XPNAV?1衛(wèi)星聚焦型X射線脈沖星望遠(yuǎn)鏡在軌穩(wěn)定性分析

周 慶 勇，閆 林 麗，李 連 升，馮 來 平石 永 強(qiáng)，孫 鵬 飛，方 柳王龍

1．西安測繪研究所， 西安 710054 2．地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710054 3．安徽建筑大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，合肥 230601 4．北京控制工程研究所，北京 100090 5．中國電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所，西安 710076

脈沖星是一類高速自轉(zhuǎn)的中子星，能穩(wěn)定地向外輻射脈沖信號，位置能精確被測定，且自轉(zhuǎn)極其穩(wěn)定，能夠?yàn)楹教炱魈峁┳灾鲗?dǎo)航服務(wù)［1］。X射線脈沖星導(dǎo)航是一種新型天文自主導(dǎo)航技術(shù)，具有傳統(tǒng)天文導(dǎo)航系統(tǒng)共性特性：自主性高，安全性高，導(dǎo)航誤差不累積［2］?？臻g均勻分布的脈沖星可構(gòu)建類似導(dǎo)航衛(wèi)星的星座，增強(qiáng)遠(yuǎn)離地面測控臺站作用距離的飛行器自主導(dǎo)航能力，降低地面深空網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。盡管X射線脈沖星導(dǎo)航在近地空間的精度無法與地基導(dǎo)航技術(shù)相比［3］，但深空領(lǐng)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)天文導(dǎo)航和地基導(dǎo)航技術(shù)，應(yīng)用前景廣闊。相比于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，脈沖星時(shí)空參考框架更大，可實(shí)現(xiàn)近地、深空、星際范圍無縫導(dǎo)航，且導(dǎo)航誤差不隨距離增加而急劇增大，是當(dāng)前超遠(yuǎn)距離自主導(dǎo)航的唯一手段。脈沖星自主導(dǎo)航技術(shù)在國家導(dǎo)航定位和授時(shí)體系論證與建設(shè)中也占據(jù)著重要位置［4］。中國于2016年發(fā)射了XPNAV-1衛(wèi)星，其核心目的是在軌驗(yàn)證國產(chǎn)望遠(yuǎn)鏡性能和開展脈沖星導(dǎo)航空間試驗(yàn)［5］。

XPNAV-1衛(wèi)星是中國首顆專門從事于驗(yàn)證脈沖星導(dǎo)航技術(shù)的試驗(yàn)衛(wèi)星，由中國空間技術(shù)研究院研制［6-7］。XPNAV-1衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命為1年，現(xiàn)已在軌工作5年，收集了大量觀測數(shù)據(jù)，國內(nèi)學(xué)者開展了大量的脈沖星信號處理和計(jì)時(shí)分析工作［8-9］，證實(shí)了國產(chǎn)望遠(yuǎn)鏡成功地探測到Crab脈沖星的信號，開展了初步的脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)［10］。此外還開展Crab脈沖星計(jì)時(shí)穩(wěn)定性分析和2017年最大周期躍變量精確測定［11］。

