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不言放弃 | 写在”慧眼”运行一周年之际 精选

已有 4861 次阅读 2018-6-17 21:55 |个人分类:科研随笔|系统分类:科研笔记

 

不言放弃 | 写在”慧眼”运行一周年之际

/曹学蕾

(首发于中科院高能物理研究所微信公众号,2018年6月15日)

 

5月底收到徐总(“慧眼”卫星有效载荷副总师徐玉朋)发的Email,要求提交近半年的遥测数据分析报告。孟斌与谭颖分别分析了中能望远镜的遥测与科学数据,将所得结果与发射前地面标定实验的结果比对,发现中能望远镜各项功能性能指标完全正常。

   

到今天为止,“慧眼”卫星已在太空遨游一周年。在这个值得纪念的日子,我的心情复杂,感觉话语万千却不知从何说起:也许是火箭腾空而起的一刻,那瞬间流下的不舍眼泪;也许是ME刚开机时,对着遥测屏幕内心的纠结。在掺杂了喜悦与忐忑、不舍与无悔的心情中,一些难忘的记忆如泉水般流淌出来。

一)资源限制下的探测器设计

探测器是中能望远镜的核心部件之一,整个中能望远镜共有432个4像元Si-PIN探测器,总计1728路。在设计上,是将两片相同的两像元Si-PIN裸片封装在一个陶瓷外壳内,形成4像元探测器模块。这样一个方案,在设计之初确是综合考虑了性能、成品率、体积等多方面因素,并经历了多次实验之后,才最终确定的。

 

因是最后确认的载荷,中能望远镜的方案受到了很大的资源约束,被限制在了一个很难突破的体积、重量和功耗等的框框里。要实现~900cm^2左右灵敏面积的物理需求,只能在有限的资源条件下,并在保证性能指标和质量与可靠性要求的前提下,做最优化的设计。

   

从满足性能指标的需要考虑,单个探测器像元的面积被限制在了50mm^2左右(面积越大,Si-PIN探测器结电容越大,相应的噪声越高)。而从“小空间、大面积”的设计思路出发,需要压缩像元之间的间隔。在第一版设计方案中,4像元Si-PIN集成在同一硅片上,且每4个4像元Si-PIN封装在一个陶瓷外壳内,最大化的减少了像元之间的间隔,获得了最优的占空比。但是,这样的设计在后来却被证明是行不通的。用于空间的探测器在生产过程中会经历多种筛选试验,每一步涉及探测器的操作,都可能会带来相应的污染;粘片键合等封装工艺流程中,探测器的像素也会发生一定的污染,因此最终产品的成品率很低。虽然成品的探测器的性能可以满足要求,但是由于成品率的问题,我们不得不放弃该方案。

  

1728个像素的读出电路不可能采用分立器件搭建,必须采用ASIC芯片,而由于ASIC的应用开发受阻,还一度给50mm^2灵敏面积像元的探测器设计带来了无法实现物理需求的风险。在不突破功耗约束的前提下,只能将探测器的面积变大,减少读出电子学通道数,才能满足要求。于是便有了2cm^2面积Si-PIN像元并匹配分立器件读出电子学的设计方案,总通道数被限制在了500路,可以在体积和功耗增加不多的情况下满足总灵敏面积>900cm^2的物理需求。2cm^2样片试制完成后,进行了放射源能谱测量验证,可以基本满足中能望远镜的指标要求。但与王焕玉老师(“慧眼”卫星有效载荷总指挥)、卢方军老师(“慧眼”卫星有效载荷总师)商量这个方案时,他们认为中能望远镜本身也承载了新技术开发与应用的希望,如果淘汰ASIC的读出方案,技术发展的意义就会大打折扣,坚持要继续全力攻克ASIC方案所遇到的问题。因此,2cm^2灵敏面积的Si-PIN探测器方案最终也被放弃了。

 

这样,在综合考虑多种限制因素和成品率之后,在样品试制和试验的基础上,最终确定了4像素探测器的设计方案。

二)单粒子锁定中的“滑铁卢”

  在选用中能望远镜的读出电子学ASIC芯片时,可选的芯片只有两类,一是美国NOVA公司生产的RENA系列芯片,二是Ideas公司生产的VATA系列芯片。在预研之初,两款可选芯片的应用开发是同步推进的。邢闻负责VA32芯片的应用开发,程泽浩(博士在读)负责了RENA-3的应用开发,张永杰指导并参与了部分调试开发工作。

  

VA32芯片的应用开发在预研的阶段进展一直不顺利,逻辑调试方面一直存在问题。RENA-3的调试在预研的初期也遇到了各种各样的问题,即使是最基本的逻辑调试也无法调通,跟NOVA公司联系沟通后,张永杰去NOVA公司学习了一周,并在NOVA公司与Si-PIN探测器匹配调试成功后才返回。但张永杰回来后,在国内的调试却仍然存在问题,后又邀请了NOVA公司的技术人员来国内指导调试了10天,才最终把逻辑和功能调试走通。在前前后后历经一年半之后,基于RENA-3的原理样机性能可以满足指标要求,而那时VA32的逻辑调试仍然没有完成,于是ME读出电子学的设计基线便确定在了RENA-3上。

 

抗辐照指标是选用航天器件的一个重要依据。这里面既有总辐照剂量的指标要求,又有单粒子反转和单粒子锁定的设计要求。RENA-3的手册中给出的辐照总剂量指标可以满足卫星系统提出的指标要求,但对于单粒子锁定,这一可能会威胁到器件本身使用安全的重要指标,手册中却没有给出明确的数值。

