面向脈沖星深空基準(zhǔn)建立的X射線望遠鏡及發(fā)展設(shè)想

周慶勇，魏子卿，雷耀虎，劉思偉，郝曉龍，吳富梅，楊彥佶，強鵬飛

1．地理信息工程國家重點實驗室，西安 710054 2．西安測繪研究所，西安 710054 3．深圳大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院 教育部/廣東省光電子器件與系統(tǒng)重點實驗室，深圳 518060 4．北京通信與跟蹤技術(shù)研究所，北京 100090 5．中國科學(xué)院 高能物理研究所 粒子天體物理重點實驗室，北京 100049 6．中國科學(xué)院 西安光學(xué)精密機械研究所 瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點實驗室，西安 710119

深空為國家利益的“高邊疆”，國家戰(zhàn)略的新制高點。一個航天強國為維護國家利益和太空權(quán)益，必須大力發(fā)展進入、利用和控制太空的能力。深空基準(zhǔn)是指通過觀測恒星、脈沖星、行星等天體建立的參考標(biāo)準(zhǔn)，是地球空間基準(zhǔn)的拓展和延伸，是開展深空探測活動的基礎(chǔ)［1］，主要解決飛行器“在哪里”和“去哪里”等基本問題。當(dāng)前深空基準(zhǔn)的建立主要是利用地面射電觀測手段，為許多深空飛行器探測太陽系內(nèi)行星、彗星和小行星提供保障。隨著利益博弈，航天大國紛紛提出新的深空探測長遠規(guī)劃或任務(wù)計劃，美國希望在2033年將宇航員送上火星［2］。中國明確提出深空探測三步走戰(zhàn)略規(guī)劃，將圍繞月球的探索、開發(fā)和利用，小行星和彗星探測，小行星、火星采樣返回，木星及其衛(wèi)星探測、太陽系邊際探測及行星際穿越等方面，積極培育、穩(wěn)步實施［3-4］?？梢灶A(yù)見，隨中國深空探測活動增多和飛行距離的增加，對高精度、高實時性深空基準(zhǔn)的需求日益迫切。然而基于傳統(tǒng)方法構(gòu)建的深空基準(zhǔn)精度隨著作用距離增大而急劇下降，因此，希望尋找一種深空基準(zhǔn)自主構(gòu)建的技術(shù)，以減少對地面測控網(wǎng)的依賴，并提升飛行器導(dǎo)航精度及其自主性。自1967年發(fā)現(xiàn)首顆脈沖星后［5］，科學(xué)家便意識到脈沖星在時空基準(zhǔn)建設(shè)中潛在應(yīng)用價值［6-8］。X射線脈沖星是高速旋轉(zhuǎn)且自轉(zhuǎn)頻率極其穩(wěn)定的中子星［9］，其位置坐標(biāo)可精確測定［10］，猶如恒星星表一樣構(gòu)成一種高精度慣性參考系；它們輻射的脈沖信號具有高穩(wěn)定周期和高穩(wěn)態(tài)輪廓特性，部分毫秒脈沖星自轉(zhuǎn)頻率長期穩(wěn)定度優(yōu)于地面原子鐘，因此能夠為飛行器深空航行提供良好的時間和空間參考基準(zhǔn)［11］。當(dāng)前，中國具備一定的深空探測能力，但深空基準(zhǔn)建設(shè)總體上處于較低的水平，嚴(yán)重依賴于西方發(fā)達國家，特別是在關(guān)鍵器件和設(shè)備上。

遙遠的毫秒脈沖星可構(gòu)建類似導(dǎo)航衛(wèi)星的星座，形成一個服務(wù)范圍更廣的時空基準(zhǔn)服務(wù)信息系統(tǒng)。脈沖星信號不受人為干擾，安全性高，是深空飛行器極好的天然導(dǎo)航信標(biāo)［12-13］。X射線毫 秒 脈 沖 星 計 時 觀 測 的 用 途 在 于［7，14］：① 提 供一種獨立自主的時空基準(zhǔn)服務(wù)，實現(xiàn)安全自主的全域?qū)Ш椒?wù)。需要指出的是，盡管當(dāng)前脈沖星導(dǎo)航授時精度在近地空間無法與地基導(dǎo)航或衛(wèi)星導(dǎo)航媲美，但該技術(shù)在近地空間的可用性毋庸置疑；② 為高價值衛(wèi)星提供一種自主導(dǎo)航的冗余手段，提升大范圍長航時的自主導(dǎo)航能力和在軌自主運行能力，提高中國控制空間的本領(lǐng)；③ 是當(dāng)前超遠距離空間唯一的自主導(dǎo)航手段，能增強遠離地面測控臺站作用距離的飛行器的自主導(dǎo)航能力，為中國未來的深空探測如太陽系邊際探測提供支持［14］。隨著對自主導(dǎo)航的迫切需求和相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，脈沖星導(dǎo)航終究將會變成現(xiàn)實，從而開啟全新的深空自主導(dǎo)航時代。