聚焦型X射線望遠(yuǎn)鏡是脈沖星自主導(dǎo)航系統(tǒng)的核心設(shè)備，相同有效面積的聚焦型望遠(yuǎn)鏡的靈敏度比非聚焦型設(shè)備高出2個(gè)數(shù)量級［12-13］，且能夠有效地抑制空間背景噪聲的影響。聚焦型X射線望遠(yuǎn)鏡主要由聚焦X光學(xué)系統(tǒng)和X射線探測器2部分組成，前者負(fù)責(zé)X射線光子的聚焦與收集，后者再進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換及信號讀出［14-15］。根據(jù)掠入射反射結(jié)構(gòu)的不同，聚焦型X射線望遠(yuǎn)鏡主要有KB型（Kirkpatrick-Baez）、Wolter型和微孔光學(xué)陣列等結(jié)構(gòu)。Wolter型光學(xué)系統(tǒng)具有較高的聚焦效率，當(dāng)前國際上主要大型X射線空間觀測望遠(yuǎn)鏡均采取這種聚焦系統(tǒng)。X射線探測器包括氣體探測器、微通道板型探測器、閃爍體探測器和半導(dǎo)體探測器，其中半導(dǎo)體探測器能夠滿足脈沖星導(dǎo)航對時(shí)間分辨率、能量分辨率的要求［16］。自Giacconi開創(chuàng)空間X 射線天文觀測以來，美國NASA和歐空局研制了一系列的聚焦型X射線望遠(yuǎn)鏡，望遠(yuǎn)鏡的性能越來越高，有效面積逐漸增大，角分辨率逐漸提高［17］。隨著中國對空間高能天文及脈沖星導(dǎo)航的重視，國內(nèi)多家單位開展基于不同技術(shù)及工藝的聚焦型X射線望遠(yuǎn)鏡的研制［12，15，17］，其中包 括由北京控制工 程研究所研制的FXPT［7］。

FXPT是XPNAV-1衛(wèi)星的主要載荷，為一種拋物面鏡嵌套共焦X射線望遠(yuǎn)鏡，為中國在軌工作的首款該類型設(shè)備［12，18］。FXPT的光學(xué)結(jié)構(gòu)與美國在國際空間站開展脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)的探測設(shè)備類似，故FXPT也具有本底噪聲小、噪聲抑制力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［19］。截至目前，F(xiàn)XPT已正常在軌工作5年多時(shí)間，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)壽命。事實(shí)上，望遠(yuǎn)鏡性能與空間運(yùn)行環(huán)境、器件工作狀態(tài)及運(yùn)行時(shí)間等因素密切相關(guān)。在發(fā)射前，使用X射線雙晶單色儀和同步輻射光源對FXPT的性能參數(shù)進(jìn)行精確標(biāo)定［20-21］，它常被用作數(shù)據(jù)處理中標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。FXPT是一個(gè)空間結(jié)構(gòu)非常精密的科學(xué)儀器，經(jīng)長征運(yùn)載火箭發(fā)射的強(qiáng)烈沖擊，可能導(dǎo)致聚焦光學(xué)系統(tǒng)與探測器精準(zhǔn)對焦的細(xì)微變化。在軌期間，需承受在軌惡劣的熱環(huán)境和復(fù)雜的空間電磁環(huán)境，任何微小的X射線鏡片面形變化或結(jié)構(gòu)形變都會影響FXPT的聚焦性能，降低設(shè)備的探測靈敏度。此外，隨著長時(shí)間電磁輻照，F(xiàn)XPT內(nèi)部元器件老化而性能參數(shù)發(fā)生變化，如X射線探測器能量分辨率會隨時(shí)間而增大。因此，望遠(yuǎn)鏡穩(wěn)定性是一個(gè)需持續(xù)關(guān)注的問題，在望遠(yuǎn)鏡長期數(shù)據(jù)處理中，需要對望遠(yuǎn)鏡性能參數(shù)及時(shí)修正，否則會影響數(shù)據(jù)分析結(jié)果準(zhǔn)確性，但當(dāng)前國內(nèi)學(xué)者對FXPT在軌穩(wěn)定性研究較少。對于大面積X射線望遠(yuǎn)鏡，往往自帶放射源對望遠(yuǎn)鏡部分遮擋區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定，或觀測超新星遺跡進(jìn)行能譜標(biāo)定［22-23］。Crab脈沖星的X射線輻射流量強(qiáng)且穩(wěn)定，輻射信號具有清晰的脈沖輪廓特征，易于識別，故常作為X射線標(biāo)定源。然而FXPT幾何面積為30 cm2，衛(wèi)星空間載荷容量有限，難以攜帶標(biāo)定裝置［12］。國內(nèi)學(xué)者根據(jù)國際上精確測定的Crab脈沖星輻射參數(shù)，考慮宇宙中性氫對X射線光子的吸收效應(yīng)，估計(jì)出FXPT的有效面積和探測效率［12，24］。由于缺乏FXPT對具有特征能譜輻射的超新星遺跡持續(xù)不間斷的觀測數(shù)據(jù)，本文研究了一種利用望遠(yuǎn)鏡本征特征能譜輻射和超上閾信號共同監(jiān)測其在軌穩(wěn)定性的方法，分析了FXPT近4年的在軌穩(wěn)定性。

