脈沖星MCP探測器設(shè)計(jì)與在軌驗(yàn)證

徐延庭 宮超林 胡慧君 張玉兔 邵思霈史鈺峰 宋娟 宋曉林

(山東航天電子技術(shù)研究所,山東煙臺 264670)

脈沖星是一種快速自轉(zhuǎn)的中子星,它能夠發(fā)出周期性的X射線。由于其周期非常穩(wěn)定,不同脈沖星的輻射又具有自身的特征,這使得脈沖星能夠成為用于導(dǎo)航的天然信號源,X射線脈沖星導(dǎo)航具有重要的實(shí)際工程應(yīng)用價值,有著巨大的發(fā)展?jié)摿1-2]。但脈沖星X射線光子信號流量弱,需要靈敏度較高的探測器進(jìn)行探測。微通道板(Micro-Channel Plate,MCP)探測器可以實(shí)現(xiàn)103～106高增益的電子倍增,從而實(shí)現(xiàn)微弱信號的探測。硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(HXMT)衛(wèi)星主載荷主要用于空間硬X射線的探測,MCP探測器作為搭載載荷所探測的X射線屬于軟X射線,二者在探測能段上有一定的區(qū)分。同時主載荷任務(wù)規(guī)劃了對X射線脈沖星的觀測,二者在探測目標(biāo)上有共同之處。通過數(shù)據(jù)分析對比,可以獲得更多脈沖星和空間X射線相關(guān)信息,為脈沖星導(dǎo)航技術(shù)研究提供更多經(jīng)驗(yàn)。

文章論述了MCP探測器的設(shè)計(jì),其中重點(diǎn)描述了X射線光子探頭的設(shè)計(jì),并對探測器在軌探測情況進(jìn)行了介紹,最后對探測器數(shù)據(jù)處理情況進(jìn)行了說明,給出了Crab脈沖星輻射脈沖輪廓的還原情況。

1 MCP探測器設(shè)計(jì)

1.1 MCP探測器基本原理

MCP探測器的基本原理如圖1所示。

圖1 MCP探測器基本原理圖Fig.1 Basic principle of micro-channel plate detector

X射線光子通過輸入窗和準(zhǔn)直器(Micro-Pore Optic,MPO)打到光電陰極上,在光電陰極上產(chǎn)生電子,電子進(jìn)入微通道板內(nèi),與微通道板內(nèi)壁碰撞產(chǎn)生二次電子,電子在電場作用下產(chǎn)生多次碰撞,激發(fā)出的電子不斷增多,發(fā)生類似雪崩現(xiàn)象,從而實(shí)現(xiàn)信號的倍增放大。倍增后的電子束入射到電荷收集陽極后在電荷收集陽極上產(chǎn)生電流信號,通過匹配電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號后,由電子電路進(jìn)行采集處理。其中,輸入窗功能可以對紫外、可見光以及空間帶電粒子進(jìn)行屏蔽,同時保持1～10 keV軟X射線的透過率。X射線光子探頭采用聚酰亞胺鍍鋁薄膜作為光子探頭的輸入窗,其對X射線的透過率如圖2所示。

為減少空間X射線背景輻射影響,需對X射線探測器的視場進(jìn)行限制,使探測器只接收來自特定方向的X射線光子。因此,采用在探測器的前端加裝X射線準(zhǔn)直器的方式進(jìn)行空間濾波。

圖2 輸入窗透過率曲線Fig.2 Curve of transmission rate of input window

準(zhǔn)直器由對X射線具有很強(qiáng)吸收的鉛玻璃制成,如圖3所示。只有不與微孔壁發(fā)生碰撞的X射線光子才能到達(dá)探測器,微孔的直徑和深度決定了所能接收的光子的視場。采用MPO器件作為準(zhǔn)直器,其質(zhì)量和體積得到大幅度削減。