美國非常重視脈沖星時空基準(zhǔn)建設(shè)及應(yīng)用［15-17］。21世紀(jì)初，美國國防高級研究計劃局（De?fense Advanced Research Projects Agency，DARPA）提出了“基于X射線源的自主導(dǎo)航定位驗證”計劃，其目標(biāo)是能夠為飛行器在太陽系內(nèi)任意位置提供獨立于全球定位系統(tǒng)（Global Position?ing System，GPS）的自主導(dǎo)航能力［16］。2015年6月，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）將脈沖星自主導(dǎo)航與X射線通信作為“革命性概念”列入其空間發(fā)展規(guī)劃（2015—2035年），并計劃將X射線脈沖星導(dǎo)航技術(shù)用于2027年和2033年的火星探測計劃［18］。與此同時，2017年，NASA啟動了“X射線計時與導(dǎo)航技術(shù)的空間站在軌驗證試驗”（ Station Explorer for X-ray Timing and Naviga?tion Technology，SEXTANT）項目，利用在國際空間站上搭載的中子星內(nèi)部組成探測器（Neu?tron star Interior Composition Explorer，NICER），在國際上首次開展了觀測毫秒脈沖星的導(dǎo)航技術(shù)試驗，成功將空間站位置誤差收斂到16 km范圍，最好可達5 km［19-20］。美國正積極利用其深空探測網(wǎng)開展脈沖星觀測，以期為其將來脈沖星深空自主導(dǎo)航提供星歷參數(shù)支持［21-22］，并計劃2023年利用其月球探測器開展一次更遠距離的脈沖星導(dǎo)航空間試驗［23］。此外，毫秒脈沖星能夠提供一種獨立的基于遙遠自然天體并持續(xù)數(shù)百萬乃至數(shù)十億年的時間基準(zhǔn)，稱為脈沖星時，具有高穩(wěn)定性、全自主性和全宇宙性的特點，可駕馭原子鐘長期穩(wěn)定度，服務(wù)范圍廣，在時頻基準(zhǔn)建設(shè)方面有良好的應(yīng)用前景［11］。2010年，DARPA提 出 了X 射 線 計 時（X-ray Timing， XTIM）計劃［17］，XTIM是一套用X射線脈沖星為美國空間資產(chǎn)提供自主定時和定位的系統(tǒng)，獨立并補充GPS。2019年，NASA公布SEXTANT項目2年觀測數(shù)據(jù)實現(xiàn)天基脈沖星時年穩(wěn)約3×10?14［24］。2018年 歐 空 局（European Space Agency，ESA）啟動了地基脈沖星時試驗項目PulChron，其目的是監(jiān)測和改善伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時間的長期穩(wěn)定性［25］。中國學(xué)者也開展大量的脈沖星時空基準(zhǔn)研究工作，利用國內(nèi)外X射線脈沖星空間觀測數(shù)據(jù)開展了導(dǎo)航性能分析［26-28］，利用國際脈沖星計時陣（International Pulsar Timing Arrary，IPTA）的毫秒脈沖星觀測數(shù)據(jù)開展脈沖星時穩(wěn)定性估計［29-30］，其中國防科大王奕迪博士在脈沖星導(dǎo)航誤差補償、計時模型抗差估計等方面做了很多開創(chuàng)性工作，推動中國在基于實測數(shù)據(jù)的深空基準(zhǔn)研究［28］。

脈沖星深空基準(zhǔn)在中國更加泛在、更加融合、更加智能的綜合PNT體系建設(shè)中占據(jù)著重要地位。根據(jù)中國綜合PNT發(fā)展體系構(gòu)想，脈沖星導(dǎo)航和授時技術(shù)是為深空用戶提供基準(zhǔn)信息的主要手段［31-32］。即使飛行器遠離地球，脈沖星深空基準(zhǔn)誤差并不會急劇增大，將與地基深空網(wǎng)形成重要的互補作用。在國家綜合PNT體系中，通過空間X射線和地面射電頻段同時觀測毫秒脈沖星，還可實現(xiàn)高精度的天地時間溯源［11］。

建設(shè)中國自主的X射線脈沖星導(dǎo)航授時系統(tǒng)，形成脈沖星深空基準(zhǔn)自主建立、維持與精化能力，擺脫長期依賴國外的不利局面，有利于爭取“高邊疆”戰(zhàn)略主動權(quán)。X射線脈沖星展示了其在國家綜合PNT、深空基準(zhǔn)建設(shè)中良好的應(yīng)用前景，然而最基礎(chǔ)性、最關(guān)鍵的工作是高效精確地探測來自脈沖星的X射線光子，因此研制出滿足需求的X射線望遠鏡是實現(xiàn)脈沖星導(dǎo)航授時、建立自主脈沖星深空基準(zhǔn)的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 性能需求分析

脈沖星深空基準(zhǔn)的建立需要X射線望遠鏡、導(dǎo)航授時算法及脈沖星參數(shù)庫等要素的支持。相比于地球空間基準(zhǔn)，脈沖星深空基準(zhǔn)的建設(shè)涉及更大的時空參考框架，其數(shù)據(jù)處理一般在太陽質(zhì)心參考系中解算。首先，X射線望遠鏡記錄每個到達光子的本地時空坐標(biāo)，獲取脈沖到達時間（Time of Arrival，TOA）、多普勒頻移等觀測量，再融合脈沖星星歷參數(shù)和軌道動力學(xué)信息，經(jīng)導(dǎo)航濾波算法解算，最終得到導(dǎo)航和授時信息［13］。若準(zhǔn)確知道飛行器空間位置，可更加精確地建立脈沖星時。X射線望遠鏡作為脈沖星導(dǎo)航授時系統(tǒng)的“眼睛”，用于獲取脈沖TOA等基本觀測量。通過對X射線光子序列按照脈沖星自轉(zhuǎn)參數(shù)折疊得到觀測脈沖輪廓，然后與標(biāo)準(zhǔn)輪廓模板比較，得到脈沖TOA。其精度與X射線光子時間測量精度和信號信噪比息息相關(guān)，直接影響著脈沖星導(dǎo)航授時精度，因而發(fā)展高性能X射線望遠鏡對于整個脈沖星深空基準(zhǔn)建設(shè)至關(guān)重要。美國近年之所以率先成功實現(xiàn)X射線脈沖星導(dǎo)航授時空間試驗，就是因為NASA研制出高性能的X射線計時儀器（X-ray Timing Instrument，XTI），能高精度且高效地測量來自脈沖星的X射線光子時間、能量等信息。

研制一款性能先進的X射線望遠鏡，開展與之相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)研究，力推中國脈沖星導(dǎo)航授時空間試驗，使其試驗結(jié)果優(yōu)于當(dāng)前美國SEXTANT的結(jié)果，為中國將來脈沖星深空基準(zhǔn)建立奠定基礎(chǔ)。通過論證分析和進一步優(yōu)化，脈沖星導(dǎo)航精度能夠優(yōu)于1 km，脈沖星時十年穩(wěn)定度可達10?15，便于將來的深空探測器提供自主導(dǎo)航授時服務(wù)［13］。公里級導(dǎo)航服務(wù)需要脈沖TOA測量精度優(yōu)于3 μs，而高穩(wěn)定授時服務(wù)需要脈沖TOA精度達到300 ns，這就要求為高精度脈沖星時空基準(zhǔn)建立設(shè)計的X射線望遠鏡，應(yīng)具有有效面積大、時間響應(yīng)快、角分辨好、噪聲低、重量輕等特點，對其基本要求如下：