1 FXPT簡介

XPNAV-1衛(wèi)星于2016年11月10日發(fā)射升空，采用整星零動量三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制方式，運(yùn)行在太陽同步軌道上。衛(wèi)星采用一體化綜合電子設(shè)計(jì)，整星重約243 kg。XPNAV-1衛(wèi)星科學(xué)任務(wù)包括，一是在軌驗(yàn)證FXPT性能，解決FXPT在軌看得見脈沖星的問題，并為后續(xù)探測器選型、改進(jìn)提供依據(jù)；二是獲得1顆以上X射線脈沖星空間觀測數(shù)據(jù)，為脈沖星物理特性研究和導(dǎo)航機(jī)制探索提供數(shù)據(jù)支撐［6，8］。

FXPT基于掠入射全反射聚焦原理，X射線光子以很小的掠入射角照射到每層超光滑的反射鏡內(nèi)表面，經(jīng)全外反射聚焦到焦平面探測器上。硅基探測器基于光電效應(yīng)將每個(gè)聚焦的X射線光子轉(zhuǎn)換成電信號，通過前置放大、成形濾波等電子學(xué)處理，精確記錄每個(gè)X射線光子的到達(dá)時(shí)間及能量信息。FXPT包括嵌套式掠入射光學(xué)系統(tǒng)、焦平面探測器（即硅漂移探測器（Silicon Drift Detectors，SDD）探測器組件）、脈沖信號處理電路、高能粒子防護(hù)裝置、姿態(tài)管理單元和星敏感器［12，18］，如圖1所示，其中光學(xué)系統(tǒng)和星敏感器安裝在衛(wèi)星艙外。

圖1 FXPT的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖［18］Fig. 1 System structure of FXPT［18］

FXPT包括以下主要組成部分：

1）嵌套式掠入射光學(xué)系統(tǒng)［19］：采用單次反射的聚焦型X射線光學(xué)系統(tǒng)，其功能是將X射線光子聚焦在SDD上。該光學(xué)系統(tǒng)由4層Ni基拋物面反射鏡和最外層微晶玻璃拋光的反射鏡組成，Ni基反射鏡表面鍍Au金屬，而玻璃反射鏡表面鍍Ir金屬。采用多層嵌套技術(shù)增加了光學(xué)系統(tǒng)的有效面積，提高了望遠(yuǎn)鏡的觀測靈敏度。

2）SDD探測器組件：采用面積25 mm2的SDD，SDD也是美國脈沖星導(dǎo)航空間試驗(yàn)用的X射線探測器，將X射線光子轉(zhuǎn)換成電子-空穴對，最終將其轉(zhuǎn)換為電流信號。SDD具有計(jì)數(shù)率高、能量分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。

3）脈沖信號處理電路［20］：由前置放大器、模擬電路、數(shù)字電路和電源線組成。前置放大器將X射線光子產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電流信號，電荷量與入射光子能量成正比。電流脈沖信號通過比較器轉(zhuǎn)換為觸發(fā)信號，用星載銣鐘標(biāo)記觸發(fā)信號的到達(dá)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)光子信號高信噪比的信號處理。

4）高能粒子防護(hù)裝置［20］：包括磁性偏轉(zhuǎn)器和一個(gè)高能粒子屏蔽體。采用磁性偏轉(zhuǎn)器對進(jìn)入的電子產(chǎn)生的洛倫茲力，并使電子偏離焦平面探測器，減少了高能電子的影響。高能粒子屏蔽體位于望遠(yuǎn)鏡前部，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)入南大西洋異常區(qū)時(shí)關(guān)閉，以減少空間高能重粒子對SDD的損害。