圖3 MPO視場示意圖Fig.3 MPO field-of-view diagrammatic sketch

X射線脈沖星的輻射能流強(qiáng)度非常低,為保證X射線探測器具有足夠高的靈敏度,X射線探測器的光電陰極必須具備非常高的量子效率。高量子效率光電陰極可提高探測效率,縮短探測積分時間。在1～15 ke V的X射線能區(qū),CsI材料具有量子效率高,穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。因此,本文采用CsI反射式陰極作為X射線光子的光電轉(zhuǎn)換器件,CsI蒸鍍在MCP的信號輸入面上。

MCP是一種大面陣的微通道電子倍增器,具有很高的時間、空間分辨率。MCP工作原理如圖4所示,在MCP的兩端施加1～2 k V高壓,當(dāng)帶電粒子或高能光子撞擊MCP的輸入端通道內(nèi)壁時就會產(chǎn)生次級電子。次級電子在高壓電場的作用下沿著微通道加速前進(jìn),通過與通道內(nèi)壁的多次反復(fù)碰撞實(shí)現(xiàn)電子雪崩,最后在MCP的輸出端輸出大量的電子。兩塊MCP可以達(dá)到106～107的電子增益[3]。

電荷收集陽極為微帶線結(jié)構(gòu),板基材為聚四氟乙烯,通過基材和匹配電阻實(shí)現(xiàn)50Ω的阻抗匹配。收集到的電信號通過屏蔽同軸電纜輸出。

圖4 MCP結(jié)構(gòu)示意圖及MCP的電子雪崩過程Fig.4 Micro-channel plate diagrammatic sketch and its electronic avalanche proces

1.2 整體電路設(shè)計(jì)

探測器子系統(tǒng)整體電路框圖如圖5所示。

綜合控制器是探測器子系統(tǒng)的管理控制核心,實(shí)現(xiàn)如下功能:探測器子系統(tǒng)與衛(wèi)星平臺的接口,包括一次母線供電接口、遙控遙測接口、1553B總線接口和GPS信號接口;為光子探頭密封門開啟機(jī)構(gòu)供電,控制密封門開啟;通過RS422接口與高壓配電器通信,控制高壓電源輸出,接收高壓遙測數(shù)據(jù);接收光子探頭輸出的脈沖信號,對信號進(jìn)行調(diào)理、時間和數(shù)字轉(zhuǎn)換(TIME-to-Digital Converter,TDC)處理,生成科學(xué)數(shù)據(jù);將科學(xué)數(shù)據(jù)緩存,通過1553B總線下傳。

圖5 探測器總體電路框圖Fig.5 Whole circuit diagram of the detector

2臺光子探頭實(shí)現(xiàn)對X射線光子的探測。光子探頭在密封門開啟之后接收X射線光子,將光子轉(zhuǎn)換為電子,對電子進(jìn)行倍增放大之后形成電流脈沖信號輸出。

高壓配電器通過RS422接口與綜合控制器通信,接收指令為光子探頭中的高壓電源模塊提供供電電源和遙控信號,同時對高壓電源模塊的遙測信號進(jìn)行采集并將遙測數(shù)據(jù)上傳至綜合控制器。

1.3 光子探頭設(shè)計(jì)

光子探頭實(shí)現(xiàn)X射線信號的光電轉(zhuǎn)換和倍增放大,屬于探測器的關(guān)鍵組成部分。X射線光子探頭核心部件為MCP板,該板為微孔玻璃結(jié)構(gòu),易碎、易附著多余物,且難以清理,光電陰極材料采用了CsI,該材料易潮解。上述部件和材料特性對X射線光子探頭的結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提出以下要求。

1)減震

確保X射線光子探頭在發(fā)射過程中能夠承受振動、沖擊等力學(xué)環(huán)境,振動敏感的 MCP不發(fā)生破壞。

2)密封

光子探頭內(nèi)部的光電器件MCP以及CsI光電陰極對潔凈度、濕度要求較高,需要在密封環(huán)境下儲存。為此光子探頭需要配套密封機(jī)箱,確保在地面儲存、運(yùn)輸以及發(fā)射階段光子探頭的性能不發(fā)生變化。

