硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星高能望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

李旭芳 劉聰展 張翼飛 李正偉 路雪峰張愛梅 張釗 金永杰

(1中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所,北京 100049)(2清華大學(xué)物理系,北京 100084)(3清華大學(xué)工程物理系,北京 100084)

自1970年以來,國(guó)外發(fā)射了數(shù)十顆高能天文衛(wèi)星,在X/γ射線波段進(jìn)行了廣泛深入的觀測(cè)研究,取得了很多重要的科學(xué)成果。其中,專門為硬X射線觀測(cè)設(shè)計(jì)的衛(wèi)星儀器并不多,較為重要的有“康普頓”伽馬射線天文臺(tái)的暴發(fā)和暫現(xiàn)源探測(cè)器(CGRO/BATSE)、“羅西X射線時(shí)變探測(cè)者”衛(wèi)星的高能X射線時(shí)變?cè)囼?yàn)裝置(RXTE/HEXTE)、“貝波”X射線衛(wèi)星的復(fù)合晶體探測(cè)器(BeppoSAX/PDS)、“朱雀”衛(wèi)星的硬X射線探測(cè)器(Suzaku/HXD)、“國(guó)際伽馬射線天體物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室”衛(wèi)星的成像儀(INTEGRAL/IBIS)、“雨燕”衛(wèi)星的爆發(fā)警示望遠(yuǎn)鏡(Swift/BAT)、“核分光望遠(yuǎn)鏡陣列”(NuSTAR)衛(wèi)星等[1-5]。早期主要以能譜和時(shí)變觀測(cè)為主,近幾年,隨著INTEGRAL和Swift衛(wèi)星對(duì)硬X射線波段的巡天觀測(cè)[3-4],以及NuSTAR衛(wèi)星突破硬X射線聚焦鏡技術(shù),實(shí)現(xiàn)了高分辨率的成像觀測(cè)[5],大批的黑洞系統(tǒng)被發(fā)現(xiàn)、證認(rèn)和深入研究。

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(HXMT)衛(wèi)星是我國(guó)自主研制的一顆大型X射線天文衛(wèi)星,致力于對(duì)1～250 ke V的X射線天體進(jìn)行寬能區(qū)觀測(cè),于2017年6月15日成功發(fā)射。為實(shí)現(xiàn)寬能區(qū)和時(shí)變觀測(cè)需求,HXMT衛(wèi)星配置了高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡。3臺(tái)望遠(yuǎn)鏡通過主支撐結(jié)構(gòu)組成一個(gè)整體,其空間指向相同,可對(duì)同一個(gè)目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)[6-7]。

HXMT衛(wèi)星高能望遠(yuǎn)鏡要對(duì)20～250 keV的硬X射線實(shí)現(xiàn)高靈敏度觀測(cè),同時(shí)具備能譜、時(shí)變及成像觀測(cè)能力。為保證這些任務(wù)的順利完成,高能望遠(yuǎn)鏡使用復(fù)合晶體探測(cè)器陣列作為主探測(cè)器,18個(gè)不同柵格取向的高能準(zhǔn)直器限定主探測(cè)器的視場(chǎng),壓低本底,并為實(shí)現(xiàn)直接解調(diào)成像[8-10]提供必要的空間調(diào)制;使用在軌標(biāo)定探測(cè)器對(duì)主探測(cè)器進(jìn)行增益控制和能譜標(biāo)定;使用反符合屏蔽探測(cè)器對(duì)荷電粒子進(jìn)行主動(dòng)屏蔽,壓低粒子引起的本底;使用粒子監(jiān)測(cè)器監(jiān)視空間粒子流強(qiáng),在高流強(qiáng)區(qū)域降低主探測(cè)器和反符合屏蔽探測(cè)器高壓,避免主探測(cè)器受到損害或者壽命降低。

1 高能望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)

高能望遠(yuǎn)鏡由主探測(cè)器、高能準(zhǔn)直器、在軌標(biāo)定探測(cè)器、反符合屏蔽探測(cè)器、粒子監(jiān)測(cè)器、高能電控箱和高能配電箱組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。分析具體的任務(wù)需求,得到高能望遠(yuǎn)鏡的主要技術(shù)指標(biāo)要求,如表1所示。

圖1 高能望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of high energy telescope

表1 高能望遠(yuǎn)鏡主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main performance indexes of high energy telescope