5）星敏感器：其光軸與望遠(yuǎn)鏡光軸平行，用于指向和跟蹤X射線脈沖星。

6）精確時(shí)鐘：FXPT由2個(gè)高精度的時(shí)間參考，分別為恒溫晶體振蕩器和銣鐘，在無GPS授時(shí)的情況下可實(shí)現(xiàn)高精度的計(jì)時(shí)。晶體振蕩器和銣鐘相互備份，提高時(shí)間系統(tǒng)的整體可靠性。同時(shí)，F(xiàn)XPT還選擇GPS秒脈沖進(jìn)行長時(shí)間保持，選擇恒溫晶體振蕩器進(jìn)行短時(shí)間保持。由于原子鐘功耗大，大多數(shù)觀測使用晶體振蕩器和GPS作為時(shí)間參考［20］。

此外，望遠(yuǎn)鏡還包括鏡筒、電子學(xué)結(jié)構(gòu)、安裝法蘭和支撐結(jié)構(gòu)等，用于固定望遠(yuǎn)鏡。FXPT通過光學(xué)、電路、主被動屏蔽等綜合設(shè)計(jì)有效抑制空間噪聲的影響，能滿足高信噪比脈沖星觀測任務(wù)需求，同時(shí)設(shè)計(jì)了2套精密時(shí)鐘系統(tǒng)互為備份，提高了望遠(yuǎn)鏡整體的可靠性［18］。FXPT的基本性能參數(shù)如表1所示［12，20］。

表1 FXPT主要參數(shù)［12，20］Table 1 Main parameters of FXPT［12，20］

2 數(shù)據(jù)基本情況及處理方法

2.1 數(shù)據(jù)基本情況

XPNAV-1衛(wèi)星是基于整星自旋和主動控制來實(shí)現(xiàn)脈沖星的實(shí)時(shí)跟蹤，指向控制精度優(yōu)于2′。XPNAV-1衛(wèi)星對Crab脈沖星進(jìn)行了長期且密集的觀測，Crab脈沖星是一顆年輕脈沖星，在多個(gè)能段有電磁輻射，其輪廓形狀存在明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，雙峰間隔約0.4個(gè)相位，且脈沖輪廓隨能量不同而變化，X射線脈沖輪廓比射電脈沖輪廓寬，并存在橋區(qū)輻射。

通過對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理，得到脈沖星光子的到達(dá)時(shí)間、能量和衛(wèi)星軌道信息，時(shí)間測量精度約100 ns。經(jīng)預(yù)處理后統(tǒng)計(jì)，2016年11月―2019年11月3年間共觀測了1455次4.101×106s，收 集 了6.084×107個(gè) 光 子，見表2。

表2 XPNAV?1衛(wèi)星Crab脈沖星觀測信息Table 2 Observation information of Crab pulsar on XPNAV?1

2.2 脈沖星觀測數(shù)據(jù)處理方法

X射線脈沖星觀測數(shù)據(jù)的處理主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、質(zhì)心修正、周期搜索、脈沖輪廓疊加、能譜獲取及擬合等過程，其中前3個(gè)步驟的過程請參考文獻(xiàn)［24］，這里重點(diǎn)論述與FXPT穩(wěn)定性分析相關(guān)的脈沖輪廓疊加、觀測能譜獲取和擬合。