3)開啟機(jī)構(gòu)

衛(wèi)星入軌后,為了探測X射線脈沖星源必須能夠順利開啟密封門,否則會直接導(dǎo)致搭載試驗(yàn)失敗。因此需要設(shè)計(jì)高可靠密封門開啟機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)密封門的開啟。

4)空間環(huán)境要求

X射線光子探頭的結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)除了為內(nèi)部功能部件提供減振和密封環(huán)境外,產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)還要適應(yīng)空間環(huán)境要求,為功能部件提供抗力學(xué)、散熱、輻照屏蔽、防靜電和電磁屏蔽防護(hù)功能。探頭結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 X射線光子探頭結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of X-ray photon detector

圖6 中,主體為探測器結(jié)構(gòu)的主要部分,所有零部件均固定于主體,主體上還開有走線槽用于電纜鋪設(shè)。密封門通過轉(zhuǎn)軸與主體連接,密封門上鑲有密封圈,密封門和主體通過壓緊機(jī)構(gòu)壓緊,實(shí)現(xiàn)整個箱體的密封,密封門通過扭簧扭轉(zhuǎn)開啟,密封門同時設(shè)有門頂,門頂用于提供密封圈粘連或門軸靜摩擦力較大時門開啟的初始動力。壓緊機(jī)構(gòu)通過記憶合金驅(qū)動組件和電機(jī)驅(qū)動組件共同提供動力輸出進(jìn)行解鎖。記憶合金驅(qū)動組件和電機(jī)驅(qū)動組件可以獨(dú)立工作,工作過程中互不影響,也可以同時工作,提供的驅(qū)動力為兩者之和。充氣閥和泄壓閥用于高純氮?dú)獾某淙牒吞綔y器發(fā)射過程中氣體的自動泄出,二者結(jié)構(gòu)相同方向相反,通過自動泄壓防止在太空中探測器密封腔內(nèi)余壓過大,造成密封門開啟困難,以及開啟過程中氣流沖擊濾光膜而造成損壞。減振支柱用于探測器內(nèi)部MCP組件的減振,減振柱采用硅橡膠或阻尼橡膠支撐,具有彈性和阻尼特性,減振支柱上下對稱布置于MCP組件周圍。減振支柱和MCP組件組成的振動系統(tǒng)的一階振動頻率需要控制在較低水平,同時避開衛(wèi)星固有頻率,可以獲得理想減振效果。指向調(diào)節(jié)釘用于MCP組件指向精度的調(diào)整,該調(diào)節(jié)釘可以控制減振支柱的壓縮力,從而調(diào)整減振支柱長度,進(jìn)而調(diào)整MCP組件的指向精度,并使MCP組件的指向與光學(xué)基準(zhǔn)鏡的指向保持一致,光學(xué)基準(zhǔn)鏡的指向即代表了各MCP組件的指向,用于探測器安裝于衛(wèi)星探測器整體指向的校準(zhǔn)。

MCP組件是光子探頭內(nèi)部的核心組件,MCP組件由輸入窗(即濾光膜,材料由鋁(AL)和聚酰亞胺(PI)組成)、準(zhǔn)直器 MPO、光電陰極CsI、微通道板MCP、電荷收集陽極、高壓電極和相應(yīng)的支持結(jié)構(gòu)組成,如圖7所示。

MCP組件采用的微通道板屬于真空器件,對灰塵十分敏感,少量的灰塵污染就可能導(dǎo)致MCP的放電損壞或性能下降。而且光電陰極材料CsI容易潮解,所以MCP的組裝需要在千級干燥凈化間的百級凈化臺上進(jìn)行,組裝過程嚴(yán)格控制潔凈的和干燥度,組裝過程中使用了專門的組裝工裝,MCP組裝工裝實(shí)物照片,如圖8所示。

圖8 MCP組裝工裝照片F(xiàn)ig.8 Photo of micro-channel plate assembling fixture

2 在軌驗(yàn)證

HXMT衛(wèi)星發(fā)射入軌后,MCP探測器開啟了密封門并進(jìn)行了加電測試。經(jīng)測試各部分功能正常后,進(jìn)行了指向背景的測試和對Crab脈沖星的觀測。