1） 具有高探測效率和足夠大的有效面積（應(yīng)>0.3 m2@1 keV），且易模塊化拼接。毫秒X射線脈沖星信號流量一般<10?3cts·cm?2·s?1，高效地收集來自脈沖星的光子是X射線望遠鏡的首要任務(wù)。

2） 具有優(yōu)良的時間測量精度，時間分辨率高（應(yīng)優(yōu)于1 μs），能夠?qū)庾有盘柨焖僮R別，且信號轉(zhuǎn)移時延小。

3） 具有良好的能量分辨率，探測范圍覆蓋軟X射線能段（0.3～5 keV）［33］。脈沖星的X射線能譜為冪律譜，能量越低光子數(shù)越多。

4） 具有良好的空間分辨率（應(yīng)優(yōu)于1′），能夠?qū)γ}沖星實施精準(zhǔn)觀測，抑制脈沖星星云、彌散空間背景等噪聲源的影響。

此外，面對未來任務(wù)需要，X射線望遠鏡還須考慮成本、重量、體積、功耗、自主可控等約束條件。

2 技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

X射線望遠鏡主要由聚焦光學(xué)系統(tǒng)和探測器2部分組成，前者負(fù)責(zé)X射線光子的收集，后者對其進行光電轉(zhuǎn)換及信號讀出。

2.1 X射線聚焦光學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀

X射線光學(xué)系統(tǒng)有聚焦型和準(zhǔn)直型2種類型，由于毫秒脈沖星X射線輻射信號微弱，且空間彌散宇宙背景噪聲，聚焦型光學(xué)系統(tǒng)更有利于背景抑制，提高信噪比，而準(zhǔn)直型光學(xué)系統(tǒng)常用于強源觀測。X射線光子波長短、能量大、穿透力強，難以通過常規(guī)可見光學(xué)方法對X射線聚焦。目前X射線望遠鏡的聚焦主要基于X射線掠入射現(xiàn)象，即X射線光子以小角度 （一般<3°）入射到超光滑的物質(zhì)表面時形成全反射，此外幾種折射聚焦的特殊結(jié)構(gòu)，如菲涅爾波帶片，主要用于實驗室強X射線的聚焦，對弱源不適用。根據(jù)掠入射反射結(jié)構(gòu)的不同，聚焦型望遠鏡主要有Kirkpatrick-Baez （KB）型、Wolter型和微孔光學(xué)陣列等結(jié)構(gòu)［34］，這些光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點見表1。KB型光學(xué)系統(tǒng)由一組相互垂直的反射鏡構(gòu)成，分別在水平和垂直方向提供聚焦［35］。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，聚焦效率較高，然而鏡面加工難度較大，且體積、重量大，主要用于地面同步輻射裝置上。Wolter型包括I、II和III這3種設(shè)計模式，空間觀測常用的是結(jié)構(gòu)簡單、易于嵌套的Wolter-I型。Wolter-I型光學(xué)系統(tǒng)是由一組共焦的拋物面鏡和雙曲面鏡構(gòu)成，X射線光子經(jīng)2次反射聚焦，有助于克服單個曲面反射鏡存在的像差問題［36］。Wolter-I型光學(xué)系統(tǒng)對X射線光子具有較高的聚焦效率，當(dāng)前主要大型X射線空間觀測衛(wèi)星均采取這種聚焦系統(tǒng)，典型衛(wèi)星代表為Chandra和XMM-Newton。盡管Wolter-I型具有很高的軸上分辨率，但該結(jié)構(gòu)中非球面鏡的制作難度很大，為此，20世紀(jì)80年代提出了一種圓錐近似Wolter-I型結(jié)構(gòu)，將Wolter-I型結(jié)構(gòu)中的拋物-雙曲面鏡用圓錐-圓錐面代替［37-38］。微孔光學(xué)陣列是一種仿生光學(xué)系統(tǒng)，借鑒于龍蝦眼的聚焦結(jié)構(gòu)，由一些規(guī)則的、尺寸僅為微米級的正方形通道構(gòu)成，球面上每個通道都對入射的X射線光子進行聚焦［39］。硅基和玻璃基微孔光學(xué)陣列都具有系統(tǒng)體積小和重量輕的優(yōu)點。ESA將微孔光學(xué)陣列作為實現(xiàn)輕質(zhì)量X射線光學(xué)系統(tǒng)的一項技術(shù)，其水星探測器BepiColombo的X射線望遠鏡MIXS采用了微孔光學(xué)器件（Micro-Pore Op?tics， MPO）［40］。微孔光學(xué)陣列聚焦系統(tǒng)面密度低、視場大，可通過陣列形式擴展，但由于十字臂分散了部分能量，故其探測效率偏低，適合強源大區(qū)域巡天觀測。由于X射線毫秒脈沖星信號微弱，且存在較強的空間背景噪聲，對比上述4種X射線望遠鏡聚焦光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，Wolter-I 型或近似Wolter-I 型光學(xué)系統(tǒng)是當(dāng)前最適合毫秒脈沖星空間觀測的結(jié)構(gòu)。自Giacconi等［41］于20 世紀(jì)六七十年代開創(chuàng)空間X 射線天文觀測以來，人類已發(fā)射許多帶有X射線望遠鏡的空間觀測衛(wèi)星［42-44］，見表2［41，45-85］，包括HEAO-2（1978年）、ROSAT（1990年）、XMM-Newton（1999年）、Chandra（1999年）NuSTAR（2012年）和ASTRO-H（2016年），也包括中國將來國際大型合作項目eXTP（約2027年）、ESA和NASA的下一代旗艦級項目ATHENA（約2034年）和Lynx（約2036年）。從X射線空間觀測衛(wèi)星發(fā)展歷程來看［86］，X射線望遠鏡的性能越來越高，有效面積急劇增大，從幾十cm2發(fā)展到上千cm2，乃至將來的幾m2；角分辨率逐漸提高，從剛開始的幾角分提升到亞角秒；適應(yīng)科學(xué)任務(wù)對高分辨率的追求，望遠鏡的焦距也從典型的eROSITA衛(wèi)星1.6 m增加至將來的ATHENA衛(wèi)星的12 m。這些空間衛(wèi)星基本采用Wolter-I型聚焦光學(xué)系統(tǒng)，通過增加嵌套層數(shù)、增大集光口徑或鏡筒陣列化排列等方式來滿足X射線空間觀測對超大有效面積的需求［82，87］。針對脈沖星導(dǎo)航空間試驗，SEXTANT項目搭載了56個XTI陣列，每個XTI由24層鏡片嵌套而成，總有效面積達到1793 cm2@1.5 keV，大幅提高了X射線信號觀測的靈敏度和準(zhǔn)確度［65］，保證了其導(dǎo)航授時空間試驗的成功驗證，然而，其XTI采用單次掠入射聚焦，為非成像觀測方式。

