风云二号03批卫星空间环境监测器

韦 飞，王世金，梁金宝，王 月，张申毅，荆 涛，张焕新，张斌全，冷 双

中国科学院国家空间科学中心，北京 100190

1 引 言

风云二号卫星空间环境监测器是我国实时监测预警太阳大气活动变化及地球静止轨道空间环境带电粒子扰动的重要探测设备，能够对灾害性空间天气事件进行预警.1997年6月风云二号A星成功发射以来，在过去14年时间里，01批卫星（包括A星、B星）与02批卫星（包括C星、D星、E星）空间环境监测器成功的业务运行获得了大量重要探测成果，如图1、图2所示，风云二号的太阳X射线探测器与空间粒子探测器，在过去的23周太阳活动峰年期间，成功警报了太阳质子事件和强磁暴，为我国卫星的在轨安全保障做出了重要的贡献［1］，也为03批产品在提升探测性能指标和在轨抗背景带电粒子干扰技术设计方面提供了宝贵的经验.

太阳X射线探测器的主要任务是实时监测太阳耀斑X射线.太阳大气宁静时期，太阳X射线流量极低，当太阳耀斑爆发时，高温高热的耀斑区突然释放大量的X射线［2－3］，太阳X射线与太阳质子事件具有高度相关性，而太阳X射线以光速传播，先于太阳质子到达近地空间，因此，太阳X射线监测可对太阳质子事件进行预警［4－5］.

高能质子重离子探测器和高能电子探测器实时监测地球静止轨道空间环境带电粒子的通量扰动及其能谱分布.地球静止轨道处于外辐射带中心的边沿，大量高能带电粒子的存在可威胁卫星设备的安全，高能质子重离子探测器与高能电子探测器对卫星和星载设备的安全保障具有重要作用.

风云二号01批和02批空间环境监测器取得了重要探测成果，但在业务应用过程中也存在一些问题，主要在于气体工作介质在真空环境长期工作状态下性能衰减明显，要满足03批卫星提出的4年在轨工作寿命要求存在技术困难.

因此，对风云二号03批卫星空间环境监测器的探测指标进行了较大的调整，对技术方案进行了全新设计，由一台太阳X射线探测器和一台高能质子重离子探测器、一台高能电子探测器组成空间环境监测器，作为风云二号03批卫星业务组成的重要部分.

主要的改进措施有：太阳X射线探测器采用了硅漂移传感器（SDD）替代气体正比计数器，整机状态下对X射线探测的能谱分辨能力可达185eV＠5.9keV，探测能量范围由4～100keV调整为1.5～24.8keV；高能质子重离子探测器和高能电子探测器继续采用离子注入型硅半导体传感器，大幅度提高了应用传感器的数量，以扩展高能电子和高能质子探测的能量范围，对探测能道进行精细划分；采用了偏转磁场抑制带电粒子干扰技术，使入射窗口的不感兴趣带电粒子偏离入射方向，避免其直接进入传感器或者与窗口材料相互作用产生次级射线对探测能道数据造成污染.

图1 风云二号太阳X射线探测器对大、中、小各级别太阳耀斑事件历史统计结果Fig.1 Solar flares of C，M，and X levels detected by the FY－2series satellites since 1997

图2 风云二号空间粒子探测器对地球静止轨道高能电子通量历史探测结果Fig.2 Electron flux in the Earth geostationary orbit detected by the FY－2series satellites since 1997

2 科学目标

2.1 探测目标

风云二号03批卫星空间环境监测器的科学目标主要是：

（1）监测太阳耀斑X射线流量变化，确定太阳耀斑级别，实时预警太阳质子事件；

（2）监测地球静止轨道空间环境高能带电粒子通量扰动情况，并对高能带电粒子进行种类甄别和精细能谱探测，满足卫星安全保障需要.

2.2 性能指标

各部分探测功能的性能指标如表1.

表1 风云二号03批卫星空间环境监测器性能Table 1 Performance summary of SEM for FY－2Series 03satellites

3 空间环境监测器设计

3.1 系统方案设计

风云二号03批空间环境监测器三台单机通过太阳X射线探测器与卫星平台进行电连接，二次电源和数据编码传输电路均设计在太阳X射线探测器内，分系统单机见图3所示，分系统组成见图4所示.

太阳X射线、高能质子、重离子、高能电子各探测功能的实现均由传感器、前置放大器、脉冲成形电路、主放大器、脉冲分析器构成主要工作电路.通过传感器将单个的X射线光子、高能质子重离子或高能电子转换为与其粒子能量相关的电荷信号，然后通过前置放大器将微弱的电荷信号转化为幅度与电荷量成正比的电压信号，再经过脉冲成形电路和主放大器将该电压信号进行放大；由快速脉冲分析器分析脉冲幅度并实现能谱计数.

