降到1%以下。4结论对FY-3E星搭载的中能质子探测器的性能参数100.099.999.899.799.699.599.4Angle/()-3099.3-20-1099.201099.1203099.0050010001500Energy/keV图11方向14抗电子污染能力Fig.11Probe resistance to electroniccontamination in Direction 14的加速器标定情况进行了介绍，其中仪器的能量分辨率为6.50%3 10 keV，各测量一致性偏差优于1.51%，电子在仪器内产生污染计数的概率低于1%。定标结果为风云三号E星仪器的阈值划分提供了重要依据，为在轨数据的分析提供了保障。风云三号E星的中能质子探测器是中国首次对在轨中能质子探测的尝试，后续还会在更多型号任务5662023,43(3)空间科学学报Chin.J.Space Sci.中搭载中能质子探测仪器，为空间天气研究提供更多有效的数据支撑参考文献1 Space Science and Application Research Center,ChineseAcademy of Sciences.Aerospace Space EnvironmentManualM.Beijing:China Science and Technology 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