表1 X射線望遠鏡結(jié)構(gòu)及其特點［34］Table 1 Structures and characteristics of X-ray telescopes

表2 國內(nèi)外聚焦型X射線望遠鏡項目匯總Table 2 Summary of focused X-ray telescope projects

續(xù)表

鏡片質(zhì)量是影響X射線望遠鏡性能的一項關(guān)鍵因素，不同的X射線望遠鏡鏡片制作方法甚至決定了其結(jié)構(gòu)類型。主要的鏡片制作方法包括直接拋光法、鋁基環(huán)氧復(fù)制法、鎳電鑄法、熱成形法、硅片彎曲法、以及單晶硅切片法［34］，各制作方法具體工藝這里不論述。直接拋光法所制鏡片面形精度高，成像質(zhì)量好，但造價昂貴且重量大。鋁基環(huán)氧復(fù)制法工藝簡單、成本低，但鏡片面形精度低，成像質(zhì)量較低。鎳電鑄法所制鏡片成形精度較高，成像質(zhì)量較好，但工藝復(fù)雜、對環(huán)境要求高。熱成形法鏡片薄、成本低、成形精度和成像質(zhì)量較好，但結(jié)構(gòu)易存在圓錐誤差，對抗發(fā)射沖擊要求高。硅片彎曲法和單晶硅切片法所制鏡片都具有成形精度高、成像質(zhì)量好、輕薄、可大量嵌套的特點［83，84］，但它們技術(shù)難度大、工藝復(fù)雜、環(huán)境要求高。為了提高X射線望遠鏡的角分辨率，一些學(xué)者提出了自適應(yīng)光學(xué)的方法［88］，包括為鏡片增加支撐結(jié)構(gòu)、使用壓電陶瓷或安裝電/磁驅(qū)動器等，這些方法增加了復(fù)雜性，降低了鏡片占空比和探測效率，NASA在Lynx項目光學(xué)系統(tǒng)第2階段的路線優(yōu)化中不再支持此類方案的探索［85］。

相同有效面積的聚焦型X射線光學(xué)系統(tǒng)的靈敏度比非聚焦型高，這是因為它有利于空間彌散本底噪聲的抑制，近年來國內(nèi)多家單位依托不同技術(shù)路線，開展了聚焦型X射線望遠鏡的研制［42-43］。中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所［89］、中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所［90］、同濟大學(xué)［34］基于玻璃熱彎工藝，哈爾濱工業(yè)大學(xué)［91］、中科院高能物理研究所［92］、北京控制工 程 研 究 所［64，93］基 于 鎳 電 鑄 法 分 別 研 制 了Wolter-I 型 X 射線聚焦鏡。2016年發(fā)射的脈沖星導(dǎo)航試驗衛(wèi)星搭載了中國首款Wolter-I型X射線望遠鏡，實現(xiàn)了脈沖星“看得見”的目標(biāo)［93］。計劃于2023年發(fā)射的中國愛因斯坦探針衛(wèi)星將搭載面積達600 cm2的Wolter-I型X射線望遠鏡［92］。此外，中國科學(xué)院國家天文臺、北京空間機電研究所等單位研制的國產(chǎn)龍蝦眼型X射線探測系統(tǒng)，將應(yīng)用于愛因斯坦探針衛(wèi)星和“龍蝦眼”太空望遠鏡上［92，94］。

2.2 X射線探測器的發(fā)展現(xiàn)狀

X射線望遠鏡的另一關(guān)鍵器件是X射線探測器，其主要利用光子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對效應(yīng)，將自身能量轉(zhuǎn)換為可量測的電或光信號，通過測量信號觸發(fā)時間和幅度來獲取光子TOA和能量［95-96］。近年，X射線探測器發(fā)展迅速、種類繁多，包括氣體探測器、微通道板型探測器、閃爍體探測器和半導(dǎo)體探測器，這些探測器的主要原理、技術(shù)特點及對應(yīng)部分衛(wèi)星應(yīng)用見表3［13］。氣體探測器需要密封，入射窗處的密封材料會吸收低能X射線光子，同時該密封材料也可能被宇宙微塵擊穿而導(dǎo)致氣體泄漏。半導(dǎo)體探測器能夠滿足脈沖星導(dǎo)航對時間、能量分辨率的要求，其中以硅漂移探測器（Silicon Drift Detector，SDD）、Si-PIN 像素型探測 器（Si-PIN Pixel Detector， SPD）為 代 表。SDD具有良好的能量與時間分辨率、并具有較寬的探測能段，且能在常溫下工作，因此近年來應(yīng)用廣泛，且已用于SEXTANT項目。SPD的像素尺寸在0.1～10 mm2之間，時間分辨率可達10 ns，在0.5～30 keV能段具有較高的探測效率，能量分辨率可達170 eV@5.9 keV。2006年，DARPA 支持的“基于X射線源的自主導(dǎo)航定位驗證（Xray Source Autonomous Navigation， XNAV）”計劃的技術(shù)方案建議采用美國麻省理工學(xué)院研制的SPD，該探測器需要專門的ASIC芯片讀出，技術(shù)壁壘高。得益于長達幾十年的技術(shù)積累，歐美在X射線探測器領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平，如英國e2V公司、德國KETEK公司、馬普學(xué)會半導(dǎo)體實驗室、美國Amptek公司等，其高端產(chǎn)品對華技術(shù)