空间环境监测器的逻辑控制单元以ACTEL公司生产的FPGA型号A54SX72A作为主控器件，对太阳X射线、高能质子、重离子、高能电子成分实现微秒脉冲快速分析和数据处理，并实现探测数据编码传输.

为了节约卫星数据传输资源，太阳X射线、高能质子、重离子、高能电子探测数据均采用数据压缩方法，太阳X射线探测数据由16比特压缩到8比特，高能质子重离子、高能电子探测数据由13比特压缩到8比特，数据压缩误差小于5%，通过硬件电路实现数据压缩.

3.2 太阳X射线探测

3.2.1 传感器设计

图3 空间环境监测器单机产品（左：太阳X射线探测器；中：高能质子重离子探测器；右：高能电子探测器）Fig.3 Flight models of the SEM for series 03satellites of FY－2（Left：solar X－ray spectrometer；Middle：high energy proton and ion detector；Right：high energy electron detector）

图4 风云二号03批空间环境监测器工作原理Fig.4 Block diagram of the SEM onboard series 03，FY－2satellites

太阳X射线探测器的传感器类型主要有气体传感器和半导体传感器，早期用于太阳软X射线测量的传感器主要是气体探测器，包括测量积分电流的电离室和测量能谱的正比计数器.美国GOES卫星太阳X射线探测器就采用了气体电离室技术，风云二号（01、02批）卫星太阳X射线探测器采用气体正比计数器技术.气体正比计数器具有能谱测量能力，而测量积分电流的电离室仅能通过探测窗口材料的波长选择性和气体电离室对光子的吸收效率特性共同选择探测X射线的波段范围［6－8］.

风云二号03批卫星太阳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，以下简称SDD），它具有与液氮制冷的高纯锗传感器相当的能量分辨率本领.SDD采用高度集成的Pilter制冷器实现传感器低温工作，在整机状态下对X射线的测量能量分辨率本领可达185eV＠5.9keV，特别适用于探测1～25keV能量范围的X射线.太阳X射线探测器的性能指标和能道划分参数与美国GOES卫星同类设备的能道参数一致，以便于数据比对，主要区别在于风云二号卫星采用了高能谱分辨能力的SDD传感器，而GOES卫星仍然采用不具有能谱分析能力的气体电离室.

SDD传感器具有良好的能量分辨率本领主要得益于其在电荷收集结电容的改善，如图5所示，电荷收集极不再是普通半导体传感器的平板电极，而是采用点电极进行电荷收集，通过内部形成梯度电场驱使不同部位的电离电荷向收集极运动，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，如图6所示.

3.2.2 轨道环境适应性

太阳X射线探测器的轨道环境适应性设计包括卫星姿态的适应性和轨道空间环境适应性.

风云二号卫星为自旋稳定姿态，地球公转黄道面与自转赤道面之间存在23.5°的夹角，相对于太阳X射线探测器而言，由于缺乏对日定向平台，太阳方位存在±23.5°的年变化，因此探测器在南北方向视场角要覆盖冬夏之间太阳方位角的变化.另一方面，由于地球静止轨道存在大量高能带电粒子，大视场角的设计不利于偏转磁铁的应用，对高能带电粒子干扰的抑制效果较差，因此，太阳X射线探测器采取了通过3个小视场的准直器组合成一个大视场的方法，见图7所示，每个准直器内部放置了带电粒子偏转磁铁，综合解决探测视场和抑制高能带电粒子干扰的问题［9－11］，组合的探测视场见图8所示.

3.3 高能带电粒子探测

高能带电粒子探测的原理是带电粒子入射到传感器内沉积能量并产生自由电子，自由电子的数目n和粒子沉积能量Ex的大小成正比.这些自由电子被电极收集后经前置放大器和主放大器进行线性放大，转化为电压脉冲信号［12］.带电粒子能量和种类不同，沉积能量有差别，电压脉冲信号的幅度V与粒子沉积能量大小Ex呈线性关系，见图9所示.对这个电压脉冲信号进行幅度分析和符合鉴别，然后将相应幅度的信号输入到计数器，实现入射粒子能量划分和种类鉴别.

