太阳耀斑是发生在太阳大气的一种急骤爆发过程，也是太阳大气上最复杂和最激烈的活动现象，伴随突然增强的粒子辐射，它的物理起源和触发机制一直是国际太阳物理学界的热点问题。耀斑爆发后产生大量被加速的高能电子和质子，与太阳大气作用会产生强烈的X射线暴和γ射线暴。

太阳γ射线谱仪(Large Area Solar Gamma-ray Spectrometer, LASGA)是一台计划搭载在中国空间站上的高能辐射探测器，其设计目的是通过对太阳的高能物理现象产生的X/γ射线实现高灵敏度（探测器几何面积1 600 cm²）、高能量分辨（约3%@662keV）、宽能量范围(10 keV-2.5 GeV)的测量，致力于研究太阳爆发事件的物理机制^[1]。

LASGA主要由反符合探测器和量能器构成，如图 1所示。量能器用于测量入射的γ粒子能量，主要包括5层正交排列的溴化镧(LaBr₃)探测器层，每个溴化镧探测器层是由14根25 mm×25 mm× 400mm的溴化镧晶体并排组成的探测阵列。反符合探测器主要为10 mm厚的塑料闪烁体，包围在量能器的顶部和四周，用于排除入射的带电粒子。

图 1

图 1 LASGA的组成结构 Figure 1 Layout of LASGA structure.

为使整个量能器能够覆盖10 keV-2.5 GeV的动态范围，要求单根晶体最大覆盖250 MeV的沉积能量。因此，每个溴化镧晶体采用双端读出，两端分别覆盖不同的能量区间：溴化镧单元的高增益端（低能端）使用光电倍增管(PhotoMultiplier Tube, PMT)测量10 keV-10 MeV的信号；低增益端（高能端）采用光电二极管(PhotoDiode, PD)覆盖5-250MeV的动态范围。由于PD相对PMT来说没有电子的倍增过程，要求搭配低噪声读出电子学系统对其读出。本文对溴化镧晶体的高能读出端PD读出方式设计了宽动态范围、低噪声电子学原型系统，进行了相关的功能及性能测试，并配合探测器进行了宇宙线Muon的最小电离粒子(Minimum Ionizing Particles, MIPs)响应测试。

LASGA的量能器中每个溴化镧探测单元的低增益读出端都包括了探测器部分(LaBr₃(Ce)、PD)以及读出电子学系统，整体结构如图 2所示。

图 2

图 2 原型读出系统整体结构 Figure 2 Overall structure of the prototype readout system.

探测器工作时，入射的高能粒子和LaBr₃(Ce)发生作用并沉积能量，引起晶格上电子的激发。LaBr₃(Ce)以掺杂的Ce（铈）离子为发光中心，Ce离子中被激发的电子通过5d-4f能级的跃迁发射荧光光子^[2]。荧光光子入射到PD后发生光电效应，由此产生的电子-空穴对在外加电场的作用下向两极漂移，同时在电极上感应出相应的电荷信号。理想情况下，电极上的电荷量正比于入射粒子在溴化镧晶体内沉积的能量。

上述过程在探测器内产生的电荷信号被电子学系统收集、处理并进行数字化，数字信号被发送至上位机进行实时分析或离线处理。

电子学系统实现对PD输出电荷的测量。从图 2可以看到，电子学读出系统包括前端电子学板(Front-End Electronics board, FEE)、数据采集板(Data Acquisition board, DAQ)和上位机。

FEE板接收探测器的电荷信号，将电荷信号转换为电压信号送入DAQ板，同时进行温度的采集。DAQ板根据上位机的指令信息，控制整个电子学系统的工作，主要包括上位机命令的接收和解析、探测器数据的采集与打包、PD所需偏压的控制及监测。上位机通过用户交互界面的操作实现系统的终端控制。

整个电子学系统工作的外部电源由安捷伦直流电源E3648A提供，DAQ板将外部的+5.5 V电源通过低压差线性稳压芯片(Low DropOut regulator, LDO) LP38502TS转化为+3.3 V、+1.5 V和+5.0 V分别供给DAQ板、FEE板以及高压模块；将-7.0 V电源通过LM337T转化为-2.0 V供给FEE板；PD所需的反偏电压由CA series系列高压模块CA02P-5提供。