表3 不同X射線探測器的比較及應(yīng)用［13］Table 3 Comparison and applications of different X-ray detectors［13］

2.3 深空基準(zhǔn)探測用X射線望遠鏡發(fā)展趨勢

現(xiàn)有絕大多數(shù)X射線望遠鏡的研制是為了天文學(xué)研究，而非面向脈沖星深空基準(zhǔn)的建立，但后者對探測設(shè)備性能的要求高于普通天文學(xué)研究的需要。高精度深空基準(zhǔn)建立要求X射線望遠鏡快速精確地記錄每個光子，得到高信噪比觀測信號。SEXTANT試驗已為脈沖星導(dǎo)航授時技術(shù)證實了良好應(yīng)用前景，脈沖星深空基準(zhǔn)建設(shè)需求代表著X射線望遠鏡的發(fā)展方向，具體要封鎖。中國在半導(dǎo)體探測器、微通道板探測器具有良好的技術(shù)積累［97-98］，并正積極地研制自主高性能硅基半導(dǎo)體探測器［99］。中國科學(xué)院高能物理研究所成功研制了新型電荷轉(zhuǎn)移器件FCD［100-101］，提高了時間測量精度。

求如下：

1） 低噪聲。X射線毫秒脈沖星輻射流量一般<1×10?3cts·cm?2·s?1，脈 沖 信 號 常 淹 沒 于星云輻射、空間彌散本底等各種噪聲中。當(dāng)前在軌能力最強的X射線望遠鏡為NICER的XTI，通過收集NICER發(fā)布的資料并處理其觀測數(shù)據(jù)，獲得XTI的理論估計值和實際觀測結(jié)果，見表4［102］。通過對理論估計值和實際觀測結(jié)果的比較，發(fā)現(xiàn)脈沖星的脈沖計數(shù)率與理論估計值差別不大，表明對5顆導(dǎo)航脈沖星的能譜以及XTI的有效面積估計是準(zhǔn)確的。然而非脈沖計數(shù)與估計值差別很大，其非脈沖部分的實際計數(shù)率比理論估計值增大了3～6倍，說明觀測空間存在很多未建模的噪聲，嚴(yán)重影響了脈沖TOA的測量精度。同時，基于實際觀測結(jié)果，估計NICER的XTI觀測5顆導(dǎo)航脈沖星10000 s能達到的信噪比依次為629.21、2.67、5.91、14.46、20.78。另據(jù)NICER研究團隊估計，2顆導(dǎo)航脈沖星PSR J1824-2452A和PSR J1939+2134在1～5.5 keV的脈沖光子數(shù)為0.055、0.021 cts/s，然而接收到的背景噪聲強度為0.90、0.49 cts/s［24］，是脈沖信號的10倍以上，表4中實測結(jié)果也佐證了該觀點，該背景噪聲主要源自脈沖星星云和空間彌散本底。因此，如何抑制各種非脈沖噪聲是提高脈沖TOA測量精度的關(guān)鍵所在，而后者直接影響脈沖星深空基準(zhǔn)建立及其應(yīng)用水平。

表4 NICER觀測5顆脈沖星的理論估計值與實際觀測值［102］Table 4 Theoretical estimates and actual observations of five pulsars observed by NICER［102］

2） 高時辨。一方面需要采用原子鐘提高短時標(biāo)時間基準(zhǔn)的精度，另一方面需要準(zhǔn)確地測量每個光子的到達時刻，才能計算出高精度脈沖TOA，只有這樣確保脈沖星光子完整的精確記錄。當(dāng)前最短的毫秒脈沖星周期為1.337 ms，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，有可能發(fā)現(xiàn)周期更短的脈沖星。對于這類脈沖星的觀測，需要X射線探測器時間分辨率高、響應(yīng)快，以提高光子到達時刻的測量精度。

3） 輕量化。導(dǎo)航用毫秒脈沖星輻射流量微弱，X射線望遠鏡需要足夠大的有效面積才能收集滿足信噪比要求的信號，這無疑將使用更多的鏡片材料，倘若材料密度較大，必將增加望遠鏡重量。另一方面，掠入射聚焦的方式需要較長的焦距，易使望遠鏡體積過大。這2方面都不利于X射線望遠鏡質(zhì)量和體積的控制，故望遠鏡的輕量化也是脈沖星深空基準(zhǔn)建設(shè)必須考慮的重要因素。

3 一種新型X射線望遠鏡的設(shè)計及性能

3.1 短焦距成像式X射線望遠鏡

毫秒脈沖星處于超新星遺跡星云核心的位置，其半徑約十幾千米，距離地球至少1光年，且輻射信號具有明顯的周期輪廓特征。通過具有較高分辨率的X射線望遠鏡，可將脈沖星成像在望遠鏡焦平面探測器上很小的區(qū)域，進而在圖像區(qū)域提取出脈沖星目標(biāo)區(qū)域的X射線光子，有望大幅度降低無周期性特征的脈沖星星云及其他空間背景的影響，從而提高探測靈敏度。同時對于遺留在脈沖星影像區(qū)域的噪聲信號，針對不同噪聲的特點，利用時域和頻域結(jié)合的方法進一步降低噪聲的影響，最終為脈沖星深空基準(zhǔn)建立及應(yīng)用提供高精度脈沖TOA。

