《Sensors》：Tests of HgCdTe Photodetectors Performances for Implementation on the MIST-A Instrument
Chiara Cencia,
Eliana La Francesca,
Mauro Ciarniello,
Andrea Raponi,
Fabrizio Capaccioni,
Maria Cristina De Sanctis,
Simone De Angelis,
Michelangelo Formisano,
Marco Ferrari and
Gianrico Filacchione
+ 16 authors
编辑推荐：
为评估储存多年的红外探测器性能，研究人员对继承自JIRAM的HgCdTe光电探测器工程模型EM2和飞行备件FS1进行测试。通过暗电流和响应线性度测量，证实两者均满足MIST-A任务要求，其中FS1性能更优，被选为飞行模型。这项研究为即将执行的小行星探测任务提供了可靠的探测硬件保障。
在浩渺的太空中，散布于火星和木星轨道之间的小行星带，蕴藏着太阳系形成早期的原始物质，是研究行星起源和生命前体物质的天然实验室。然而，这些遥远天体的表面成分和物理性质，尤其是其光谱中可能携带的有机物特征，一直难以被精确探测。由阿联酋主导的“小行星带探测任务”（Emirates Mission to the Asteroid Belt, EMA）计划于2028年发射，旨在对包括269号小行星Justitia在内的多个原始天体进行近距离探测。要完成这一科学目标，离不开能“看清”天体表面热辐射和分子吸收特征的“眼睛”——一台高性能的中波红外成像光谱仪。
这台名为“目标小行星中波红外成像光谱仪”（Middle-Wave Infrared Imaging Spectrometer for Target Asteroids, MIST-A）的仪器，是任务成败的关键。它需要在2-5微米的红外波段工作，以识别水冰、硅酸盐、有机物等关键物质。巧妇难为无米之炊，MIST-A的光学头部设计继承自NASA朱诺号（JUNO）任务上的JIRAM（Jovian IR Auroral Mapper）光谱仪，并幸运地接收了两件来自JIRAM项目的“遗产”——两个备用混合减薄型碲镉汞（Hybrid-Thinned Mercury-Cadmium-Telluride, MCT）光电探测器模型。然而，这两件探测器自2009年出厂后，已在仓库中沉睡了十余年。一个关键问题摆在研究人员面前：经历了如此漫长的休眠，它们还能否“醒来”，并胜任深空严酷环境下的高精度探测工作？其性能是否衰退？又该选择哪一个作为最终飞向深空的“正选”？
为了回答这些问题，来自意大利国家天体物理研究所、意大利航天局等机构的研究团队对这两款探测器——工程模型EM2和飞行备件FS1——展开了一系列严谨的地面性能测试。他们的研究成果最终发表在专业期刊《Sensors》上。研究表明，经过15年储存，两款探测器均表现良好，完全满足MIST-A的科学探测需求，其中FS1性能更胜一筹，被最终选定为飞行任务模型。这项看似是硬件“体检”的研究，实则确保了未来对小行星表面神秘红色光谱成因（可能指向复杂有机物）进行探索的“视力”清晰可靠，为EMA任务的科学回报奠定了坚实的硬件基础。
研究人员开展此项研究主要采用了以下关键技术方法：
- 1.
实验室低温测试系统：搭建了基于液氮两级杜瓦瓶的低温测试平台，内部集成黑体辐射源，可将探测器焦平面温度精确控制在85K和90K（MIST-A的工作温度为85K），用于模拟太空工作环境。
- 2.
探测器性能表征方法：对探测器进行了两方面的核心测试。一是暗电流表征，在不同积分时间下测量探测器在无光照射时产生的电流，以评估噪声水平。二是响应线性度验证，通过测量不同温度（从室温25°C到100°C）黑体辐射的信号，检验探测器输出信号与入射辐射强度之间的线性关系。
- 3.
全帧数据获取与重构技术：由于MIST-A仅使用探测器阵列的一部分，测试中通过电子地面支持设备分四个窗口依次采集数据，再将四个256×336像素的子帧数据通过平均重叠区域的方法，重构出探测器270×438像素的完整阵列图像，以全面评估探测器性能。
研究结果
暗电流评估
研究测量了EM2和FS1在85K和90K下，不同积分时间（从0毫秒到1120毫秒）的暗电流。结果显示，两款探测器的暗电流均随积分时间线性增加，且温度升高至90K时，暗电流值仅略有增加，表明探测器在储存期间性能稳定，热噪声控制良好。在85K工作温度下，暗电流水平完全在可接受范围内。
坏点与阶跃滤光片死区
通过对重构的全帧图像进行分析，研究人员统计了探测器的缺陷像素数量。结果发现，FS1的缺陷像素数量显著少于EM2。此外，图像清晰显示了位于光谱轴约3.7-3.8 μm处的阶跃滤光片A和B的拼接区域，该区域存在一个不响应的“死区”，这是由滤光片制造工艺决定的已知特性，在数据定标中需予以考虑。
响应线性度
通过分析探测器对不同温度黑体辐射的响应，研究人员验证了其响应的线性度。在测试的温度范围内，两款探测器的信号输出与入射辐射强度均表现出良好的线性关系，线性回归的决定系数R2值非常接近于1。这表明探测器能够准确地将接收到的红外辐射强度转换为电信号，这是进行定量光谱分析的基础。
与历史数据的对比
研究团队还将本次测试结果与探测器生产商在2009年进行的验收测试数据进行了对比。对比发现，无论是暗电流水平还是响应特性，当前测量结果与十余年前的原始数据均非常吻合，没有显示出因长期储存而导致的性能显著退化。
研究结论与意义
本研究通过对库存超过15年的MCT红外探测器EM2和FS1进行全面性能测试，得出了明确结论：两款探测器在关键的暗电流、缺陷像素数量、响应线性度等性能指标上，均完全满足MIST-A仪器的科学任务要求。这证实了该型探测器具有极佳的长时储存稳定性和可靠性。通过对比，FS1在缺陷像素数量等指标上表现优于EM2，因此被选定为MIST-A的飞行模型。
这项工作的意义重大。首先，它直接验证了用于EMA这一重要国际深空探测任务的科学载荷硬件的可靠性，降低了任务风险。其次，它证明了继承和利用以往成熟航天任务（如JIRAM）的备用硬件，是节省成本、缩短研制周期、并利用已验证技术的有效途径。最后，详细的性能测试数据为未来MIST-A在轨获取的科学数据提供了精确的定标基础，确保从小行星表面反射和发射的红外光谱中，能够准确反演出其成分和物理性质，特别是为揭示小行星Justitia表面“异常红化”现象是否源于复杂有机物这一关键科学问题，提供了必需的、高质量的观测数据保障。
