高分辨太阳软X射线谱仪电子学

论文摘要

高分辨太阳软X射线谱仪（简称SOX）是国内某太阳探测卫星的6个科学探测载荷之一。其主要探测任务是实现对太阳软X射线的高分辨能谱测量。主要科学目标是研究太阳耀斑软X射线辐射特征与热等离子体的演化,获取耀斑热辐射中连续谱和谱线（主要是6.7keV附近的Fe XXV与8keV附近的Fe/Ni线）,以及热等离子体的温度、辐射标度和日冕元素丰度等参数的变化信息。另外SOX将作为太阳高分辨宽波段高能辐射谱仪（HEBS）的补充共同实现对太阳低能X射线到高能Gamma射线（1keV600MeV）的探测。硅漂移室探测器（SDD）具有体积小、内部集成制冷、分辨率高（FWHM最好可到130eV）、死时间小等优点,可以实现对中低能X射线的能谱进行精确测量。因此高分辨太阳软X射线谱仪中我们采用两路硅漂移室探测器分别对太阳X射线的中低能区的1-15keV和4-30keV能谱进行测量。两路探测器的交叉覆盖能谱5-10keV可以确保对太阳6.7keV和8keV附近的Fe、Ni离子谱线的探测。我们设计的高分辨太阳X射线谱仪载荷原理样机主要包括前端探测器读出电路,数据采集单元,数据管理单元和供电单元几个部分。论文分析了高分辨太阳软X射线谱仪的物理需求和设计方案,重点介绍了谱仪原理样机的数据采集单元和载荷数据管理单元的电子学软硬件设计。数据采集单元对两路前端探测器的输出信号进行幅度采集、能谱累积和率计统计,对系统的工作电压、温度等信息进行监测,并打包成多种类型的数据包通过LVDS总线传送给载荷数据管理单元。载荷数据管理单元负责与卫星公共数管进行通信,通过1553B总线与卫星公共数管之间进行遥控和遥测通信,通过LVDS总线转发数据采集单元的科学数据包到卫星的公共数管。我们还设计了地面测试系统来模拟卫星公共数管的功能与SOX谱仪载荷进行1553B和LVDS总线的数据通讯。通过地面测试系统对SOX谱仪原理样机的功能进行了测试,测试表明设计的样机各项指标满足的物理需求。论文最后对SOX谱仪原理样机做了总结,并对未来进一步的工作做出了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 第二章 太阳软x 射线探测介绍
• 2.1 太阳基本特征
• 2.2 太阳耀斑
• 2.2.1 太阳耀斑产生
• 2.2.2 太阳耀斑X 射线辐射
• 2.3 太阳软X 射线探测
• 2.3.1 国外太阳软X 射线探测成果
• 2.3.2 国内太阳软X 射线探测情况
• 2.4 X 射线探测介绍
• 2.4.1 X 射线与物质的相互作用
• 2.4.1.1 光电效应
• 2.4.1.2 康普顿效应
• 2.4.1.3 电子对产生
• 2.4.2 X 射线探测基本原理
• 2.4.3 常见的半导体探测器介绍
• 2.4.3.1 Si-PIN 探测器
• 2.4.3.2 电荷耦合器件（CCD）
• 2.4.3.3 硅漂移室探测器（SDD）
• 2.5 典型X 射线能谱测量系统的组成
• 2.5.1 前放电路
• 2.5.2 滤波成形电路
• 2.5.3 放大电路
• 2.5.4 峰保电路
• 2.5.5 单道脉冲幅度分析
• 2.5.6 采集控制
• 2.6 小结
• 第三章 高分辨太阳软X 射线谱仪整体介绍
• 3.1 高分辨太阳软X 射线谱仪技术指标
• 3.2 高分辨太阳软X 射线谱仪方案概述
• 3.3 高分辨太阳软X 射线谱仪系统组成
• 3.4 高分辨太阳软X 射线谱仪机械接口
• 3.5 高分辨太阳软X 射线热接口