1）脈沖輪廓疊加

X射線光子到達(dá)時(shí)間經(jīng)過質(zhì)心轉(zhuǎn)換，得到太陽系質(zhì)心處到達(dá)時(shí)間，按照精確的脈沖星自轉(zhuǎn)參數(shù)可疊加獲得脈沖輪廓。脈沖輪廓疊加有2種方法，第1種是通過周期搜索得到的脈沖頻率，計(jì)算出每一個(gè)光子的相位并歸算到區(qū)間［0，1］，統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)間中的光子數(shù)，得到脈沖輪廓，常用的方法為χ2檢驗(yàn)法［25］；第2種方法是直接利用精確已知的脈沖星星歷，折疊出以射電觀測為相位參考點(diǎn)的脈沖輪廓。2種方法得到輪廓差異性較小，只是相位參考起始點(diǎn)不同。本文采用了第2種方法，采用Jodrell Bank天文臺發(fā)布的星歷。Jo?drell Bank天文臺長期監(jiān)測Crab脈沖星，每隔半個(gè)月更新其射電星歷，可用這些星歷參數(shù)折疊脈沖輪廓［26］。需要注意的是，脈沖星星歷的有效時(shí)間段有所重疊，且躍變時(shí)期不在星歷有效時(shí)間內(nèi)，本文分析不包括周期躍變期間的觀測數(shù)據(jù)。

2）能譜獲取及擬合

FXPT同時(shí)獲取每個(gè)X射線光子的能量信息，將FXPT的工作能段（0.5～10 keV）分成N個(gè)能區(qū)，根據(jù)光子的能量，獲取光子在能量軸上的統(tǒng)計(jì)分布，繪制能譜圖。N值不宜太大，否則容易出現(xiàn)截?cái)嗾`差，對于FXPT，能譜間隔為10 eV，然后對FXPT特征能譜處能峰進(jìn)行高斯擬合。

3 XPNAV?1星數(shù)據(jù)處理及穩(wěn)定性分析

3.1 利用超新星遺跡監(jiān)測FXPT穩(wěn)定性的可行性

望遠(yuǎn)鏡性能監(jiān)測是一項(xiàng)長期基礎(chǔ)性工作，而宇宙中星系團(tuán)和超新星遺跡的能譜在人類關(guān)注的時(shí)間尺度上不會發(fā)生變化，常被用于X射線望遠(yuǎn)鏡性能標(biāo)定。隨著望遠(yuǎn)鏡在太空運(yùn)行時(shí)間增加，其性能指標(biāo)會發(fā)生變化，需要定期在軌標(biāo)定，利用超新星遺跡的特征譜線可標(biāo)定望遠(yuǎn)鏡的能量響應(yīng)性能參數(shù)，如能量分辨率、能量電壓線性關(guān)系。國外大型天文衛(wèi)星長期保持對超新星遺跡觀測，主要用于監(jiān)測望遠(yuǎn)鏡在軌性能。FXPT采集X射線光子能量時(shí)，記錄的是光子的電壓信號。在地面標(biāo)定試驗(yàn)中，對FXPT進(jìn)行了Al、Ti、Cu等多種靶的測試，得出能量與電壓的關(guān)系E=2.80125U?0.02895 keV，其中U為電壓。2017年6月，利用XPNAV-1衛(wèi)星對超新星遺跡B0022+638（TYCHO）、B1727-214（KEPLER）及B2321+585（CAS-A）進(jìn)行觀測，累積了一定的有效觀測數(shù)據(jù)。由于B1727-214（KEPLER）觀測數(shù)據(jù)較少，難以獲得3個(gè)以上特征能譜線。

CAS-A超新遺跡位于仙后星座，距地球1.1萬光年，于1680年由英國天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，為六等星。CAS-A超新遺跡年齡非常年輕，觀測到很多豐度元素的特征能譜，如Cu-Lα、Mg-Kα、Si- Kα及S-Kα，見圖2。根據(jù)譜線的特征能量與電壓值，擬合能量與電壓的關(guān)系，見表3，得到E= 2.751U?0.018 keV，表中a和b為線性表達(dá)式系數(shù)，Sigma為擬合后的中誤差。并得到FXPT在各特征元素0.953、1.269、1.752、2.332 keV處的能量分辨率分別為0.256、0.533、0.170和0.200 keV。第谷超新星遺跡B0022+638是一顆la型星，從其特征能譜可發(fā)現(xiàn)Fe- Lα、Si- Kα與S- Kα譜線，見圖3。根據(jù)譜線的特征能量與電壓值，擬合能量與電壓的關(guān)系，見表3，E= 2.784U?0.047 keV。經(jīng)分析，可得能量為0.755、1.776及2.362 keV處的能量分辨率分別為0.191、0.145和0.204 keV。

