COSI 载荷 BTO 检测器的信号处理与数据获取系统

从几百 keV 到几 MeV 的能量范围包含重要探针，如核伽马射线和 511 keV 双能葬射线。然而，与 X 射线和 GeV/TeV 伽马射线相比，此能量范围的灵敏度低几个数量级。计划于 2027 年发射的 NASA SMEX 卫星任务 Compton 谱仪与成像仪（COSI）预计通过利用氦半导体探测器的康托姆望远镜技术，覆盖 0.2-5 MeV 能量范围，以突破这一局限。除了主仪器外，COSI 还装有两个背景与瞬态观测器（BTO）检测器。这些检测器由 NaI(Tl) 闪烁体与 SiPM 耦合而成，作为学生合作项目开发。BTO 旨在（1）在轨测量背景辐射以最大化 COSI 的灵敏度；（2）探测 GRB 和其他伽马射线瞬态现象。为此，需要在 30 keV 至 2 MeV 能量范围内实现 < 20% FWHM 能量分辨率。此外，还需妥善处理由穿透 NaI(Tl) 晶体的重离子产生的大信号和余辉。为此，我们开发了由两个主要组件构成的紧凑信号处理与数据获取系统：模拟板和数字板。模拟板对 SiPM 的信号进行放大、产生触发信号并完成 AD 转换。数字板采用 Microchip SAMV71 微控制器，我们开发了控制模拟板、通过 SPI 接口读取 ADC 数据、添加时间戳并缓冲事件数据的数据获取软件。通过该开发，我们实现了所需的宽频带特性和在 662 keV 处 10% FWHM 能量分辨率的处理时间为 20 μs/事件。我们还实现了基于判别器的大信号抑制以及基于 onboard 检测算法的瞬态事件检测。