电子学系统工作模式有：基线模式、线性刻度模式以及探测器信号的正常采集模式。基线模式负责采集电子学系统的基础电平，从中可得电子学系统的噪声水平。线性刻度模式对系统所测量电荷的范围进行标定，确定输入-输出线性关系。正常采集模式对探测器输出的电荷信号进行采集与测量。

系统工作时会产生两种数据：科学数据以及工程参数，分别为探测器采集的数据和电子学系统监测的温度、电压等各种状态量。科学数据和工程参数分别通过USB和串口上行至PC机。

前端电子学板FEE的主要功能是进行探测器模拟信号的采集与放大。考虑到对电子学部分低噪声的要求，FEE板使用了挪威IDEAS公司的专用集成电路芯片VA140。

VA140是一款64通道、低噪声、低功耗、大动态范围(±200 fC)的电荷测量芯片^[3]。通过图 3所示的VA140单通道结构可以看到，每个读出通道包含一个电荷灵敏前置放大器(preamplifier)、一个成形电路(shaper)和一个采样保持电路(S & H)。芯片可以在两种模式下工作：正常模式和刻度模式。正常模式下，VA芯片通过hold信号保持所有通道信号的峰值，使用64-bit移位寄存器控制多路模拟开关，将64个通道采样保持后的信号通过差分输出端(outp/outm)依次输出。芯片对每个通道线性刻度时（刻度模式），另一对移位寄存器和多路开关控制cal管脚分别与每个通道相连，通过外部电荷注入实现芯片的自刻度功能。同一时刻只能有一个通道被选通，因而只能逐个通道进行刻度及读出。

图 3

图 3 VA140单通道结构 Figure 3 Single channel architecture of VA140 ASIC.

系统工作时，VA芯片接收来自PD的电荷信号，经过电荷灵敏前放进行放大、成形后，以差分电流的形式输出。此电流信号经由放大及驱动电路(PUMX1, AD8032)转换为电压信号的同时被进一步放大，最终被转换成一对差分电压信号送入DAQ板。另外，为降低系统噪声，VA芯片通过导线键合的方式直接与印刷电路板(Printed Circuit Board, PCB)连接。同时，VA芯片可以通过外部的偏置调节电路调节自身的偏置电流/电压使芯片达到最优性能。FEE上还放置了一个数字温度传感器DS18B20用于采集FEE板的温度。

数据采集板负责接收FEE板的模拟数据进行转换、存储、上传，同时进行高压输出的控制以及系统状态的监测，主要部分包括：模数转换电路、刻度电路、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)芯片等。

模数转换电路负责将前端板输出的差分信号进行数字化。DAQ板接收前端板的差分信号后，将差分信号经由差分运放AD8032进行差分调制，实现差分输入到单端输出的转换，随后使用模数转换(Analog to Digital Converter, ADC)芯片AD7276对单端信号采样并进行数字化。

刻度电路在电子学线性刻度时给VA140注入不同幅度的阶跃脉冲信号。刻度脉冲的产生过程为：先由数模转换(Digital to Analog Converter, DAC)芯片TLV5638输出稳定的电压信号，再通过模拟开关(ADG721)的打开与关断将此电平转换为与DAC输出幅度相等的阶跃信号。在模拟开关输出端与地之间连接10 kΩ电阻，以便在开关闭合时阶跃信号可以回到地电平。在DAC与模拟开关之间设置一级跟随增强信号的驱动能力。

作为整个系统的控制中心，FPGA (EP3C25Q240C8)控制电子学系统的工作时序。FPGA逻辑基于状态机设计，使用Quartus Ⅱ开发环境由硬件描述语言Verilog实现。FPGA逻辑整体架构如图 4所示，由串口/USB、指令解析、主控、状态监控、数据返回以及全局复位6个模块构成。FPGA逻辑的关键部分是主控模块和状态监控。

图 4

图 4 FPGA逻辑整体架构 Figure 4 Overall architecture of FPGA logic.