1.1 主探測(cè)器

主探測(cè)器是高能望遠(yuǎn)鏡的核心部件,其主要功能是對(duì)20～250 keV能區(qū)的X射線進(jìn)行逐事例記錄,獲得入射X射線的能量和時(shí)間信息。為實(shí)現(xiàn)總探測(cè)面積5000 cm2、能量分辨率優(yōu)于19%(在59.5 ke V時(shí))的目標(biāo),主探測(cè)器由18個(gè)Φ190 mm×3.5 mm/Φ190 mm×40.0 mm的NaI(Tl)/CsI(Na)復(fù)合晶體探測(cè)器組成,18個(gè)單體具有很好的統(tǒng)一性和互換性。每個(gè)主探測(cè)器單體的結(jié)構(gòu)見圖2,包括復(fù)合晶體和晶體盒、光電倍增管組件及前端電子學(xué)組件。光電倍增管組件包括光電倍增管、減震套、磁屏蔽罩及光電倍增管外殼;前端電子學(xué)組件包括分壓器、前置放大器、高壓模塊、高壓控制電路和高壓監(jiān)測(cè)電路。

在20～250 ke V硬X射線天文觀測(cè)中,復(fù)合晶體探測(cè)器是使用最多的技術(shù)最成熟的探測(cè)器之一。它對(duì)硬X射線有較高的探測(cè)效率和適中的能量分辨率,易于構(gòu)成大面積的探測(cè)器。復(fù)合晶體是一種帶主動(dòng)式屏蔽的探測(cè)器結(jié)構(gòu),選用光子作用截面大、發(fā)光效率高、發(fā)光衰減時(shí)間差別較大的2種晶體,其中高原子序數(shù)閃爍晶體作為主動(dòng)式屏蔽探測(cè)器使用,其對(duì)光子的阻擋本領(lǐng)大,屏蔽效果好,與主晶體直接貼合,可以屏蔽來自背向2π立體角入射的環(huán)境本底及正入射的康普頓事例,減小能譜的畸變。NaI(Tl)和CsI(Na)就是一種較好的組合。NaI(Tl)晶體發(fā)光效率高,對(duì)硬X射線的探測(cè)效率高,它的熒光衰減時(shí)間為230 ns,發(fā)射光譜峰值為410 nm,但是易潮解,需要密封使用。CsI(Na)晶體的發(fā)光效率是NaI(Tl)的85%,其快成分熒光衰減時(shí)間約為630 ns,發(fā)射光譜峰值為420 nm。2種晶體的熒光光譜及峰值十分接近,組成復(fù)合晶體后2種閃爍信號(hào)可以通過同一個(gè)光電倍增管讀出,之后利用脈沖形狀甄別技術(shù)可以將2種信號(hào)區(qū)分開來。因此,高能主探測(cè)器采用NaI(Tl)/CsI(Na)復(fù)合晶體作為探測(cè)介質(zhì)。NaI(Tl)晶體為主晶體,正面入射的X射線光子在其中沉積全部能量,形成“好事例”;CsI(Na)晶體為主動(dòng)式屏蔽探測(cè)器,同時(shí)也可以用于監(jiān)測(cè)伽馬射線暴。

圖2 主探測(cè)器單體結(jié)構(gòu)Fig.2 Configuration of main detector module

為防止晶體潮解,整個(gè)復(fù)合晶體被密封在由鈹窗、鋁合金外殼及石英玻璃組成的晶體盒內(nèi)。鈹片為入射窗,厚度1.5 mm,對(duì)20 ke V能量的X射線光子仍有超過90%的高透過率,同時(shí)也可以滿足密封承壓及抗振的設(shè)計(jì)要求。石英玻璃為熒光出射窗,厚度10 mm,能夠抵抗來自復(fù)合晶體的共振沖擊。復(fù)合晶體周邊填充了GN522有機(jī)硅凝膠,起到減震作用。由于溫度會(huì)影響晶體的熒光產(chǎn)額和發(fā)光衰減時(shí)間,因此在晶體盒側(cè)面向內(nèi)開一條深5 mm、底寬24 mm的凹槽,用于安裝加熱帶,通過主動(dòng)熱控措施使晶體溫度維持在(18±2)℃。