风云二号03批卫星的高能带电粒子探测比02批空间粒子探测器进行了大幅度的探测能谱扩展和精细能道划分，带电粒子探测功能由原来的1台单机增加到2台单机实现，使用的传感器由原来的3片金硅面垒型半导体传感器增加到13片离子注入型半导体传感器.03批卫星与美国GOES卫星高能粒子探测器（EPS）和高能质子重离子探测器（HEPAD）的探测内容和性能指标相近，在高能质子4～165MeV和重离子α4～20MeV的能量范围内与GOES卫星的能道划分一致；风云二号卫星对能量大于165MeV的质子和能量大于20MeV的Alpha重离子不区分能谱，进行宽能段总计数探测.

图7 大视场分割实现FY－2（03批）卫星太阳X射线探测器视场设计Fig.7 Divided fields of view （FOV）instead of a whole one for the Solar X－ray Spectrometer，for the purpose of preventing data contamination from plentiful energetic charge particles in the GEO with help of the magnetic irons applied inside the collimator，as well as adapting the SDD detector to the solar incidence angle

美国GOES卫星对高能电子的探测分为三个通道：＞0.6MeV、＞2.0MeV、＞4.0MeV；风云二号03批卫星则对高能电子探测的能量范围更宽、探测能谱划分更为精细，0.2～4.0MeV划分了10个能量通道，＞4.0MeV为一个能量通道.高能电子是地球静止轨道影响卫星运行的最主要环境因素之一，能谱分布宽，扰动频繁，风云二号卫星对高能电子的宽能谱探测范围和精细能道划分有利于提高卫星在轨安全保障数据服务.

高能质子重离子探测器包括望远镜系统，电子学和机壳结构.望远镜系统包括准直器、环形永久磁铁、挡光膜和多片半导体探测器，如图10所示.偏转磁场用于偏转电子，减少传感器的辐照损失和电子干扰.

高能电子探测器包括2组望远镜系统，电子学和机壳结构，见图11所示.

2组望远镜系统分别用于测量0.2～1.5MeV的电子和大于1.5MeV的电子，其中用于探测能量较低的电子的望远镜系统包括准直器、环形永久磁铁、挡光膜和多片半导体探测器.偏转磁场将能量更低的电子偏离掉，以保证传感器的寿命和减少不必要的电子干扰.

另一组望远镜系统探测能量较高的电子，望远镜系统包括准直器、挡光膜和4片半导体探测器，低能电子通过被动屏蔽措施去除.

高能质子重离子探测器与高能电子探测器的电子学包括前置放大器、脉冲成形和主放大器、峰保电路、计数电路和输出接口电路，数据压缩功能使8比特记录105或103个粒子，探测器每秒钟给出各能谱的计数率，数据采集单元（太阳X射线探测器）每16.4s（对高能质子重离子探测器）或8.2s（对高能电子探测器）采集一组探测数据.

4 定标试验

空间环境监测器的定标试验包括放射源定标和同步辐射／同步加速器定标试验，通过天然或人工产生的X射线光子、高能质子、高能电子成分检验各台单机对太阳X射线、高能质子、重离子和高能电子各种成分的探测性能指标和区分能力.

4.1 太阳X射线探测器定标

4.1.1 放射源定标

太阳X射线探测器通过放射源定标试验，获得X射线光子能量与能道的线性关系以及探测器能量分辨率参数，利用X射线光子能量与能道的线性关系确定探测器的能道边界设置.定标试验连接关系如图12所示.

图12 太阳X射线探测器能量分辨率及能道划分定标试验Fig.12 Calibration examination of the SXRS by radioactive sources

在实验室通过55Fe、241Am进行定标试验，可获得放射源三个峰值能量对应的能道位置及其能量分辨率，如图13和图14所示，峰值能量与能道的线性关系拟合如图15所示.

4.1.2 同步辐射定标

同步辐射产生的X射线光子具有流量大、能量可连续调节的优点，国家同步辐射实验室可提供能量范围为4～14keV的X射线光束，如图16所示，上海光源可提供7～30keV的X射线光束，可作为太阳X射线探测器能道划分定标试验的重要光源.

同步辐射加速器提供X射线光束的试验装置如图17所示，同步辐射产生的含有X射线的白光通过双晶单色仪分光将X射线光束引出到试验终端，成为单色可用X射线光.通过双晶光栅进行分光产生的X射线光束不可避免产生高次谐波和散射光子，在进行试验结果分析时要特别注意，因此，在进行能道划分定标试验时，要同时监测同步辐射X射线光谱成分.

同步辐射X射线光束的流量随光子能量变化极大，可达4～5个数量级；此外，本试验对X射线分光的晶体光栅产生的复杂光谱成分不做具体分析，但在进行能道扫描时必须同时对光谱进行监测，用光谱监测结果对能道边界进行合理修正.