主控模块根据接收到的工作模式、触发方式、采样次数等信息控制整个电子学系统的工作。正常采集模式下，使用外触发进行数据的采集。一旦逻辑系统接收到外触发信号，则按顺序发送控制信号(hold, shift_in, ckb, reset)给VA140；同时调用ADC进行模数转换，将数字结果存储在FPGA的内置FIFO (First In First Out)中。若FIFO中的数据全部被上行至上位机，则进行下一次的读出。刻度模式使用FPGA产生周期性脉冲作为内触发进行刻度信号的采集，此时VA140的控制时序与正常采集模式有所差别，而且刻度模式需要调用DAC模块产生刻度脉冲。基线模式与正常采集模式在逻辑控制方面的唯一区别在于基线模式可以使用两种触发方式采集数据。控制时序中关于VA芯片的部分可以参考VA140数据手册^[3]。

状态监控部分在FPGA上电期间每秒采集一次温度、高压电压、电流持续上传至上位机进行实时监控与分析。状态监控部分还负责接收指令解析模块的部分指令控制高压模块的输出。

FPGA逻辑接收到串口下行的指令信息之前一直处在初始状态。串口/USB模块接收上位机的命令进行异步时钟域的同步，然后交由指令解析模块进行解析，此时FPGA逻辑进入工作状态。主控模块和状态监控采集的科学数据和工程参数通过数据返回模块上传到上位机。当逻辑系统完整执行一组命令或者执行过程中遇到任何错误信息，均由复位模块发送全局复位信号使系统再次进入初始状态。

此外，在硬件电路设计方面，为降低系统噪声，DAQ板使用了数字隔离器隔离数字电路和模拟电路的供电，同时进行不同信号电平之间的转换。通讯接口采用RS232协议实现数据传输。

上位机软件基于LabWindows/CVI平台开发，通过用户交互界面的操作，实现对电子学系统的控制。类似的数据获取系统也使用了LabWindows/CVI进行上位机界面的开发^[4]。上位机程序的功能是通过串口向电子学系统发送指令，并接收数据采集系统返回的数据结果。上位机程序可以实时显示对科学数据、高压监控数据、温度数据的处理结果，显示在图形界面中；同时将科学数据、工程参数分别存储在文件中，以便查询历史数据或者进行更进一步的处理。

读出系统的测试主要包括电子学部分的测试、探测器单元与电子学部分的联合测试。为了验证电子学部分的动态范围、噪声水平，首先对所设计的电子学系统进行了线性水平以及噪声水平的测试。

电子学系统的线性测试是在VA140的输入端注入不同大小的电荷脉冲模拟探测器的电荷信号，通过对比输入信号和ADC输出得到电子学系统的线性指标、动态范围以及增益。数据处理时将12位ADC的4 096个编码设置为4 096 bin，即相邻编码间对应1 bin。

线性刻度通过VA芯片的刻度模式以及DAQ板的刻度电路实现。由刻度电路产生0-1 V的电压脉冲，10:1分压后耦合到VA芯片内置的2 pF电容上，转化为电荷信号(0-200 fC)输入到VA芯片的输入端。此电子学系统所有通道的刻度结果见图 5。

图 5

图 5 电子学线性刻度（128个通道） Figure 5 Linear calibration of electronics (128 channels).

通过图 5可以看出，电子学系统在0-200 fC有良好线性。在0-180 fC对所有通道进行拟合，得到系统对电荷的增益在14.30-14.75 bin∙fC^-1，其中126个通道积分非线性小于3%。

VA140中电荷灵敏前置放大器的噪声水平与输入端的负载电容有简单的线性关系，核电子学中以等效噪声电荷(Equivalent Noise Charge, ENC)来代表系统的噪声水平。ENC是指将系统的噪声电压等效地折合成输入的电荷量，前放的ENC与其负载电容的关系可以表达为^[5-6]：