光電倍增管外依次設(shè)計(jì)有減震套、磁屏蔽罩和光電倍增管外殼。其主結(jié)構(gòu)由玻璃制成,內(nèi)中空,易碎,為防止光電倍增管因外部震動(dòng)而損壞,需要對(duì)光電倍增管進(jìn)行立體抗震設(shè)計(jì)。一方面,在光電倍增管入射窗與閃爍晶體之間采用GN522有機(jī)硅凝膠作為光導(dǎo),在實(shí)現(xiàn)光電倍增管與閃爍晶體良好耦合的基礎(chǔ)上,還能起到縱向減震作用。另一方面,在光電倍增管側(cè)壁裝有減震套,用來減小橫向震動(dòng)的影響,在減震套斜面和側(cè)面上增加了減震棱,實(shí)現(xiàn)壓力疏散排減。光電倍增管為磁場(chǎng)敏感器件,為了減小磁場(chǎng)對(duì)探測(cè)器的影響,設(shè)計(jì)了與光電倍增管相匹配的磁屏蔽罩,它采用坡莫合金材料,厚度1 mm,外形與光電倍增管一致。最外層的光電倍增管外殼是約束光電倍增管各組件的結(jié)構(gòu)體,可以保證光電倍增管與晶體盒之間耦合連接的緊密性,實(shí)現(xiàn)主探測(cè)器探頭結(jié)構(gòu)的整體性,提高光電倍增管的抗震性。

前端電子學(xué)組件的光電倍增管分壓器采用負(fù)高壓,信號(hào)以直流耦合的方式送入前置放大電路,分壓器和前置放大器都做了優(yōu)化設(shè)計(jì),配合后端的高能電控箱的電路設(shè)計(jì),提升了主探測(cè)器對(duì)大能量沉積事例的響應(yīng)和恢復(fù)速度。

1.2 高能準(zhǔn)直器

高能望遠(yuǎn)鏡是基于直接解調(diào)算法掃描成像的準(zhǔn)直型望遠(yuǎn)鏡,與18個(gè)主探測(cè)器單體一一對(duì)應(yīng),每個(gè)主探測(cè)器單體前端都放置了一個(gè)準(zhǔn)直器。高能準(zhǔn)直器的設(shè)計(jì)既要具有較大的視場(chǎng),增加入射光子統(tǒng)計(jì)量,又不能因視場(chǎng)太大而影響調(diào)制效果和成像分辨率,綜合考慮成像空間分辨率、大視場(chǎng)及本底扣除的需求,高能準(zhǔn)直器采用非對(duì)稱準(zhǔn)直孔設(shè)計(jì),配置大視場(chǎng)準(zhǔn)直器、小視場(chǎng)準(zhǔn)直器和全遮擋準(zhǔn)直器3類。

城南污水廠工程是一種水廠＋管網(wǎng)同步施工、開放式的團(tuán)隊(duì)作業(yè)項(xiàng)目，交叉作業(yè)環(huán)節(jié)多，地下、地上、高空環(huán)境復(fù)雜、隱患多，人、機(jī)、環(huán)境三者高度統(tǒng)一，才能保證安全生產(chǎn)。

18個(gè)高能準(zhǔn)直器在望遠(yuǎn)鏡主支撐結(jié)構(gòu)上的布局如圖3所示。其中:小視場(chǎng)準(zhǔn)直器15個(gè),視場(chǎng)為1.1°×5.7°;大視場(chǎng)準(zhǔn)直器2個(gè),視場(chǎng)為5.7°×5.7°;全遮擋準(zhǔn)直器1個(gè),用于屏蔽正入射的空間X射線,為科學(xué)數(shù)據(jù)分析提供一個(gè)較為準(zhǔn)確的望遠(yuǎn)鏡本地本底。18個(gè)準(zhǔn)直器根據(jù)柵格方向又分為3組,其中第1組(圖3中紅色)包含5個(gè)小視場(chǎng)準(zhǔn)直器和1個(gè)大視場(chǎng)準(zhǔn)直器;第2組(圖3中綠色)包含5個(gè)小視場(chǎng)準(zhǔn)直器和1個(gè)大視場(chǎng)準(zhǔn)直器;第3組(圖3中藍(lán)色)包含5個(gè)小視場(chǎng)準(zhǔn)直器和1個(gè)全遮擋準(zhǔn)直器。3組準(zhǔn)直器柵格方向相互之間的夾角為60°,共同構(gòu)成高能望遠(yuǎn)鏡5.7°×5.7°的總視場(chǎng)。

