电磁监测试验卫星高能粒子探测器 光电倍增管研究 安正华 2017-07 威海

电磁监测试验卫星是为探索地震前兆信息及空间环境监测预报而建立的试验平台 主要监测全球空间电磁场、电磁波、电离层等离子、高能粒子等物理量。 从空间观测地震孕育相关信息具有观测范围广、观测量多等地面观测技术所不具备的优势。 等离子体分析仪 高精度磁强计 感应式磁力仪 电场探测仪 GNSS掩星接收机 三频信标发射机 高能粒子探测器 朗缪尔探针 电磁监测试验卫星 意大利高能粒子探测器 高能段载荷 低能段载荷 太阳X射线监测器

除地震外，雷暴、太阳活动、人类电磁活动等多种因素均可影响高能粒子运动形态 电磁监测试验卫星 全球地震分布 地震电磁扰动对空间高能粒子的影响 除地震外，雷暴、太阳活动、人类电磁活动等多种因素均可影响高能粒子运动形态 高能带电粒子在空间中的运动

高能粒子探测器 高能带电粒子探测器由低能段载荷,高能段载荷,太阳X射线监测器等三个子探测器组成，含三个探头、两个电子学机箱等共5台单机。 技术指标 研制任务要求 电子能谱 0.1MeV～50MeV 质子能谱 2MeV～200MeV X射线能谱 1-20keV 典型能量分辨率 10% 典型投掷角分辨 5° 粒子鉴别效率 90% HEPP-L探头 HEPP-H探头 HEPP-X探头 HEPP-H 电子学机箱 HEPP-L、X电子学机箱

高能粒子探测器原理及组成 低能段载荷(HEPP-L) 高能段载荷(HEPP-H) 太阳X射线监测器(HEPP-X)

HEPP-H方案 172mm×240mm×91mm 435mm×342mm×245mm 项目 指标 电子能量范围 2 MeV~50 MeV 质子能量范围 15 MeV~200 MeV 典型投掷角分辨率 5° 典型能量分辨率 10% 典型粒子鉴别率 90% 数据输出速率 峰值 2410 kbps 质量 总质量：32kg 功耗 总功耗：20 W 外形尺寸 电子学机箱： 172mm×240mm×91mm HEPP-H探头： 435mm×342mm×245mm 寿命 5 年 可靠度 0.98 软件上载 要求工作模式可配置，具备软件上载能力

HEPP-H电子学框图

HEPP-H探测器组成-硅条 z x HEPP-H的望远镜系统由两片XY位置灵敏双面读出硅条探测器组成。 尺寸：100mm×100mm×0.3mm TTT2型DSSD的结面和欧姆面各分为32，相互垂直，可以对入射粒子进行两维定位并获得能量信息。 x z 探测能区内粒子 沉积能量范围 探测器可测量信号电 子数 噪声水平 信噪比 50 keV～3MeV 1.4E4～8.0E5个电子 1100 >12

HEPP-H-反符合探测器 材料：塑料闪烁体 ～ 150mm×150mm×10mm 读出方式：光电倍增管读 出 空间位置：包围在探测器 除视场面外的其余5个面

HEPP-H探测器组成-量能器 双PMT读出 增加了探测 器的可靠性 HEPP-H的量能器部分，由5层的晶体 构成。晶体单元包括：PS/CsI(Tl)、光导、光电倍增管三部分组成。 晶体尺寸120mm×120mm×30mm 双PMT读出 增加了探测 器的可靠性 塑料闪烁体/CsI晶体 光电倍增管 光导 安正华

HEPP-H－PMT选择 PMT的性能参数 选择这种光电倍增管的原因为： R7600-300使用硼硅酸盐玻璃窗，双碱光阴极 这保证了光电倍增管的高量子效率。 R7600-300有10个打拿级，在800V的电压下， 光电倍增管的增益可达到106以上。 光电倍增管的上升时间小于2ns， 电子渡越时间小于10ns 光电倍增管暗电流的典型值小于2nA， 暗计数小于200个/s。 具有较好的抗磁场影响性能。 工作和储存温度为：-80℃~+50℃ 具有很好的抗辐照和耐振动性。 有很好的长期稳定性。 HEPP-H光电倍增管与晶体的光谱匹配 PMT的性能参数

HEPP-H光电倍增管测试 点亮LED的脉冲信号 光电倍增管信号 光电倍增管增益曲线

HEPP-H光电倍增管分压器 光电倍增管的分压器负责给光电倍增管各打拿极提供高压，并输出信号。R7600分压器有十个打拿极，工作电压400-800V，分压器由一个电阻串组成，负高压经过一个限流电阻与光阴极连接，R1-R11负责为各打拿极提供电压，在分压器的最后几级（8-10）因为电流相对较大，加有限流电阻和稳压电容，信号由阳极输出（为电荷信号）。 光电倍增管分压器原理图 光电倍增管分压器PCB图 安正华

光电倍增管各打拿极信号测试 信号衰减4倍 信号衰减30倍

为满足航天要求，PMT及晶体单元要满足一定的力学、热真空等环境试验要求。 HEPP-H光电倍增管环境试验 为满足航天要求，PMT及晶体单元要满足一定的力学、热真空等环境试验要求。 试验条件为： 随机振动试验，验收级8.5 Grms，鉴定级 13.6 Grms； 晶体单元热真空试验（加高压），6.5个循 环，温度范围-35~+60，压力≤6.65×10-3Pa， 每个循环在极端温度点达到温度平衡保持6 个小时； 冲击试验，验收级700g，鉴定级1000g，光 电倍增管安装到整机后，随整机进行冲击试 验。 R7600随机振动试验照片 晶体单元随机振动及热真空试验照片

HEPP-H光电倍增管试验结果 随机振动前、后PMT增益变化 冲击试验前、后晶体单元宇宙线能谱对比 抽样的两只PMT随机振动后的增益变化<3%；随整机进行的冲击试验后PMT增益变化小于2%；随晶体单元进行热真空试验后的PMT增益变化小于2%；均满足设计要求。 热真空试验前、后晶体单元宇宙线能谱对比

使用兰州近代物理研究所的质子束流以及高能所的电子束流对探测器进行了标定测试。 HEPP-H标定测试 使用兰州近代物理研究所的质子束流以及高能所的电子束流对探测器进行了标定测试。 质子在探测器中的沉积能谱 电子在探测器中的沉积能谱 束流测试情况 安正华