• 第四章 SOX 谱仪数据采集单元
• 4.1 SOX 谱仪数据采集单元需求
• 4.2 SOX 谱仪前端探测器前端读出电子学
• 4.3 SOX 谱仪数据采集单元设计
• 4.3.1 SOX 谱仪数据采集单元硬件设计
• 4.3.1.1 事例判选电路介绍
• 4.3.1.2 峰值保持电路
• 4.3.1.3 峰保信号采集电路
• 4.3.1.4 模拟量监测电路
• 4.3.1.5 控制芯片FPGA
• 4.3.1.6 LVDS 总线接口
• 4.3.1.7 SOX 谱仪数据采集单元PCB 板设计
• 4.3.2 SOX 谱仪数据采集单元软件功能实现
• 4.3.2.1 SOX 谱仪数据采集单元软件功能整体结构
• 4.3.2.2 时钟模块
• 4.3.2.3 主控模块
• 4.3.2.4 探测器数据采集模块
• 4.3.2.5 模拟量监测子模块
• 4.3.2.6 LVDS 总线通讯模块
• 4.3.2.7 数采单元输出数据包格式
• 4.3.2.8 CRC 校验码
• 4.4 小结
• 第五章 SOX 谱仪数据管理单元
• 5.1 载荷数据管理单元介绍
• 5.1.1 1553B 总线介绍
• 5.1.2 LVDS 总线介绍
• 5.2 SOX 谱仪数据管理单元设计
• 5.2.1 SOX 谱仪数据管理单元硬件设计
• 5.2.1.1 控制芯片FPGA
• 5.2.1.2 1553B 协议芯片BU-61580
• 5.2.1.3 LVDS 接口设计
• 5.2.1.4 SOX 谱仪数据管理单元硬件
• 5.2.2 SOX 数据管理单元软件设计
• 5.2.2.1 时钟管理模块
• 5.2.2.2 1553B 通讯模块
• 5.2.2.3 LVDS 通讯模块
• 5.3 小结
• 第六章 SOX 谱仪地检系统设计和SOX 谱仪测试
• 6.1 SOX 谱仪地检系统设计
• 6.1.1 LVDS 总线数据接收
• 6.1.2 1553B 总线 BC 控制
• 6.1.3 计算机上SOX 测试软件
• 6.2 SOX 谱仪测试
• 6.2.1 SOX 谱仪功耗
• 6.2.2 SOX 谱仪输出信号
• 6.2.3 数据采集单元非线性测量
• 6.2.4 峰保电路峰顶下降率测试
• 6.2.5 数据采集单元电子学噪声测试
• 6.2.6 数据采集单元计数率响应曲线
• 6.2.7 谱仪能谱标定实验
• 6.2.8 SOX 谱仪测量能谱
• 6.2.9 探测器能量分辨率与能量关系
• 6.2.10 探测器能量分辨率与温度关系
• 6.2.11 样品荧光分析
• 6.2.12 LVDS 总线通讯误码率测试
• 6.2.13 1553B 通讯总线测试
• 6.3 小结
• 第七章 SOX 谱仪电子学可靠性考虑
• 7.1 空间辐射对电子学影响
• 7.1.1 电离总剂量效应
• 7.1.2 位移损伤效应
• 7.1.3 单粒子效应
• 7.1.4 充电效应
• 7.2 电子学可靠性设计通用方法
• 7.3 SOX 谱仪电子学在可靠性方面的设计考虑
• 7.3.1 器件选择
• 7.3.2 FPGA 抗辐射措施
• 7.3.3 SRAM 抗辐射措施
• 7.3.4 软件容错设计
• 7.3.5 电子学降额设计
• 7.3.6 电磁兼容设计
• 7.4 小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 工作展望
• 参考文献
• 附录一 SOX 数据采集单元原理图
• 附录二 SOX 数据管理单元原理图
• 攻读学位期间发表文章
• 致谢