高能準(zhǔn)直器決定了高能望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量和指向精度,其物理功能主要由薄鉭片組成的眾多柵格來實(shí)現(xiàn)。鉭對(duì)X射線有很強(qiáng)的衰減作用,長(zhǎng)300 mm、厚0.14 mm的鉭片構(gòu)成不同尺寸的矩形孔,形成不同的視場(chǎng)。大、小視場(chǎng)高能準(zhǔn)直器的差別僅在于鉭片的間距,分別為30 mm和6 mm。全遮擋準(zhǔn)直器是在小視場(chǎng)準(zhǔn)直器的頂面上加貼一塊2 mm厚的鉭片。0.14 mm的薄鉭片太軟,無法保證它們對(duì)基準(zhǔn)面的垂直度要求及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,所以高能準(zhǔn)直器采用鋁合金圓筒框架內(nèi)插貼鉭片的結(jié)構(gòu)形式。高能準(zhǔn)直器的精度和強(qiáng)度都靠鋁合金框架來保證,法蘭盤、圓筒及內(nèi)部加強(qiáng)筋為一體結(jié)構(gòu)。在圓筒內(nèi)腔及加強(qiáng)筋上用線切割工藝加工出鉭片插槽,用來插入0.14 mm厚的鉭片,同時(shí)在圓筒內(nèi)壁及加強(qiáng)筋側(cè)面也粘貼了0.14 mm厚的鉭片。鋁合金筒一角有矩形通孔和走線槽,用來安裝在軌標(biāo)定探頭及其線纜。這樣的設(shè)計(jì),既考慮到了質(zhì)量、剛度及占空比的約束,又滿足了視場(chǎng)需求。根據(jù)模擬計(jì)算,在高能段250 keV處,硬X射線穿透造成的準(zhǔn)直器窄邊方向的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)比理想值偏高約2.5%,200 keV時(shí)小于1%,基本可以忽略,不會(huì)影響掃描成像的分辨率。

圖3 高能準(zhǔn)直器布局Fig.3 Layout of high energy collimators

1.3 在軌標(biāo)定探測(cè)器

每個(gè)主探測(cè)器前方的準(zhǔn)直器中都放置了1個(gè)在軌標(biāo)定探測(cè)器,其作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)主探測(cè)器的在軌自動(dòng)增益調(diào)節(jié)(AGC)。將1個(gè)活度約230 Bq的241Am(半衰期433年)放射源鑲嵌到大小為Ф5 mm×3.0 mm的BC-448M塑料閃爍體中,作為在軌標(biāo)定探測(cè)器的標(biāo)定源。

伴隨241Am源5.5 MeV的α粒子衰變,會(huì)發(fā)射17.8 keV、59.5 keV等能量的γ光子。部分59.5 keV的光子被對(duì)應(yīng)的主探測(cè)器探測(cè)到,與在軌標(biāo)定塑料閃爍體中探測(cè)到的α粒子信號(hào)進(jìn)行符合測(cè)量,可以被鑒別為標(biāo)定事例。根據(jù)標(biāo)定事例脈沖幅值的波動(dòng),微調(diào)主探測(cè)器光電倍增管的高壓,可保持主探測(cè)器的增益穩(wěn)定。

