祝宇軒王于仨陳 勇崔葦葦王 昊張子良王皓迪侯懂杰趙曉帆虞 年,3趙子健陳 燦

1（中國科學(xué)院高能物理研究所 北京100049）

2（吉林大學(xué)物理學(xué)院 長春130012）

3（中國科學(xué)院大學(xué) 北京100049）

愛因斯坦探針的深度后隨X射線望遠(yuǎn)鏡（Einstein Probe–Follow-up X-ray Telescope，EP?FXT）［1?3］和增強(qiáng)型X射線時(shí)變與偏振探測(cè)天文臺(tái)的能譜測(cè)量X射線聚焦望遠(yuǎn)鏡陣列（enhanced X-ray Timing and Polarimetry–Spectroscopy Focusing Array，eXTP?SFA）［4］的前期探測(cè)器測(cè)試在中國科學(xué)院高能物理研究所進(jìn)行［5］。

在進(jìn)行聯(lián)調(diào)和測(cè)試時(shí)，需要有針對(duì)性地選擇光源才能得到預(yù)期的效果。如在進(jìn)行探測(cè)器響應(yīng)函數(shù)和探測(cè)效率標(biāo)定時(shí)，需要單色性較好的X射線光源；在進(jìn)行探測(cè)器能量標(biāo)定時(shí)，光源需要提供豐富的元素?zé)晒饩€譜結(jié)構(gòu)。一般可以用晶體衍射的方式產(chǎn)生單能X射線，例如雙晶體單色儀。硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡低能X射線望遠(yuǎn)鏡（Hard X-ray Modulation Telescope–Low Energy X-ray Telescope，HXMT?LE）所使用的軟X射線探測(cè)器CCD236的能量響應(yīng)矩陣標(biāo)定數(shù)據(jù)由中國科學(xué)院高能物理研究所標(biāo)定大廳的低能X射線標(biāo)定裝置（Low Energy X-ray Calibration Facility，LXCF）［6?7］產(chǎn)生。LXCF使用了雙晶體單色儀。這種光源的優(yōu)勢(shì)是單色性很好，沒有連續(xù)譜成分。但是雙晶體單色儀需要大量的時(shí)間去調(diào)試，只適用于對(duì)單色性要求較高的實(shí)驗(yàn)。

對(duì)于一般的探測(cè)器測(cè)試，可直接采用X光機(jī)產(chǎn)生的X射線。這種光源易獲得，但是未對(duì)光子進(jìn)行處理，導(dǎo)致能譜成分復(fù)雜，連續(xù)譜比重較大，信噪比較差。圖1為利用Geant4對(duì)X光機(jī)能譜的模擬結(jié)果。一次靶材放出的光子中除了靶材的熒光線之外，連續(xù)譜比重也很高，信噪比較低。

圖1 電子打靶的Geant4模擬能譜Fig.1 Geant4 simulation spectrum of electron shooting

除此之外，X射線放射源也是常見的X射線光源（常見的軟X射線放射源有55Fe），但是單個(gè)放射源線譜成分較少（如55Fe放射源會(huì)產(chǎn)生55Mn的Kα和Kβ熒光線，分別為5.899 keV和6.490 keV），不利于探測(cè)器能量刻度。

X射線二次多靶源（X-ray Secondary Multitarget Source，XSMT）利用X光機(jī)產(chǎn)生的韌致輻射光子二次打靶，產(chǎn)生高信噪比的軟X射線光子。其降低連續(xù)譜比例的手段主要有三點(diǎn)：第一，利用電子打一次靶材產(chǎn)生光子進(jìn)行二次打靶；第二，減小X光機(jī)管電壓；第三，減少靶材雜質(zhì)，屏蔽腔體不銹鋼材料。實(shí)驗(yàn)?zāi)茏V測(cè)量證明這種裝置產(chǎn)生的X射線連續(xù)譜比例很低。