基于上述考慮，本文提出了一種用于毫秒脈沖星的成像式X射線望遠鏡的設(shè)想，設(shè)計的低噪聲高分辨X射線望遠鏡如圖1所示，其為聚焦型成 像 望 遠 鏡（Focusing Imaging Telescope， FIT）。FIT由高角分辨率聚焦型X射線光學(xué)系統(tǒng)、高速焦平面探測器等組成。其中聚焦型X射線光學(xué)系統(tǒng)包括遮光罩、聚焦鏡單元等組件，聚焦鏡單元又包括鏡片固定裝置、聚焦鏡片和鏡筒、以及電子偏轉(zhuǎn)器。聚焦鏡和焦平面探測器之間通過防污染屏蔽筒連接。遮光罩用于屏蔽大部分雜散光，聚焦鏡片粘接在帶有輻條的固定裝置中，保證鏡片不受應(yīng)力變形，聚焦鏡筒與鏡片固定裝置連接，用于保護鏡片；電子偏轉(zhuǎn)器用于偏轉(zhuǎn)來自宇宙中的電子，使其在磁場的作用下無法到達焦平面探測器，降低宇宙背景和輻照劑量。

圖1 單個X射線望遠鏡結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of a single X-ray telescope

FIT的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建議采用聚焦性能優(yōu)良的Wolter-I 型或其近似型，高速焦平面探測器建議采用由許多微小面積SDD單元拼接而成。對于鏡片材料，相比于玻璃，單晶硅熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低、楊氏彈性模量大、密度低且無內(nèi)應(yīng)力，這些特性使得單晶硅鏡片具有更好的熱穩(wěn)定性、面形精度和更高的面質(zhì)比。單晶硅已被NASA和ESA視為下一代X射線望遠鏡鏡片制作材料［34，82，85］，由于單晶硅切片法制作的望遠鏡鏡片可實現(xiàn)更高的角分辨率，故建議采用該方法制作鏡片。NASA正采用單晶硅切片法制作單個大面積長焦距的X射線望遠鏡，而我們針對深空基準(zhǔn)探測的輕量化需求，需采用短焦距設(shè)計，這就要求單個X射線望遠鏡的口徑不宜太大，需要優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計。為了達到更大的有效面積，借鑒SEXTANT成功的經(jīng)驗，也采用X射線望遠鏡陣列，如圖2所示。

圖2 面向深空基準(zhǔn)探測的X射線望遠鏡陣列Fig. 2 Array of X-ray telescopes for deep space reference

FIT實現(xiàn)成像觀測的過程如下，類似可見光CCD照相觀測，當(dāng)高角分辨率的FIT對準(zhǔn)毫秒脈沖星觀測時，脈沖星及其星云輻射就會在焦平面像素型探測器上分別聚焦為一個點源和一個較小區(qū)域，而彌散空間噪聲則在探測器上均勻分布，最終在探測器不同區(qū)域記錄流量強度不同的光子數(shù)。由于焦平面探測器由數(shù)量眾多且面積微小的像素組成，不同位置的像素能將不同流量X射線光子讀出，從而實現(xiàn)了X射線成像觀測。

3.2 FIT性能分析及比較

毫秒脈沖星的觀測精度定義為

式中：FWHM為脈沖半高寬；SNR為脈沖信噪比。X射線望遠鏡觀測脈沖星受到各種噪聲源的干擾，其SNR表達式為［33］

式中：Cp為脈沖星輻射的脈沖光子計數(shù)；Cup為脈沖星輻射的非脈沖光子計數(shù)，含星云輻射，對于毫秒脈沖星而言，該分量較小；Cb為空間彌散粒子噪聲計數(shù)；Cd為X射線探測器本底噪聲計數(shù)。

定義以下變量：

1）AS、η1分別為望遠鏡光學(xué)系統(tǒng)的幾何面積、等價反射效率。由于望遠鏡的反射效率隨著能量變化，在毫秒脈沖星主要觀測能段0.3～5 keV范圍內(nèi)，需根據(jù)星源的輻射能譜及望遠鏡性能綜合考慮得到等價反射效率。對于準(zhǔn)直型X射 線 望 遠 鏡（Collimating X-ray Telescope，CXT），η1=1。

2）AJ、η2分別為望遠鏡X射線探測器的接收面積、量子轉(zhuǎn)換效率；由于X射線探測器在0.3～5 keV處量化效率較高，一般在95%以上，為簡化計算，令η2=1。

3）FX、FB為X射線脈沖星輻射的脈沖信號流量、非脈沖信號流量。

4）Bb為空間彌散本底；對于銀河系內(nèi)的脈沖星，還存在額外的背景輻射，本文暫不考慮。

5）Bd為X射線探測器的噪聲本底。

6）D、θ分別為望遠鏡的焦距和角分辨率。

7）fPSF為望遠鏡脈沖星探測區(qū)域內(nèi)點擴散函數(shù)（Point Spread Function，PSF）。

8）Ωeff為 望 遠 鏡 視 場 角（Field of View，F(xiàn)OV）內(nèi)等效脈沖星探測立體角，單位為球面度（Steradian，Sr）。

在Δt觀測時間內(nèi)，可得：

由于脈沖星光子流量極其微弱，對整個望遠鏡面積內(nèi)所有位置的光子流量求和，則式（3）中的二維分布可簡化為一維，并代入式（2）。另外，由于缺乏望遠鏡點擴散函數(shù)，且脈沖星極其遙遠，下面計算時假設(shè)脈沖星信號在望遠鏡觀測下為均勻分布。可得：

對于CXT，AS=AJ，且η1=1，式（4）進一步簡化為

可見，對于CXT，提高脈沖星觀測信噪比最直接的方法就是增大望遠鏡面積、延長觀測時間和限制準(zhǔn)直器視場角，然而其無法有效抑制各種空間背景噪聲的影響。

對于聚焦型X射線望遠鏡，當(dāng)角分辨率θ?1°，那么其焦斑半徑約為

對 于D=1.085 m；θ=60″，那 么 焦斑 半 徑為0.158 mm。SDD探測器具有良好的時間和能量分辨率，但商用SDD大小為25 mm2，邊長為5 mm，允許最大角分辨率為31.86′，可見通過SDD是無法分離出脈沖星與其星云的輻射。脈沖星在探測器視場中顯示為一個點，而星云的視場較大，如典型的Crab脈沖星星云視場角約2′×3′，對于D=1.085 m，星云的焦斑大小為0.631 mm×0.947 mm。