在軌標(biāo)定探測(cè)器的關(guān)鍵技術(shù)是閃爍光源的制作及多像素光子計(jì)數(shù)器(MPPC)溫度補(bǔ)償。為減少標(biāo)定源漏計(jì)數(shù)導(dǎo)致的高能主探測(cè)器本底增加,需要確保在軌標(biāo)定探測(cè)器的閃爍體對(duì)α粒子有盡可能高的探測(cè)效率,實(shí)現(xiàn)4π立體角探測(cè);同時(shí),為了減小誤觸發(fā)和系統(tǒng)的死時(shí)間,要求在軌標(biāo)定探測(cè)器具有好的信噪比和高的光收集效率;又因?yàn)镸PPC有限的靈敏面積,要減小對(duì)主探測(cè)器視場(chǎng)的遮擋,就需要閃爍光源盡可能的小。這些要求增加了閃爍光源的制作難度。通過模擬不同構(gòu)型不同反射涂層對(duì)光收集效率的影響,最終確定了光錐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的閃爍光源,并通過大量的研制試驗(yàn)確定了閃爍光源的加工工藝,產(chǎn)品在經(jīng)歷力熱環(huán)境考核后性能仍滿足要求。在軌標(biāo)定探測(cè)器采用的MPPC作為光電器件,是新型半導(dǎo)體探測(cè)器,無航天產(chǎn)品及航天應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),其增益對(duì)溫度敏感。如果MPPC工作在過壓為2.0 V時(shí),對(duì)應(yīng)的溫度系數(shù)為56 m V/℃,則溫度變化55℃,增益的相對(duì)變化量為154%,嚴(yán)重地影響了在軌標(biāo)定探測(cè)器的工作。專門設(shè)計(jì)的MPPC溫度補(bǔ)償電路[11],在MPPC所加過壓為2.0 V時(shí),有效地將MPPC增益溫漂的溫度系數(shù)由2.8%/℃降低到了0.3%/℃,實(shí)現(xiàn)了MPPC增益的閉環(huán)控制。

1.4 反符合屏蔽探測(cè)器

作為主動(dòng)式屏蔽探測(cè)器,12個(gè)側(cè)面反符合屏蔽探測(cè)器和6個(gè)頂面反符合屏蔽探測(cè)器包裹在主探測(cè)器的前面和側(cè)面,可以有效壓低主探測(cè)器前向2π立體角內(nèi)帶電粒子引起的本底,排列方式見圖4。為了得到好的屏蔽效果,反符合屏蔽探測(cè)器單體探測(cè)效率均優(yōu)于95%。每個(gè)反符合屏蔽探測(cè)器的信號(hào)都由高能電控箱處理,當(dāng)信號(hào)幅度超過預(yù)設(shè)的閾值時(shí)(該閾值可以通過地面指令調(diào)節(jié)),高能電控箱內(nèi)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)反符合信號(hào),并在同時(shí)產(chǎn)生的主探測(cè)器事例數(shù)據(jù)中的相應(yīng)位置打上標(biāo)簽,供離線數(shù)據(jù)分析時(shí)使用。

圖4 反符合屏蔽探測(cè)器陣列及單體結(jié)構(gòu)Fig.4 Configuration of HVT(high energy veto)detector array and modules

1.5 粒子監(jiān)測(cè)器

高能望遠(yuǎn)鏡配置了3個(gè)完全相同的粒子監(jiān)測(cè)器,能為衛(wèi)星平臺(tái)提供高能帶電粒子流強(qiáng)異常升高的預(yù)警信息。當(dāng)衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí),特別是經(jīng)過輻射帶南大西洋異常(SAA)區(qū)時(shí),粒子監(jiān)測(cè)器連續(xù)3 s計(jì)數(shù)率超過預(yù)設(shè)的報(bào)警閾值,衛(wèi)星數(shù)管系統(tǒng)就會(huì)關(guān)閉高能望遠(yuǎn)鏡其他探測(cè)器光電倍增管的高壓,以避免其損壞。

1.6 高能電控箱和高能配電箱

高能電控箱和高能配電箱共同組成了高能望遠(yuǎn)鏡的指令控制和信息處理中心。高能電控箱負(fù)責(zé)高能望遠(yuǎn)鏡各探測(cè)器信號(hào)的處理及控制,并通過低壓差分信號(hào)接口(LVDS)和1553B總線與衛(wèi)星數(shù)管系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。高能電控箱同時(shí)接收來自衛(wèi)星平臺(tái)的時(shí)間同步信號(hào)(GPS秒信號(hào))和5 MHz高精度時(shí)鐘信號(hào),以保證高能望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到的每個(gè)物理事例時(shí)間信息的準(zhǔn)確性。高能配電箱負(fù)責(zé)為高能電控箱和高能望遠(yuǎn)鏡各探測(cè)器單機(jī)提供二次電源,執(zhí)行遙控指令,生成部分遙測(cè)信號(hào)和數(shù)據(jù)。

1.7 工作模式

高能望遠(yuǎn)鏡在軌工作模式分為正常工作模式和低高壓模式2種。在正常工作模式下,NaI(Tl)晶體為有效探測(cè)器;低高壓模式下,CsI(Na)晶體為有效探測(cè)器。2種模式下CsI(Na)都可用于監(jiān)測(cè)伽馬射線暴。