1 XSMT設(shè)計(jì)

XSMT的 設(shè) 計(jì) 初 衷 是 為EP?FXT探 測(cè) 器pnCCD［8?9］和eXTP?SFA的硅漂移探測(cè)器（Silicon Drift Detector，SDD）［4］進(jìn)行前期的電子學(xué)聯(lián)調(diào)測(cè)試和性能標(biāo)定提供信噪比高、操作簡單的光源。探測(cè)器的前期電子學(xué)聯(lián)調(diào)需要進(jìn)行繁瑣的電子學(xué)調(diào)試優(yōu)化，因此要采用反應(yīng)迅速且操作簡便的測(cè)試光源。同時(shí)標(biāo)定工作要求光源可以產(chǎn)生較多譜線用于進(jìn)行能量刻度。針對(duì)這些需求，在中國科學(xué)院高能物理研究所標(biāo)定大廳內(nèi)建造了XSMT，可聯(lián)合之前建立的LXCF對(duì)探測(cè)器性能進(jìn)行研究。

1.1 二次靶材的選用

SDD和pnCCD的觀測(cè)波段為12.0 keV以下的軟X射線波段。光源設(shè)計(jì)的第一個(gè)要求即為能區(qū)。針對(duì)探測(cè)能區(qū)，同時(shí)考慮靶材的易制備性，選擇了熒光線在12.0 keV以下的幾種靶材，如表1所示。

表1 XSMT靶材列表Table 1 List of targets in XSMT

二次靶材熒光線的能量基本均勻覆蓋0.523～8.047 keV，可以滿足能區(qū)內(nèi)的能量刻度需求。同時(shí)為了提高能譜信噪比，盡量選用高純度的材料制作靶材。

1.2 腔體的設(shè)計(jì)

pnCCD和SDD探測(cè)器均需在低溫環(huán)境下工作，兩種探測(cè)器均未加惰性氣體保護(hù)封裝。為了避免在地面測(cè)試時(shí)降溫導(dǎo)致探測(cè)器表面結(jié)霜，探測(cè)器測(cè)試需要在高真空環(huán)境下進(jìn)行。為了滿足這一需求，XSMT腔體依照真空測(cè)試需求進(jìn)行了設(shè)計(jì)。圖2為腔體的實(shí)物圖。

圖2 XSMT實(shí)物圖（右側(cè)為腔體內(nèi)部靶盤實(shí)物圖，覆蓋有白色聚酰亞胺材料）Fig.2 Physical photos of XSMT(right photo shows the inner wall of the cavity covered with polyimide material)

腔體主體為圓柱形設(shè)計(jì)，腔體頂部固定有靶盤，靶盤上嵌有二次靶材。為保證二次靶材發(fā)出的光子盡可能多地從出射口出射，二次靶材底部斜切45°。X光機(jī)在腔體下方，其通過真空管道與腔體連接，管道正對(duì)二次靶材。腔體內(nèi)壁覆蓋有聚酰亞胺材料，可避免X射線打到腔體內(nèi)壁的不銹鋼材料上產(chǎn)生其他元素的熒光線，增加本底。裝置的光子出射口可通過連接法蘭與后端裝有探測(cè)器的真空設(shè)備連接。

圖3 XSMT結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Diagram of XSMT

X光機(jī)燈絲陰極產(chǎn)生的電子，在管電壓作用下入射到一次靶材表面，通過韌致輻射產(chǎn)生通量正比于光機(jī)管電壓平方的連續(xù)譜X射線［10］。XSMT裝置選用了由上?？祁U維電子科技提供的兩款X光機(jī)作為一次光源。表2為X光機(jī)的具體參數(shù)。

表2 XSMT所選用的X光機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 X-ray machine design parameters for XSMT

一次靶材發(fā)出的光子通過X光機(jī)的準(zhǔn)直管，可以極小的發(fā)散角入射到靶材的斜剖面上。然后光子打擊二次靶材，放出元素的熒光線和一系列的散射光子。

為了驗(yàn)證出射準(zhǔn)直管口徑對(duì)出射光子成分的影響，通過Geant4對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬。模擬過程中，為了簡化過程，并未構(gòu)建探測(cè)器的實(shí)際模型，只記錄出射光子能量。圖4為三種口徑下出射能譜的模擬結(jié)果。