利用同步辐射进行X射线光子能量扫描试验，太阳X射线探测器能道一上阈（同时是辅助能道第4道和第5道分界点）计数分别占峰总计数的百分比见图18.试验测量得到的第4、5道两个能道的能量分界点为12.9keV，而设计值12.5keV，设计值与试验值的误差为3.1%.

4.2 高能质子重离子探测器与高能电子探测器定标

4.2.1 放射源定标

释放高能带电粒子的天然放射源主要有90Sr、207Be等，该定标方法用于高能电子探测器定标试验，用于验证在放射源照射条件下探测器各能道输出是否与放射源释放的高能电子能谱分布一致，如图19所示.图20是90Sr经多道测试并折算到探测器能道后各个探测能道的归一化响应.

图18 通过X射线能量扫描确定能道一上阈边界划分（4～14keV光束由NSRL提供，8～25keV光束由上海同步辐射光源提供）Fig.18 Energy range of channel 1calibrated by the synchrotron radiation beam（beam light from 4to 14keV provided by NSRL and that from 8to 25keV provided by Shanghai Synchrotron Radiation Facility）

4.2.2 同步加速器定标

图19 放射源定标试验Fig.19 Calibration examination of high energy electron detector by radioactive sources

同步加速器定标主要用于高能质子重离子探测器定标试验，加速器如图21所示，从加速器发出的束流经过束流强度和能量调整入射到探测器，仪器加电工作并与地面测试设备连接，记录仪器各能道的输出结果.定标试验中，加速器提供的粒子能量为固定值，通过降能片调整粒子束的能量，使其在一定能量范围内变化，对于每个粒子能量点，均记录各能量段输出结果，分析输出结果随入射粒子能量的变化情况，给出仪器能谱的划分和误差.质子和α粒子加速器能道划分定标方案如图22所示，由于加速器产生粒子束流能量范围的有限，无法覆盖全部探测器全能谱，在加速器试验中，根据试验条件选择一个或两个束流能量点.

高能质子重离子加速器定标试验中采用了高能质子射线对探测器进行测试，测试过程中仅质子通道产生了计数输出，He粒子通道无计数输出.根据兰州近代物理所加速器输出质子能量范围，高能质子加速器定标试验选取了3个阈值能量点进行定标试验，分别为：15MeV、40MeV、80MeV.

图22 加速器能道划分定标试验Fig.22 Block diagram for high energy proton and heavy ion detector calibration experiment at Lanzhou HIRFL

15MeV阈值附近，高能质子重离子探测器选取了5个能量点进行定标测试，高能质子重离子探测器对各能量入射质子响应输出情况见表2所示.

根据高能质子重离子探测器对15MeV质子响应情况，探测器P2、P3通道变化影响情况见图23所示.

表2 高能质子重离子探测器对同步加速器束流的响应结果Table 2 Calibrating data of the High Energy Proton and Alpha Particle Detector under 13MeV to 15MeV proton beam from LANZHOU Synchrotron Accelerator

图23 15MeV定标及拟合结果Fig.23 Energy distinguished by channels P2and P3calibrated by 15MeV proton beam

根据拟合结果，15MeV阈值能量测试结果为：能道P2、P3边界值为13.99MeV，阈值能量半高宽0.28MeV.

同理，对40MeV和80MeV阈值附近，高能质子重离子探测器选取了5个或更多能量点进行定标测试，相应能道响应输出情况分别见图24和图25所示.

根据拟合结果，40MeV阈值能量测试结果为：能道P4、P5边界值为40.95MeV，阈值能量半高宽1.59MeV.80MeV阈值能量测试结果为：能道P5、P6边界值为75.28MeV，阈值能量半高宽2.48MeV.

5 结 语

图24 40MeV定标及拟合结果Fig.24 Energy distinguished by Channels P4and P5calibrated by 15MeV proton beam

图25 80MeV定标及拟合结果Fig.25 Energy distinguished by Channels P5and P6calibrated by 15MeV proton beam

风云二号03批空间环境监测器在02批产品的成功经验和探测成果基础上进行了重大技术改进，应用了SDD传感器探测X射线的新方法，太阳X射线探测器能谱分辨率本领可达到185eV＠5.9keV；对地球静止轨道空间环境高能带电粒子的探测能量范围覆盖了200keV以上的高能电子和4MeV以上的高能质子和重离子，并且进行了精细的能道划分，可以进一步提高我国当前的空间天气预警业务能力.

风云二号03批空间环境监测器的太阳X射线探测器、高能质子重离子探测器和高能电子探测器通过放射源定标、同步辐射定标和同步加速器定标试验，试验数据表明探测器的能道划分与设计值一致性良好，可以满足空间环境监测业务的需求.

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