考慮到商用的SDD無法實現(xiàn)更小的像素單元，且更先進的SPD對華技術(shù)封鎖，建議FIT采用國產(chǎn)成像型CCD讀出，假設(shè)單個像素大小50 μm，那么焦平面探測器可采用20×20個像素陣列，這時脈沖星輻射脈沖信號僅被其中一個像素CCD所接收。需要注意的是，陣列CCD一般采取整行讀出，時間分辨率一般在幾十微秒量級，這對脈沖星觀測很不利。當(dāng)前該款CCD已經(jīng)完成方案的初步設(shè)計，國內(nèi)已經(jīng)具備加工能力。假設(shè)單個FIT面積與NICER相同，直徑為10.5 cm，幾何面積為86.59 cm2，NICER單個望遠鏡的探測器大小為5 mm×5 mm，而FIT的X射線探測器為1 mm×1 mm。

據(jù)表4可知，NICER望遠鏡的儀器本底計數(shù)率為0.05 cts/s，空間彌散本底為0.15 cts/s，F(xiàn)OV為6′。NICER由56個X射線望遠鏡組成，其幾何面積為4849.048 cm2，總的敏感器件SDD面積為14 cm2，則計算可得，SDD探測器本底流量為0.00357 cts·cm?2·s?1，空間彌散本底流量為0.00445 cts·cm?2·s?1·Sr?1。由于CCD也屬于硅基X射線探測器，后面FIT觀測脈沖星的探測器本底和空間彌散本底與NICER一致，即Bb=0.00445 cts·cm?2·s?1·Sr?1，Bd=0.00357 cts·cm?2·s?1。需要注意的是，NICER的XTI采用單次掠入射非成像觀測模式，而FIT采用兩次反射成像觀測模式。為了對比分析，同時考慮了相同面積的XTI和CXT，CXT的視場角為1°，下面重點分析不同的脈沖星脈沖信號流量、脈沖星非脈沖信號流量，角分辨率及鏡片單次反射效率對3款X射線望遠鏡的影響。

首先分析不同脈沖信號流量對3款X射線望遠鏡觀測性能的影響。假設(shè)FB=0.001 cts·cm?2·s?1，鏡片單次反射效率為80%，觀測時間為10000 s，F(xiàn)IT的角分辨率為30″，F(xiàn)X在10?6～10 cts·cm?2·s?1之間變化，計算結(jié)果見圖3。

由圖3可知，隨著FX增加，3款X射線望遠鏡的觀測信噪比都增加。當(dāng)FX較弱時，F(xiàn)IT觀測脈沖星的SNR最好，而FX較強時，CXT觀測脈沖星的SNR較好。對于聚焦型X射線望遠鏡，在FB=0.001 cts·cm?2·s?1情 況 下，當(dāng)FX=0.002 cts·cm?2·s?1時，F(xiàn)IT與XTI觀測脈沖星的SNR相當(dāng)，當(dāng)FX流量弱時，F(xiàn)IT性能優(yōu)于XTI，而當(dāng)FX流量強時，XTI性能略優(yōu)于FIT。

圖3 3款X射線望遠鏡在不同脈沖信號流量下的觀測信噪比Fig. 3 Observed SNR of three X-ray telescopes under different pulse signal flux

其次分析了不同脈沖星非脈沖輻射對3款X射線望遠鏡觀測性能的影響。假設(shè)FX=0.001 cts·cm?2·s?1，其他條件同前，F(xiàn)B在10?6～10 cts·cm?2·s?1之間變化，計算結(jié)果見圖4。

圖4 3款X射線望遠鏡在不同非脈沖信號流量下的脈沖星觀測信噪比Fig. 4 Pulsor observed SNR of three X-ray telescopes under different non-pulse single flux

由圖4可見，當(dāng)FB較小時（<10?4cts·cm?2·s?1），3款X射線探測器脈沖星觀測性能基本保持穩(wěn)定，XTI的脈沖星觀測信噪比約為26，F(xiàn)IT≈24，CXT≈10。隨著FB增加，3款X射線望遠鏡觀測脈沖星SNR都出現(xiàn)下降，其中XTI面對強流量的FB時，XTI性能趨向CXT，而FIT具有較強的非脈沖信號抑制能力。在FX=0.001 cts·cm?2·s?1情 況 下，當(dāng)FB=2×10?4cts·cm?2·s?1，F(xiàn)IT與XTI的脈沖星觀測性能相當(dāng)。當(dāng)FB流量弱時，XTI性能優(yōu)于FIT，而當(dāng)FB流量強時，F(xiàn)IT性能好于XTI。

接下來分析不同角分辨率對3款望遠鏡觀測性 能 的 影 響，假 設(shè)FB=0.0001 cts·cm?2·s?1，F(xiàn)X=0.001 cts·cm?2·s?1，鏡 片 單 次反射效 率 為80%。CXT的角分辨率為1o，F(xiàn)IT、XTI的角分辨率在1″～600″(10′)變化，計算結(jié)果見圖5。

圖5 3款X射線望遠鏡在不同角度分辨率下的脈沖星觀測信噪比Fig. 5 Pulsar observed SNR of three X-ray telescopes with different angle resolution

