硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星低能望遠鏡設(shè)計與驗證

陳勇 崔葦葦 李煒 王娟 韓大煒 王于仨陳田祥 張藝 楊彥佶 霍嘉

(中國科學(xué)院高能物理研究所,北京 100049)

硬X射線調(diào)制望遠鏡(HXMT)衛(wèi)星[1]于2107年6月15日成功發(fā)射。HXMT衛(wèi)星搭載高能、中能和低能望遠鏡3種主要有效載荷,它們的能區(qū)相互銜接,覆蓋1～250 ke V的寬能區(qū)。

低能望遠鏡[2]的基本功能是在軟X射線能段進行巡天及定點觀測,擴展HXMT衛(wèi)星的科學(xué)產(chǎn)出。其科學(xué)及技術(shù)目標為:完成高能量分辨率(150 eV)、高靈敏度的軟X射線巡天;研究宇宙軟X射線背景;在定點觀測模式下,研究X射線雙星等天體的能譜與時變;探索脈沖星導(dǎo)航技術(shù)。為了實現(xiàn)這些目標,本文設(shè)計了準直型的低能望遠鏡,它具有較好的能量分辨率和時間分辨率,抗堆積能力強[2],可滿足科學(xué)和技術(shù)目標的需求。

1 低能望遠鏡設(shè)計

給低能電控箱,再由電控箱轉(zhuǎn)發(fā)給衛(wèi)星平臺。與國際上采用CCD類探測器的X射線天文衛(wèi)星,如“牛頓”(XMM-Newton)、“錢德拉”(Chandra)等相比,低能望遠鏡的CCD面積最大、路數(shù)最多,其整片讀出時間為1 ms,也是目前國際上最快的。

為了實現(xiàn)上述科學(xué)及技術(shù)目標,低能望遠鏡應(yīng)達到如表1所示的主要技術(shù)指標。為此,低能望遠鏡采用準直器的構(gòu)型,低能探測器采用掃式電荷器件(SCD)。低能望遠鏡由3個完全相同的低能探測器機箱和1個低能電控箱組成(見圖1),其組成原理框圖見圖2。低能探測器接收X射線,將能量信息轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出,經(jīng)過放大后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,發(fā)送

表1 低能望遠鏡主要技術(shù)指標Table 1 Main performance indexes of low energy telescope

圖1 低能望遠鏡設(shè)備構(gòu)成Fig.1 Configuration of low energy telescope

圖2 低能望遠鏡組成原理框圖Fig.2 Block diagram of low energy telescope components

1.1 低能探測器機箱

低能探測器機箱由上機箱和下機箱兩部分組成(見圖3),它們之間通過撓性電路板連接。上機箱主要放置低能探測器,下機箱主要放置讀出電子學(xué)設(shè)備[3]。

圖3 低能探測器機箱結(jié)構(gòu)Fig.3 Low energy detector box configuration

低能探測器采用SCD(CCD236)[4]。每個低能探測器模塊有4路低能探測器(CCD236),每個探測器機箱里有32路低能探測器(即8個低能探測器模塊),因此低能望遠鏡總共包含96路低能探測器。與普通CCD相比,CCD236的整片讀出時間非常短,可達1 ms,這使得低能望遠鏡具有良好的時間分辨率。此外,與聚焦型望遠鏡相比,來自天體源的光子流量被低能望遠鏡近百路低能探測器分散接收,因而低能望遠鏡的抗堆積能力有本質(zhì)性提高。同時,低能望遠鏡還擁有CCD類探測器的優(yōu)良能量分辨率。綜上所述,低能望遠鏡非常適合觀測亮源的時變和能譜。

在低能探測器上有不同視場、不同長度的準直器,主要有小視場、大視場、全天監(jiān)視和盲準直器4種。準直器外有遮光罩。不同視場的設(shè)置,可用于在軌估計各類空間背景。因此,3個低能探測器機箱在掃描觀測模式下可進行解調(diào)成像,這對發(fā)現(xiàn)和研究天體暫現(xiàn)源和爆發(fā)有重要意義。

低能探測器的工作溫度較低(－30～－80℃),為保證其工作性能,在結(jié)構(gòu)設(shè)計上盡量采用不接觸或隔熱材料接觸,以降低熱源對低能探測器的影響[5]。上、下機箱的分體設(shè)計,可有效降低下機箱電子學(xué)熱耗對低能探測器的影響。

低能探測器下機箱由5層共9塊電路板組成:2個前端模塊、4個數(shù)據(jù)獲取模塊、2個驅(qū)動模塊和1個配電及控制模塊(見圖4)。在前端模塊上完成16路低能探測器信號和啞輸出信號做差放大,以及16路CCD偏置電壓的分配。1個數(shù)據(jù)獲取模塊處理8路前端模塊做差后的模擬信號,進行相關(guān)雙采樣、二次放大和反向,然后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于配電及控制模塊上FPGA輸出的時鐘信號不能滿足CCD的工作電平需要,在驅(qū)動模塊完成時鐘的電平轉(zhuǎn)換,提供給CCD。配電及控制模塊負責整個機箱各板卡的電壓分配,同時通過LVDS接口和電控箱通信,收發(fā)指令。

圖4 低能探測器機箱功能框圖Fig.4 Functional block diagram of low energy detector box

1.2 低能電控箱

低能電控箱由電源模塊、監(jiān)控模塊及數(shù)據(jù)管理模塊組成,實現(xiàn)低能望遠鏡的數(shù)據(jù)管理、與衛(wèi)星數(shù)管系統(tǒng)和數(shù)傳系統(tǒng)通信、狀態(tài)監(jiān)控及二次電源的供電等功能;負責低能望遠鏡與衛(wèi)星平臺所有接口[6]。低能電控箱組成框圖見圖5。