式中：C_t是通道输入端总的负载电容；t_p是VA芯片的成形时间；K₁、K₂在测试过程中认为是常数。

VA140的输入端不施加任何信号输入，采集系统的基线可以得到零电容负载下电子学系统的噪声水平。图 6(a)、(b)分别为电子学系统的基线和噪声。可以看到，所有通道的基线值在200-400 ADC bin之间；大部分通道由高斯函数拟合的Sigma值在1.2 ADC bin以下，各通道一致性较好。根据§2.1部分的刻度结果，得到系统的噪声在600 e^-以下(< 0.1fC@0 pF)。最后两个通道的噪声偏高，一方面由于PCB中布局布线的差异导致分布电容较大，引起噪声偏高；另一方面由VA芯片本身导致，测试过程中发现个别通道确实会有噪声偏高的现象。

图 6

图 6 电子学系统的基线(a)及噪声(b) Figure 6 Pedestal (a) and noise (b) of the electronics system.

为了得到VA芯片在不同电容负载下的噪声表现，在芯片第一通道的输入端和地之间安装了不同的负载电容(0-1 200 pF)模拟探测器的电容测量系统噪声。VA芯片的噪声表现如图 7所示，噪声斜率约为0.003 12 fC∙pF^-1，即19.5 e^-∙pF^-1。

图 7

图 7 VA芯片的噪声斜率曲线 Figure 7 Noise slope curve of the VA-chip.

为测试探测系统的探测性能，在实验室中搭建了宇宙线Muon的MIPs响应测试系统。

本文测试所用溴化镧晶体尺寸为2.5 cm× 2.5cm×2.5 cm。所选PD为滨松S3590-19^[7]，其在70 V下的结电容为40 pF，暗电流典型值为4 nA，灵敏区面积为1 cm×1 cm。测试时，将PD直接固定在溴化镧晶体表面正中间，与FEE板共同放在干净、密闭的铝屏蔽盒中。两个灵敏体积为5 cm× 3cm×3 cm的塑料闪烁体探测器分别放置在溴化镧晶体的正上方和正下方，当Muon同时穿过两个塑闪时，塑闪的输出信号先经恒比甄别器(CAEN, N843)转换为数字信号，再由符合逻辑单元(CAEN, N455)的逻辑与运算给出符合信号提供系统的外触发。由于塑闪的面积比溴化镧晶体的大，在Muon同时击中两个塑闪但未穿过溴化镧晶体的情况下，相当于采集系统的基线数据。整个测试系统如图 8所示。

图 8

图 8 实验室中Muon响应测试系统 Figure 8 Muon response test system in the laboratory.

Muon响应测试系统持续、稳定工作12 h，累积的Muon能谱见图 9。探测系统的MIPs响应结果很好地符合了朗道-高斯分布，根据朗道卷积高斯函数所拟合的峰位在142 ADC bin，约为9.65 fC。LaBr₃的最小电离能为6.944 MeV∙cm^-1[8]，Muon在2.5 cm厚的LaBr₃晶体中沉积的能量约为17.36 MeV。由§2.1部分的测试结果可知，系统可以线性测量到250MeV的沉积能量。对所采集数据的基线进行高斯拟合，得到探测系统的噪声水平为4.27 bin，约合1 800 e^-。根据§2.2部分中VA芯片噪声表现的测试结果，结合考虑PD的结电容、暗电流以及导线的分布电容等因素，此噪声水平在合理范围。考虑到Moun的MIPs峰位和噪声Sigma值之比为33，因此可以认为在溴化镧的高能读出端所覆盖能量区间内，均可以实现较高信噪比的测量。

图 9

图 9 宇宙线Muon能谱 Figure 9 Muon energy spectrum of cosmic ray.

太阳γ射线谱仪作为一台空间辐射探测器对电子学读出系统提出低噪声以及大动态范围的要求。基于上述要求，本文针对溴化镧读出单元的低增益读出端设计了读出电子学原型系统，室温下此系统电子学部分的噪声小于600 e^- (< 0.1 fC@0 pF)；连接探测器后，探测系统整体噪声为1 800 e^- (< 0.3fC)；在0-200 fC范围有良好线性，0-180 fC之间积分非线性小于3%。此原型系统可以以较高的信噪比在5-250 MeV之间进行线性测量，满足设计要求。另外，此电子学系统不仅适用于光电二极管等光电转换器件的读出，也可用于大面积的硅微条探测器。