在高能望遠(yuǎn)鏡正常工作模式下,CsI(Na)晶體對(duì)γ光子的探測(cè)能量范圍為40～600 ke V,考慮到能量小于200 keV的γ光子很難穿透HXMT衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)體到達(dá)CsI(Na)晶體,而且大多數(shù)伽馬射線暴的峰值能量在60～600 keV,為了能較好地測(cè)量伽馬射線暴的能譜,使探測(cè)能區(qū)覆蓋幾萬電子伏特至幾兆電子伏特,專門設(shè)計(jì)了低高壓工作模式,即將主探測(cè)器光電倍增管高壓降低,改變系統(tǒng)增益為原來的1/5,同時(shí)關(guān)閉在軌標(biāo)定的自動(dòng)增益控制功能。

2 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

目前,HXMT衛(wèi)星已在軌運(yùn)行1年多,高能望遠(yuǎn)鏡各項(xiàng)功能正常,性能穩(wěn)定,技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1 脈沖形狀甄別

由于NaI(Tl)晶體和CsI(Na)晶體發(fā)光衰減時(shí)間常數(shù)的差別,采用脈沖形狀甄別技術(shù)可以根據(jù)脈沖寬度有效區(qū)分NaI事例和CsI事例,圖5給出了1個(gè)主探測(cè)器單體對(duì)2種事例的甄別能力。脈沖寬度為50～70道(1道對(duì)應(yīng)1/48μs)的事例對(duì)應(yīng)NaI事例,脈沖寬度為91～120道的事例對(duì)應(yīng)CsI信號(hào),二者之間的為混合事例,2種事例的脈沖寬度峰位保持穩(wěn)定,不隨主探測(cè)器高壓及入射光子能量變化。根據(jù)18個(gè)主探測(cè)器在軌的脈沖寬度譜,可以給出18個(gè)主探測(cè)器的脈沖形狀甄別優(yōu)度QPSA為2.2～2.4,該性能在軌期間未發(fā)生變化。QPSA定義如下。

式中:HNaI和HCsI分別為脈沖寬度譜上NaI和CsI事例的峰位;ΔHNaI和ΔHCsI分別為2個(gè)峰的FWHM。

在軌運(yùn)行結(jié)果表明,高能望遠(yuǎn)鏡主探測(cè)器設(shè)計(jì)有效。離線數(shù)據(jù)處理中選擇脈沖寬度為50～70道的純NaI事例,便可有效壓低本底及康普頓事例;同時(shí)下傳的脈沖寬度大于70道的CsI事例,可用于實(shí)現(xiàn)伽馬射線暴的監(jiān)測(cè)。

圖5 主探測(cè)器單體的脈沖甄別性能Fig.5 Pulse shape discrimination performance of main detector module

2.2 主探測(cè)器能譜及探測(cè)能區(qū)

在某次空天區(qū)觀測(cè)中,18個(gè)主探測(cè)器單體在正常工作模式及低高壓模式下的本底譜,如圖6和圖7所示(圖中不同顏色代表不同的主探測(cè)器單體)。對(duì)本底的標(biāo)定結(jié)果顯示:在正常工作模式下,NaI(Tl)晶體的探測(cè)能區(qū)覆蓋20～300 keV,CsI(Na)晶體的探測(cè)能區(qū)覆蓋50～800 ke V;低高壓模式下,CsI(Na)晶體的探測(cè)能區(qū)覆蓋200 keV～3 Me V。上述結(jié)果表明,高能望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)能區(qū)符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 18個(gè)主探測(cè)器單體在正常工作模式下的本底譜Fig.6 Observed background spectra in normal mode detected by 18 main detector modules

2.3 其他功能

在軌所有主探測(cè)器59.5 keV標(biāo)定事例形成的標(biāo)定譜峰位都長(zhǎng)期穩(wěn)定在50道,說明自動(dòng)增益控制工作正常。根據(jù)對(duì)標(biāo)定譜59.5 keV處能量分辨率的監(jiān)測(cè),主探測(cè)器在入軌運(yùn)行3個(gè)月后性能趨于穩(wěn)定,整體探測(cè)器能量分辨率滿足優(yōu)于19%的要求。根據(jù)對(duì)各主探測(cè)器時(shí)間間隔譜的分析,得到的系統(tǒng)死時(shí)間小于6μs,系統(tǒng)的相對(duì)時(shí)間精度為±2μs,遠(yuǎn)優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)中時(shí)間分辨率好于25μs的要求,可滿足對(duì)亮源的觀測(cè)需求。