電源模塊產(chǎn)生低能望遠鏡需要的所有二次電源,電壓穩(wěn)定度在3%以內(nèi)。監(jiān)控模塊用來監(jiān)測低能望遠鏡的各類狀態(tài)參數(shù)。作為空間天文觀測項目,低能望遠鏡具有數(shù)據(jù)量大、必要時更新處理軟件、需要在軌設(shè)置參數(shù)較多、扣除背景過程復(fù)雜、易受宇宙環(huán)境影響、對時間精度要求較高的特點,對配套數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)提出了高速傳輸、在線處理數(shù)據(jù)和高可靠性等要求。因此,在數(shù)據(jù)管理模塊的設(shè)計中,使用FPGA完成數(shù)據(jù)傳輸。同時,使用數(shù)字信號處理器(DSP)完成衛(wèi)星上數(shù)據(jù)處理、自動閾值調(diào)節(jié)、直接采集低能探測器溫度電壓值、低能探測器驅(qū)動電壓調(diào)節(jié)等功能。以上設(shè)計實現(xiàn)在軌計算,能譜和計數(shù)率結(jié)果直接經(jīng)1553B總線傳輸,有利于盡快獲取重要科學(xué)結(jié)果。

圖5 低能電控箱組成Fig.5 Low energy electric control box components

2 在軌驗證

低能望遠鏡經(jīng)過1年多的在軌運行,功能正常,性能穩(wěn)定,各項指標均符合預(yù)期,目前已成功觀測多個天體源。低能電控箱指令正常接收執(zhí)行;數(shù)據(jù)正常下傳,無錯誤;低能電控箱在軌測試指標都符合最初設(shè)計值(見表2),滿足低能望遠鏡科學(xué)觀測和工程目標需求。

表2 低能電控箱指標Table 2 Indexes of low energy electric control box

在軌定點觀測模式下,實測低能探測器溫度一般在－40～－55℃;在全天巡天模式下,低能探測器可達到溫度最低的工況,實測一般在－60～－70℃。

通過每片低能探測器能譜的噪聲峰,可以獲得低能探測器讀出噪聲信息。噪聲峰決定了低能探測器的能量分辨率和低能段探測閾值,是低能探測器的重要性能指標之一。低能望遠鏡在軌測量的讀出噪聲分布與地面測試基本一致,見圖6。

低能望遠鏡共有6個盲探測器(用金屬片將探測器的視場全部遮擋起來),其中3個裝有Fe-55放射源,用于在軌標定。利用這3個盲探測器中的Fe-55放射源,在軌實測了探測器的能量分辨率,能譜見圖7。在軌實測與相同條件下的地面測試結(jié)果基本一致,都優(yōu)于200e V(在5.9 keV時),滿足設(shè)計要求450 e V(在5.9 ke V時),參數(shù)對比見表3。

盲探測器的能譜可以反映儀器的粒子本底。利用低能望遠鏡的3個無放射源盲探測器,獲得了在軌粒子本底能譜,見圖8。由圖8可見,分布于不同機箱的盲探測器能譜譜型一致,在低能段能譜計數(shù)比較低且平坦,從900道(7.7 ke V)左右開始計數(shù)明顯增加,一直增加到探測器高能段,這是由于空間帶電粒子在探測器耗盡層沉積的能量主要在這一能段。

圖6 96路低能探測器在軌讀出噪聲分布Fig.6 Distribution of in-orbit readout noises of 96 low energy detectors

圖7 3個低能探測器機箱在軌盲探測器Fe-55放射源能譜Fig.7 In-orbit spectra of blind detectors Fe-55 radioactive sources in 3 low energy detector boxes

表3 3個低能探測器機箱地面與在軌能量分辨率對比Table 3 Comparison of energy resolutions of 3 low energy detector boxes on ground and in orbit

圖8 低能望遠鏡無放射源盲探測器能譜Fig.8 Spectra of low energy telescope blind detectors without radioactive source

利用低能望遠鏡的長曝光觀測模式,在軌實際測量了其時間響應(yīng)譜,見圖9。前20個信號由低能探測器轉(zhuǎn)移的通道產(chǎn)生,其像素面積很小;之后的98個像素是SCD的主體部分(圖9中藍色部分),由于SCD像素離讀出端越遠,像素面積越大,因此計數(shù)隨像素逐漸變大;后面的32個像素是驅(qū)動時鐘最后的32個讀出周期,將之前轉(zhuǎn)移過程中又收集到的信號電荷轉(zhuǎn)移出來。前面20個像素和后面32個像素的計數(shù)基本一致且計數(shù)很少,說明SCD主體部分整片讀出時間為0.98 ms,與預(yù)期一致且滿足設(shè)計指標。

圖9 低能望遠鏡時間響應(yīng)Fig.9 Time response of low energy telescope

在軌運行后,低能望遠鏡根據(jù)空間背景和低能探測器噪聲峰寬度,把實際工作能段設(shè)定為0.7～13.0 keV。

3 結(jié)束語

HXMT衛(wèi)星低能望遠鏡是采用SCD探測器的準直型望遠鏡,在軌運行1年多來,其各項指標正常,性能良好。低能望遠鏡具有同能段國際最大的X射線CCD陣列,同時擁有高能量分辨率和良好的時間分辨率,抗堆積能力強,在研究HXMT衛(wèi)星觀測天體的輻射機制、溫度、組成元素、輻射區(qū)域結(jié)構(gòu)等方面都有中能望遠鏡和高能望遠鏡無法替代的重要作用。

參考文獻(References)

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