2.1 在軌背景測試

衛(wèi)星主載荷有巡天、定點(diǎn)和小天區(qū)掃描三種探測模式,在主載荷未對準(zhǔn)X射線脈沖星源的情況下,探測器進(jìn)行了開機(jī)測試,測試背景值。開機(jī)測試探測器各通道計(jì)數(shù)率曲線如圖9所示。

圖9 背景探測計(jì)數(shù)率曲線Fig.9 Count rate curve of background detection

通過圖9的計(jì)數(shù)率曲線可以看出各通道計(jì)數(shù)率均在每秒30個光子以下(圖9中右上角數(shù)字代表每個通道的平均計(jì)數(shù)率),略高于地面標(biāo)定值,經(jīng)過分析主要是因?yàn)檩椛鋷?、銀河宇宙射線、太陽宇宙射線等輻射影響造成的。對采集到的背景數(shù)據(jù)進(jìn)行時間間隔統(tǒng)計(jì)分析,得到曲線如圖10所示。

圖10 時間間隔統(tǒng)計(jì)Fig.10 Statistics of time interval

從圖10可以看出,探測器采集到的數(shù)據(jù)的時間間隔服從負(fù)指數(shù)分布,符合空間X射線背景輻射隨機(jī)性特征。

2.2 Crab脈沖星觀測

探測器在指向背景的測試完成后,對Crab脈沖星進(jìn)行了觀測,并對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了輪廓累積處理,整個處理過程包括按照時間修正理論對數(shù)據(jù)進(jìn)行時間轉(zhuǎn)換、選取星歷參數(shù)、累積折疊輪廓。

通過輪廓累積處理,搜索到頻率f＝29.641 3,周期P＝33.736 7 ms的周期性信號。并利用該周期還原出輪廓,得到的輪廓如圖11所示,與Crab脈沖星輪廓吻合。

圖11 搜索到的頻率和還原出的輪廓Fig.11 Frequency be searched and profile be reverted

為驗(yàn)證得到的數(shù)據(jù),進(jìn)行了雙周期的搜索,搜索到同樣的頻率和周期,得到雙周期的輪廓,如圖12所示。雙周期輪廓與Crab脈沖星輪廓也能夠吻合,對觀測結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖12 雙周期搜索到的頻率和還原出的輪廓Fig.12 Frequency be searched and profile be reverted in two periods

3 結(jié)束語

HXMT衛(wèi)星為MCP探測器提供了可靠的供電、溫度和指向控制。衛(wèi)星平臺對探測器的任務(wù)規(guī)劃,指令上注和數(shù)據(jù)下傳等過程給予了充分支持。在探測器開機(jī)初期,進(jìn)行了開關(guān)機(jī)時機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸時間、探測軌道等的調(diào)試測試,使探測器處于最佳工作狀態(tài),探測器探測數(shù)據(jù)完整下傳,通過地面處理分析,獲得了理想的探測數(shù)據(jù)。

脈沖星導(dǎo)航作為一種新的導(dǎo)航機(jī)制,已成為各國研究的熱點(diǎn),但由于脈沖星信號較弱,航天器運(yùn)行的空間環(huán)境又極其復(fù)雜,通常包括輻射帶、銀河宇宙射線、太陽宇宙射線、彌散X射線及次級效應(yīng)等輻射粒子[4-5],這就需要研究背景噪聲小,靈敏度高,面積大且質(zhì)量輕的X射線探測器[6]。MCP探測器具有視場大,響應(yīng)速度快,易于大面積集成等特點(diǎn),成為脈沖星X射線探測器的一種實(shí)現(xiàn)手段。MCP探測器通過在軌試驗(yàn),得到了其空間背景響應(yīng)特性,成功地獲取了Crab脈沖星信號,為脈沖星導(dǎo)航研究積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)(References)

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