3 結(jié)束語(yǔ)

高能望遠(yuǎn)鏡在掃描成像算法和儀器研制方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化,是真正建立在原創(chuàng)的算法思想上具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的空間望遠(yuǎn)鏡。它在軌運(yùn)行1年多,功能正常,性能穩(wěn)定。其采用NaI(Tl)/CsI(Na)復(fù)合晶體探測(cè)器,實(shí)際探測(cè)能區(qū)為20～300 ke V,總探測(cè)面積約5100 cm2,時(shí)間分辨率優(yōu)于6μs,能量分辨率優(yōu)于19%(在59.5 ke V時(shí)),具有對(duì)空間X射線源進(jìn)行快速光變響應(yīng)、能譜響應(yīng)及掃描成像的能力。CsI(Na)晶體用作伽馬射線暴監(jiān)視器,探測(cè)能區(qū)為50～800 ke V(正常模式)和200 ke V～3 Me V(低高壓模式),在對(duì)應(yīng)能區(qū)內(nèi)是目前空間天文衛(wèi)星中探測(cè)面積最大的伽馬射線暴探測(cè)器,已在伽馬射線暴觀測(cè),尤其是短暴時(shí)變特性及引力波電磁對(duì)應(yīng)體觀測(cè)方面發(fā)揮作用[12]。

參考文獻(xiàn)(References)

[1]F Frontera,E Costa,D Dal Fiume,et al．The high energy instrument PDS on-board the BeppoSAX X-ray astronomy satellite[J]．Astronomy&Astrophysics Supplement Series,1997,122(2):357-369

[2]R E Rothschild,P R Blanco,D E Gruber,et al．Inflight performance of the high energy X-ray timing experiment on the Rossi X-ray timing explorer[J]．The Astrophysical Journal,1998,496:538-549

[3]C Winkler,T J-L Courvoisier,G Di Cocco,et al．The INTEGRAL mission[J]．Astronomy&Astrophysics,2003,411:1-6

[4]Barthelmy Scott D,Barbier Louis M,Cummings Jay R,et al．The Burst Alert Telescope(BAT)on the SWIFT midex mission[J]．Space Science Reviews,2005,120:143-164

[5]Fione A Harrison,William W Craig,Finn E Christensen,et al．The Nuclear Spectroscopic Telescope Array(NuSTAR)high-energy X-ray mission[J]．The Astrophysical Journal,2013,770:103

[6]盧方軍,徐玉朋,張帆,等．硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星及其科學(xué)目標(biāo)[J]．現(xiàn)代物理知識(shí),2016(4):4-11 Lu Fangjun,Xu Yupeng,Zhang Fan,et al．The hard X-ray modulation telescope and its scientific objectives[J]．Modern Physics,2016(4):4-11(in Chinese)

[7]劉聰展．HMXT/HE望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)和建造[J]．現(xiàn)代物理知識(shí),2016(4):12-16 Liu Congzhan．Design and construction of HE telescope onboard HXMT[J]．Modern Physics,2016(4):12-16(in Chinese)

[8]Li Tipei,Wu Mei．A direct method for spectral and image restoration[C]//Proceedings of the Astronomical Data Analysis Software&Systems I．SanFrancisco:A．S．P．Conference Series,1992:229-231

[9]Li Tipei,Wu Mei．A direct restoration method for spectral and image analysis[J]．Astrophysics and Space Science,1993,206(1):91-102

[10]Li Tipei,Wu Mei．Reconstruction of objects by direct demodulation[J]．Astrophysics and Space Science,1994,215(2):213-227

[11]Li Zhengwei,Liu Congzhan,Xu Yupeng,et al．A novel analog power supply for gain control of the Multi-Pixel Photon Counter(MPPC)[J]．Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A,2017,850(1):35-41

[12]Li Tipei,Xiong Shaolin,Zhang Shuangnan,et al．Insight-HXMT observations of the first binary neutron star merger GW170817[J]．Science China Physics,Mechanics&Astronomy,2018,61(3):1-8