 

按照航天标准,国内能满足单粒子锁定试验要求的装置只有兰州近代物理研究所的重离子加速器。如果没有已工程立项项目的支持,束流时间是很难申请到的,RENA-3单粒子辐照这件事就这样在心里忐忑着住了下来。直到2011年4月,HXMT立项之后,我们才获得束流时间对RENA-3进行了单粒子辐照试验。但试验结果却让我们忐忑的心情瞬间跌入了谷底!自8MeV的LET阈值开始,RENA-3便开始频繁锁定,远远达不到航天要求的37MeV的锁定阈值,。这相当于把RENA-3的设计基线彻底否定了,而对我们自2007年开始的相关研究来说,这是个致命的打击!

 

当晚我几乎一夜无眠,想了很多,而想得最多的是该怎么办!我已记不清当时的思路过程,只记得到了早上,我的结论是:大不了从头再来,按照RENA-3的应用开发经验,将VA32TA芯片的应用开发攻关出来。于是简单的讨论过后,便确定了后续的工作计划。那时,姜维春、雒涛、孟斌已加入ME团队,而于一开始就负责RENA-3的程泽浩已毕业离开了高能所。

 

计划好的试验时间,因为过早得出的结论而失去了意义,试验被提前终止了。而预定好的火车票,也没法再改签。于是在试验结束后的第二天,我们一行试验人员,包括了姜维春、张春雷、徐鹤、雒涛、孟斌,来到了黄河边。看着汹涌奔腾的黄河水,心情竟然异常的平静了下来。成功的背后,怎会缺少了挫折的磨练呢?

三)深度挫折中的不放弃

2015年于ME来说,是灾难的一年!在这之前,中能也是历经磨难,却总还是有些解决问题的时间和空间。而2015年,这本来是计划中的正样交付时间,我们却在第一个探测器机箱的加电测试中,看到了最不想看到的结果。

 

中能望远镜的探测器机箱在鉴定件研制时,便是在529厂电装。鉴定件研制中,ASIC出现过静电损伤问题,而探测器则相对比较正常。正样的研制属于鉴定件产品的延续和重复生产,照例是在529厂完成的。在529厂测试验收时,因是非真空环境下,且不能降温,当发现有些探测器模块加电后计数率偏低,噪声偏高时,我们内心虽然忐忑,但终还有些期待,期望在回到所里,利用所里的真空高低温试验装置试验时,一切都能正常。但真空测试结果的严重程度,却远远超出了我们的意料!

 

按照流程,头天晚上抽真空,降温,第二天早上加电测试。当天晚上值班的是杜园园,第二天一早6点刚过,我便来到了试验房间。我先大体看了一下试验结果,发现许多探测器噪声偏大,而有些模块信号又很少。心情变的沉重起来,观察了一会,我回到办公室取了记录本。等我回到试验房间时发现卢方军老师已经在里面了。最终统计的结果,18个模块里大部分都信号偏少,而从测到的信号里看到30%以上的探测器通道都出现了噪声偏大的情况。

 

统计完结果,整个人都是懵的。经过初步定位,探测器可能在电装过程发生了污染,当然也不能完全排除这个污染是发生在运输过程中,而造成通道触发变少的原因可能是ASIC遭到了静电损伤,导致触发功能模块受损。

 

后续在解决问题过程中,发现整批次的ASIC几乎都受到了静电损伤。而探测器在组装成模块后,拆换变成了不可能,要么就整模块换掉,要么就要接受部分探测器被污染坏掉的结果。现实总是这么残忍,在离正样交付日期已经很近的时候,遇到了这样的问题。我感觉人整个都要垮掉了!一个结果,变成了两个问题。如果说探测器的问题还可以通过重新生产的方式进行替换,或者接受部分探测通道受损的现实也能完成部分科学目标,ASIC静电损伤的问题,在当时看来就严重得多了,一旦触发受损便是整个模块失效,几乎得不到什么有效观测数据。

 

于是,各种质疑接踵而来:中能还能不能做得出来?上去还有没有用?是否把中能替换掉多上几个低能探测器机箱?而于我,于中能团队来说,不到最后一刻是不会轻言放弃的。后来有人问过我,这个问题发生后,你是不是很有信心能把问题解决?我回答说,不,我不能确定问题是不是能解决,但我会尽最大的努力,去做任何想到的可能解决问题的尝试。一件事,一件为之奋斗了十年的事,如果尽了最大的努力仍然不能成功,我们也没有特别的遗憾了,但是如果因为我们的不努力而没有做成,那一定会是一辈子的后悔。

四)用一双“慧眼”回望过去展望未来

转眼之间,“慧眼”卫星已成功发射,运行一年,正在源源不断地产生科学成果。苦尽甘来,在这样的时候,我发现中能望远镜研制过程中那些曾让自己得意的片段在记忆中已经模糊,但那些给我们带来磨难的事情却依然是那么清晰,且体会更加深刻。

 

“慧眼”团队在紧张的工程研制的同时,也进行了下一代空间天文卫星“X射线时变与偏振天文台”(eXTP)的关键技术研究和背景型号研制等工作。eXTP即将进入工程研制阶段,这又将是另一段磨难和传奇故事的开始!




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2 黄永义 何龙

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