由圖5可知，當(dāng)FB=0.0001 cts·cm?2·s?1，F(xiàn)X=0.001 cts·cm?2·s?1時，XTI與CXT觀測脈沖星的SNR保持不變，分別約為25和9.5。該結(jié)果產(chǎn)生的原因是，CXT的視場角保持固定，XTI的探測器SDD的大小允許最大角分辨率為31.86′，而SDD無位置讀出功能，故當(dāng)XTI的角分辨率<31.86′，XTI觀測脈沖星的SNR變化較小。當(dāng)FIT的角分辨率較小，脈沖星所有信號被一個像素CCD所接收，此時FIT的SNR≈23.5，略低于XTI性能。當(dāng)FIT的角分辨率>50″時，F(xiàn)IT觀測脈沖星性能會下降。即使當(dāng)角分辨率>600″時，F(xiàn)IT也比CXT更適合觀測脈沖星。

最后分析鏡片單次反射效率對3款X射線探測器脈沖星觀測性能的影響。假設(shè)FB=0.0001 cts·cm?2·s?1，F(xiàn)X=0.001 cts·cm?2·s?1，F(xiàn)IT、XTI、CXT的角分辨率分別為30″、6′、1°，反射率在0.1～1之間變化，計算結(jié)果見圖6。

由圖6可知，XIT與FIT隨著鏡片單次反射效率的增加，脈沖星觀測信噪比均在提高。由于FIT需要鏡片2次反射X射線光子，故對其脈沖星觀測的SNR影響較大。當(dāng)單次反射效率達到90%以上，F(xiàn)IT觀測脈沖星的性能會超過XTI。通常情況下，鏡片對0.5～5 keV的X射線光子的反射效率>50%，可見，XIT和FIT在觀測微弱脈沖星時都優(yōu)于CXT。

圖6 3款X射線望遠鏡在不同鏡面反射效率下的脈沖星觀測信噪比Fig. 6 Pulsar observed SNR of three X-ray telescopes with different reflection efficiency

進一步，分析了3款X射線望遠鏡對5顆導(dǎo)航脈沖星的觀測性能，脈沖星及星云的基本輻射參數(shù)源于表4，需要說明的是，3款X射線望遠鏡的幾何面積都為86.59 cm2，單次反射效率為80%，觀測時間為10000 s，其中FIT的角分辨率30″，計算結(jié)果見表5。

表5 3款X射線望遠鏡觀測5顆脈沖星的信噪比Table 5 SNR of five pulsars observed by three X-ray telescopes

由表5可知，對于Crab脈沖星（PSR J0534+2200），脈沖星及星云輻射流量強，XTI與CXT性能相當(dāng)，F(xiàn)IT觀測性能好于XTI和CXT。對于其他輻射流量的毫秒脈沖星，CXT觀測性能較差，聚焦觀測好于準(zhǔn)直觀測。值得注意的是，在相同望遠鏡面積的情況下，相比XTI，F(xiàn)IT觀測獲得的脈沖SNR有不同程度的提高，特別是PSR J1937+2134，F(xiàn)IT比XTI提升約2倍。事實上，用于深空基準(zhǔn)建立的毫秒脈沖星輻射流量較弱，故所依賴的X射線望遠鏡應(yīng)借助成像觀測來抑制各種非脈沖的噪聲，以實現(xiàn)脈沖SNR的提升，進而提高脈沖TOA測量精度。

4 結(jié)論與展望

2021年3月13日，中國發(fā)布了《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標(biāo)綱要》，在事關(guān)國家安全和發(fā)展全局的基礎(chǔ)核心領(lǐng)域，制定實施戰(zhàn)略性科學(xué)計劃和科學(xué)工程，其中包括深空領(lǐng)域的空天科技。深空基準(zhǔn)是從事深空活動的基礎(chǔ)，自主可控的深空基準(zhǔn)探測裝備的研制，是直接關(guān)系到中國深空利益拓展的國家急迫需要和戰(zhàn)略需求。瞄準(zhǔn)未來的中國深空基準(zhǔn)建設(shè)的需求，本文提出了一種利用脈沖星高分辨率成像觀測以抑制非脈沖噪聲的思想，設(shè)計了一種高分辨率低噪聲聚焦型X射線望遠鏡，通過論證分析發(fā)現(xiàn)，相比現(xiàn)有設(shè)備，其空間背景噪聲抑制能力得到有效增強，且相同面積X射線望遠鏡相同時間內(nèi)探測靈敏度明顯提高，能夠為中國脈沖星深空基準(zhǔn)建設(shè)提供硬件基礎(chǔ)。

作者在總結(jié)面向深空基準(zhǔn)探測的X射線望遠鏡現(xiàn)狀時，主要考慮了基于掠入射成像望遠鏡結(jié)構(gòu)。同時，為滿足輕量化，作者思之，能否采用傳統(tǒng)的準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)設(shè)計X射線望遠鏡，以極其微小的方孔或圓孔作為準(zhǔn)直器，并限制孔壁長度以實現(xiàn)角秒量級視場，每個小孔后面都配備單獨的X射線探測器。如此設(shè)計的X射線望遠鏡的體積和重量將大幅度降低，猶如一層布滿微小孔的薄板，容易安裝在航天器表面上，且避免占用航天器內(nèi)部空間。當(dāng)然這種概念性X射線望遠鏡也將面臨設(shè)計和制造上諸多問題，如極其微小準(zhǔn)直器的制造，能否采用光刻技術(shù)在硅或金屬材料上刻制；后端極其微小的X射線探測器研制以及數(shù)量驚人的電子學(xué)讀出電路，使用現(xiàn)有技術(shù)能否解決，諸多科學(xué)與技術(shù)問題都需要持續(xù)深入研究。

致 謝

感謝西安測繪研究所楊元喜院士在研究方向上的指點;感謝中科院高能物理研究所陳勇研究員及西安光機所趙寶升研究員的交流;感謝中科院高能物理研究所葛明玉博士、鄭世界博士在空間背景噪聲模擬的指導(dǎo)，韓大煒副研究員在X射線空間任務(wù)的幫助;感謝安徽建筑科技大學(xué)閆林麗博士對NICER數(shù)據(jù)結(jié)果的支持;感謝北京控制工程研究所李連升研究員對XPNAV-01星望遠鏡性能參數(shù)的提供;感謝同濟大學(xué)廖穎宇博士在鏡片制作方法的交流與指點。