圖2 B2321+585（CAS-A）的觀測能譜Fig. 2 Spectrum of B2321+585（CAS-A）

圖3 B0022+638（TYCHO）的觀測能譜Fig. 3 Spectrum of B0022+638（TYCHO）

表3 空間觀測超新星遺跡標(biāo)定的能量電壓線性關(guān)系Table 3 Linear relationship between energy and voltage by using CAS?A and TYCHO

FXPT空間運(yùn)行初期，能量電壓關(guān)系應(yīng)與地面標(biāo)定結(jié)果變化不大。然而由表3可知，發(fā)現(xiàn)空間觀測2顆超新星遺跡標(biāo)定的能量電壓線性關(guān)系與地面標(biāo)定結(jié)果都存在較大的差異，主要原因在于收集的數(shù)據(jù)量較少，分析方法有待改進(jìn)。由于FXPT有效面積約4.22 cm2@1 keV［12］，收集的超新星遺跡觀測數(shù)據(jù)非常有限，特征譜線擬合不夠準(zhǔn)確，有些元素的不同譜線差異很小，如Si元素的Kα與Kβ譜線很近，導(dǎo)致了其能量分辨率變差，特征能峰的電壓值估計(jì)不準(zhǔn)，如Mg元素Kα特征譜線處能量分辨率較大，且也不符合能量分辨隨著能量的增大而下降的規(guī)律。同時(shí)，數(shù)據(jù)處理方法需改進(jìn)，空間背景噪聲如連續(xù)譜的影響扣除不徹底，由于缺乏FXPT視場指向數(shù)據(jù)，超新星遺跡的特征譜線提取不夠精準(zhǔn)。此外，XPNAV-1衛(wèi)星后來沒有繼續(xù)對具有特征譜線的超新星遺跡進(jìn)行連續(xù)觀測?；谏鲜隹紤]，無法通過超新星遺跡特征能譜完成FXPT性能在軌穩(wěn)定性分析。

3.2 FXPT望遠(yuǎn)鏡穩(wěn)定性分析

按照2.2節(jié)描述的方法，對XPNAV-1衛(wèi)星近4年Crab脈沖星觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，得到1455個(gè)FXPT觀測脈沖輪廓，見圖4，圖中脈沖輪廓均去除本底并歸一化。由圖4可知，每次觀測脈沖輪廓形狀基本一致，沒有明顯的變化，說明Crab脈沖星的輻射和儀器工作正常。統(tǒng)計(jì)分析每次觀測脈沖輪廓的質(zhì)量，平均信噪比約17，顯著性較高，δTOA的平均值約83 μs。同時(shí)計(jì)算XPNAV-1衛(wèi)星的Crab脈沖星脈沖輪廓與RXTE衛(wèi)星PCA望遠(yuǎn)鏡觀測結(jié)果的相似度為98.6%，差異主要來源于2個(gè)X射線望遠(yuǎn)鏡工作能區(qū)的不同?？梢哉f，F(xiàn)XPT實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)望遠(yuǎn)鏡探測到脈沖星的目標(biāo)，并完成了一年以上脈沖星觀測數(shù)據(jù)的收集。

圖4 Crab脈沖星每次脈沖輪廓Fig. 4 Pulse profile of each observation of Crab

同時(shí)分析了FXPT觀測Crab脈沖星X射線光子系列的能量分布，研究Crab脈沖星的輻射能譜，判斷是否存在污染源。統(tǒng)計(jì)4年來所有Crab脈沖星光子的能量分布，如圖5所示。FXPT收到的光子大部分能量在0.5～5 keV的范圍內(nèi)，這部分光子主要由脈沖星的輻射貢獻(xiàn)，因?yàn)镃rab脈沖星的能譜是冪律譜，光子數(shù)量隨著能量增加而冪律下降。FXPT在約10.2 keV和10.5 keV這2個(gè)能量處存在孤立的信號，其來自讀出電路中的電子噪聲竄擾，后面數(shù)據(jù)處理中不考慮。