圖4 不同口徑準(zhǔn)直管的出射光子能譜（一次靶材為W，二次靶材為Cu）Fig.4 Photon spectra collimator with different diameters(the first target is W and second target is Cu)

能譜結(jié)構(gòu)中除了連續(xù)譜結(jié)構(gòu)外，還有很多線譜，其中主峰為二次靶材Cu的Kα和Kβ熒光線。模擬結(jié)果表明，出射準(zhǔn)直管的口徑大小只對(duì)出射光子數(shù)有影響，并未影響出射光子的能譜結(jié)構(gòu)。

由于在本次模擬中腔體內(nèi)壁材料選用了不銹鋼，能譜中還出現(xiàn)了Cr、Ni和Fe的熒光線。在第二次模擬中，我們將不銹鋼材料利用聚酰亞胺復(fù)合材料進(jìn)行覆蓋，出射光子能譜中這些結(jié)構(gòu)消失，如圖4中紅線所示。

通過調(diào)節(jié)管電壓使一次靶材激發(fā)的光子的最高能量剛好大于二次靶材的線系吸收邊，然后通過準(zhǔn)直管約束X光機(jī)出射X射線的角度，使一次靶材激發(fā)的光子打到二次靶材上。打到二次靶材上的光子與材料相互作用，放出對(duì)應(yīng)元素的熒光線，只有極少比例的光子通過散射的方式出射。

2 SDD能譜測(cè)量及分析

為了驗(yàn)證這一設(shè)計(jì)的性能，文章對(duì)SDD探測(cè)器進(jìn)行了能譜測(cè)量。測(cè)試時(shí)通過連接法蘭與裝有探測(cè)器的腔體進(jìn)行連接，如圖5所示。SDD探測(cè)器裝在左側(cè)的真空罐中，XSMT通過法蘭與真空罐連接。

圖5 SDD能譜測(cè)試裝置圖Fig.5 Device photo of SDD spectrum test

2.1 X光機(jī)管電壓對(duì)能譜的影響

X光機(jī)的管電壓設(shè)置直接決定了一次靶材發(fā)出的光子能量和通量，進(jìn)一步影響二次靶材發(fā)射的光子中連續(xù)譜的比例。實(shí)驗(yàn)中，可通過SDD對(duì)不同X光機(jī)管電壓的能譜測(cè)量（圖6），驗(yàn)證管電壓對(duì)連續(xù)譜比例的影響。管電壓3.0 kV能譜在8.0 keV處光子為宇宙線本底。

通過對(duì)比三組能譜，可以明顯看出：X光機(jī)管電壓越大，連續(xù)譜成分越多。同時(shí)電子打靶的模擬能譜顯示，一次靶材選用W時(shí)，能譜在2 keV左右有多條W的M線系熒光線，這些光子可能在二次靶材進(jìn)行散射后混入出射光子中，出射光子在2 keV左右有對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)。當(dāng)管電壓較低時(shí)，這部分結(jié)構(gòu)比重很低，但是隨著管電壓增大，這些光子比重逐漸增大。經(jīng)過計(jì)算得出，控制管電壓在較低的情況下（如二次靶材為SiO2時(shí)為3 kV），出射的X射線光子95%左右均為其熒光線，能譜信噪比較高。

2.2 打靶能譜

在SDD的能譜測(cè)試中，我們進(jìn)行了SiO2、Al、Ti、Mg和Cu二次靶材的測(cè)試。測(cè)試能譜如圖7所示。測(cè)試能譜中，連續(xù)譜計(jì)數(shù)明顯小于熒光線計(jì)數(shù)，各譜線成分清晰，信噪比很好，可用于探測(cè)器與電子學(xué)聯(lián)調(diào)和能量刻度。

2.3 SDD能量刻度

XSMT的一個(gè)重要應(yīng)用是對(duì)探測(cè)器進(jìn)行能量刻度。以SDD探測(cè)器的觀測(cè)能譜為例，進(jìn)行能量刻度。二次靶材能譜全能峰可用高斯函數(shù)進(jìn)行擬合：

