【摘 要】
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伽马暴瞬时辐射及其晚期X射线耀发偏振观测对理解新生致密天体的性质和喷流辐射物理具有重大意义,对软X射线波段（2-10KeV）进行偏振探测是研究伽马暴事件的重要探测手段。空间X射线偏振探测合作组（CXPD）研制的立方星采用微结构气体探测器和基于硅像素芯片的电子学读出系统相结合的方式对2-10 KeV的X射线进行偏振测量。CXPD立方星的读出电子学系统,采用硅像素芯片的顶层金属电极收集微结构气体探测器
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伽马暴瞬时辐射及其晚期X射线耀发偏振观测对理解新生致密天体的性质和喷流辐射物理具有重大意义,对软X射线波段（2-10KeV）进行偏振探测是研究伽马暴事件的重要探测手段。空间X射线偏振探测合作组（CXPD）研制的立方星采用微结构气体探测器和基于硅像素芯片的电子学读出系统相结合的方式对2-10 KeV的X射线进行偏振测量。CXPD立方星的读出电子学系统,采用硅像素芯片的顶层金属电极收集微结构气体探测器经光电倍增后产生的光电子,并使用Rolling Shutter的扫描方式将像素阵列信号逐行读出,并连接FPGA进行后续的信号处理。随着像素阵列规模的增大,基于像素芯片的读出电子学系统越来越复杂,X射线偏振探测卫星面临着数据传输带宽限制、低系统功耗、抗辐照性等多方面的考验。本文针对探测卫星面临的上述挑战,基于硅像素芯片设计了一套读出电子学,能实现数据的在线实时处理,并具备低功耗和抗辐照的性能优势,本文完成的工作如下:1.设计了一套电子学读出系统,分为硬件软件两部分。硬件分为三层PCB板,包括顶层读出板,用于收集硅像素芯片采集到的X偏振信号;中间的FPGA板对整个电子学系统进行控制;以及最下层的高压板,用于给顶层的腔室提供高压电场,增加探测灵敏度,电子学系统支持的探测事件率最大可达到77.16count/s。软件部分基于CAN总线以及UDP协议提出了一套慢控与快读出相结合的上位机通信系统。其中CAN总线用于指令集的下发,UDP协议用于数据传输。当前CAN总线的指令传输速度达到0.125MB/s,UDP上位机的数据传输速度可达到2.4-3.5MB/s。2.探测卫星运行到特定轨道区域后,才能将处理后的数据下传至地面,硅像素芯片在数据无压缩情况下数据量达到了 675GB/day,而卫星下传至地面的数据量最大限制6.25GB/day。基于数据传输带宽的限制,本系统提出了两种在线数据压缩算法:本底噪声压缩法和差值压缩法。两种压缩算法都用于在线压缩数据,提取有效的事件信息。经测试,两种压缩算法压缩率分别为0.5737%和0.1219%,满足卫星每日的数据量下传要求,且两种压缩方案各具不同优势。根据卫星固定时间下传数据的需求,系统采用大容量eMMC作为数据缓存,eMMC读和写速度可达30MB/s和 17MB/s。3.在近地轨道环境下,大量高能粒子辐射会导致电子学系统发生单粒子翻转效应,本文设计了基于三模冗余的辐照加固电路,增强系统的抗辐照性能。此外,本系统采用改进的门控时钟方案完成了系统的低功耗设计,基于门控时钟的低功耗控制方案使得系统的功耗降低了 30.28%。
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