圖5 Crab脈沖星光子能量的統(tǒng)計(jì)分布Fig. 5 Statistical distribution of photon energy of Crab

此外發(fā)現(xiàn)FXPT在9.5 keV附近存在大量的X射線光子，這些光子的能量分布曲線近似高斯分布，見圖6。首先排除空間高能電子與儀器作用產(chǎn)生的激發(fā)光子堆積到該區(qū)域，空間高能粒子堆積會產(chǎn)生平均效應(yīng)，或使低能部分流量更高。同時(shí)調(diào)查元素的特征射線表，只有Zn元素的Kβ譜線接近9.5 keV，然而沒有發(fā)現(xiàn)理應(yīng)流量更強(qiáng)的Zn元素的Kα譜線；其次將所有>9 keV的光子進(jìn)行周期搜索，未發(fā)現(xiàn)顯著性強(qiáng)的周期信號。

圖6 能量>7.2 keV光子的能量分布曲線Fig. 6 Energy distribution curve of photons with en?ergy greater than 7.2 keV

繼續(xù)將所有光子按照Crab脈沖星周期折疊脈沖輪廓，根據(jù)輪廓形狀判斷其是否來自于脈沖星輻射。利用射電星歷，折疊出了能量>9 keV光子的每月脈沖輪廓，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)這些光子沒有周期性，非來自脈沖星。通過跟望遠(yuǎn)鏡研制方研討，SDD數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)置了截止能量閾值為10.24 keV，由于電子學(xué)讀出系統(tǒng)存在一定的誤差，將所有能量超過10.24 keV的光子堆積在9.5 keV附近。SDD是一種硅基探測器，其能量分辨率約100 eV@5.4 keV，隨著能量增加及探測器在軌運(yùn)行，在更高能量處能量分辨率應(yīng)>0.100 keV，而由圖6可知在9.5 keV處能峰半高寬<0.100 keV，可見FXPT在9.5 keV附近光子能量分布應(yīng)該是讀出系統(tǒng)隨機(jī)誤差導(dǎo)致，屬于探測器的超上閾信號。與此同時(shí)，由圖5可知在5～9 keV能量范圍內(nèi)7.5、8.3、8.7 keV附近存在特征能譜輻射譜線。經(jīng)研判，7.5和8.3 keV處附近光子能量分布分別是望遠(yuǎn)鏡鏡片中Ni金屬受激輻射的Kα與Kβ譜線，8.7 keV處附近光子能量分布為Zn元素的Kα譜線。由于8.3和8.7 keV處譜線輻射流量較弱，擬合參數(shù)統(tǒng)計(jì)誤差較大，故利用8.3 keV處特征能譜輻射與探測器超上閾信號可為望遠(yuǎn)鏡性能穩(wěn)定性分析提供一種途徑。

圖7 能量>9 keV光子的每月累積輪廓形狀Fig. 7 Monthly cumulative contour shape of photons with energy larget than 9 keV

為了研究FXPT的近4年性能穩(wěn)定性，獲取了>7.2 keV光子的能量分布曲線，探究能量分布曲線是否隨時(shí)間變化。首先以年為單位，檢查光子的能量分布曲線，如圖8所示，在4年觀測時(shí)間內(nèi)，來自FXPT的光子能量分布曲線的形狀不盡相同，存在一些差異，然而2018年和2019年的光子能量分布曲線基本一致，這表明探測器性能已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