圖7 SDD探測(cè)器中各靶材能譜Fig.7 Measured energy spectra of every targets in SDD detector

式中：μ為峰位中心值；σ為標(biāo)準(zhǔn)差；A為峰位中心函數(shù)值。全能峰擬合結(jié)果見表3。

表3 全能峰擬合結(jié)果Table 3 Fitting result of full-energy peak

SDD輸出的ADC（Analog-to-Digital Converter）值與光子能量可用一次函數(shù)進(jìn)行能量刻度，圖8為能量刻度結(jié)果。

通過能量刻度得到積分非線性（Integral nonlinearity，INL）為0.06%，刻度殘差小于5 eV?？梢?，XSMT的打靶能譜能夠很好地完成SDD探測(cè)器的能量刻度。

3 pnCCD探測(cè)器前期電子學(xué)聯(lián)調(diào)

FXT的電子學(xué)已經(jīng)進(jìn)入探測(cè)器聯(lián)調(diào)階段。在聯(lián)調(diào)的前期測(cè)試中也使用了XSMT。pnCCD在中國科學(xué)院高能物理研究所用XSMT進(jìn)行打靶測(cè)試。圖9為Cu靶能譜。

圖8 SDD刻度結(jié)果，刻度殘差小于5 eVFig.8 Energy calibration result of SDD(upper),the residual(bottom)is less than 5 eV

圖9 pnCCD電子學(xué)聯(lián)調(diào)Cu靶能譜Fig.9 Spectrum of Cu target in pnCCD during the joint debugging of electronics

Cu靶能譜中Cu的三根熒光線比重顯著，能譜信噪比較好。pnCCD能譜測(cè)試中，一次靶材選擇了Ti，所以能譜中還出現(xiàn)了二次靶材直接散射的Ti的Kα和Kβ熒光線。值得注意的是，由于pnCCD是硅基半導(dǎo)體探測(cè)器［9］，能譜中可以明顯看到對(duì)應(yīng)Si材料的逃逸峰。

為了對(duì)光源的光斑大小進(jìn)行探討，利用pnCCD進(jìn)行了成像，如圖10所示，其中pnCCD共384×384個(gè)方形像素，每個(gè)像素邊長75μm［8?9］。從pnCCD的成像圖中可以看到，由于探測(cè)器的工裝零件遮擋，探測(cè)器邊緣有一些像素未被覆蓋。該光源的光斑尺寸可以滿足pnCCD的測(cè)試需求。

圖10 pnCCD電子學(xué)聯(lián)調(diào)階段Cu靶成像Fig.10 Image of pnCCD for target Cu

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種操作簡單、信噪比高、能譜結(jié)構(gòu)簡單的X射線二次多靶源。該裝置服務(wù)于FXT和SFA的前期探測(cè)器與電子學(xué)聯(lián)調(diào)和性能研究。其主體結(jié)構(gòu)包括X光機(jī)、準(zhǔn)直管和二次靶材腔體。為了滿足探測(cè)器測(cè)試需要的真空低溫環(huán)境，XSMT腔體也依照真空設(shè)備要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，并可通過法蘭與測(cè)試設(shè)備腔體進(jìn)行連接。文章利用Geant4對(duì)裝置的出射準(zhǔn)直器口徑和內(nèi)壁材料進(jìn)行模擬。分析顯示，準(zhǔn)直器口徑會(huì)直接影響出射光子數(shù)，同時(shí)利用聚酰亞胺覆蓋內(nèi)壁后，光子中由不銹鋼產(chǎn)生的熒光線成分被屏蔽。之后對(duì)SDD探測(cè)器進(jìn)行能譜測(cè)試，能譜中靶材熒光線比重很高，信噪比很好。利用各種靶材的熒光線對(duì)SDD進(jìn)行了能量刻度，刻度結(jié)果INL為0.06%，殘差小于5 eV。同時(shí)，XSMT也參與到了FXT的探測(cè)器pnCCD與電子學(xué)的聯(lián)調(diào)中，其能譜表現(xiàn)和光斑覆蓋性也滿足試驗(yàn)的要求。