圖8 近4年光子的能量分布曲線Fig. 8 Energy distribution curves of photons in four years

將Crab脈沖星所有歷史觀測數(shù)據(jù)按月分組，分析7.5 keV和9.5 keV附近的光子能量分布曲線形狀隨時(shí)間變化趨勢，用高斯函數(shù)擬合分布曲線以定量描述曲線形狀的變化，得到特征譜的參數(shù)見表4。得到7.5 keV和9.5 keV附近的特征譜每月光子的能量分布曲線的峰強(qiáng)度、峰位置和寬度見圖9，能譜寬度采用半峰全寬（Full Width at Half Maxima，F(xiàn)WHM）。圖中紅色數(shù)據(jù)點(diǎn)為月能量分布曲線的參數(shù)，黑色數(shù)據(jù)點(diǎn)為年總能量分布曲線的參數(shù)，時(shí)間用簡化儒略日（Modified Julian Day，MJD）。如圖9（a）所示，自2018年起，7.5 keV特征譜的光子能量分布曲線的峰強(qiáng)度的月變化漲落顯著降低，且年時(shí)標(biāo)下穩(wěn)定在0.031 cts·keV?1·s?1附近；在誤差范圍內(nèi)，該特征譜的中心能量穩(wěn)定在7.5 keV附近，且2019年后，月時(shí)標(biāo)下中心能量隨時(shí)間穩(wěn)定不變；在月時(shí)標(biāo)下，特征譜的寬度具有較大的變化，但綜合每年的平均結(jié)果來看，4年內(nèi)特征譜的半高全寬基本穩(wěn)定在0.29 keV附近。對于9.5 keV附近的特征譜，從2018年開始，在年時(shí)標(biāo)下特征能譜的峰值強(qiáng)度穩(wěn)定在5.3 cts·keV?1·s?1附近，并且隨時(shí)間趨于穩(wěn)定，但月時(shí)標(biāo)下依然存在漲落變化。與峰值強(qiáng)度變化趨勢類似，在月時(shí)標(biāo)下峰值位置的變化也存在較大的漲落，至2019年后，峰值位置的月變化趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定在9.5 keV附近。從圖中可以明顯看出，特征譜寬度的月變化至2017年10月開始趨于穩(wěn)定變化，穩(wěn)定在0.09 keV附近?？v觀4年內(nèi)2個(gè)特征譜參數(shù)的月變化和年變化趨勢可以看出，2017年內(nèi)各個(gè)參數(shù)漲落較大，2018年和2019年各參數(shù)變化趨于穩(wěn)定。綜合分析，2017年10月后，XPNAV-1衛(wèi)星FXPT性能更加趨于穩(wěn)定。可見，通過利用X射線望遠(yuǎn)鏡本征特征能譜輻射，分析光子能量分布曲線的各種特征參數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律，能夠監(jiān)測望遠(yuǎn)鏡在軌性能穩(wěn)定性，有效彌補(bǔ)沒有攜帶標(biāo)定裝置的缺點(diǎn)。

表4 4年內(nèi)自FXPT的光子能量分布曲線特征參數(shù)Table 4 Characteristic parameters of photon energy distribution curve from FXPT in four years

圖9 7.5和9.5 keV附近光子能量分布曲線峰強(qiáng)度、中心值位置和半高全寬隨時(shí)間的變化Fig. 9 Variation of peak intensity， peak position and half height and full width of photon energy distribution curve around 7.5 and 9.5 keV

4 結(jié)論

XPNAV-1衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命1年，現(xiàn)已在軌工作5年多時(shí)間，獲取大量觀測數(shù)據(jù)，并取得豐碩研究成果，驗(yàn)證了國產(chǎn)望遠(yuǎn)鏡性能。本文通過分析近4年FXPT觀測Crab脈沖星光子的能量分布曲線，發(fā)現(xiàn)FXPT在9.5 keV附近存在一個(gè)強(qiáng)X射線輻射峰，為探測器的超上閾信號，同時(shí)發(fā)現(xiàn)FXPT在7.5 keV附近特征能譜是由望遠(yuǎn)鏡鏡片中Ni金屬受激輻射引起的。據(jù)此提出了一種利用望遠(yuǎn)鏡本征特征能譜和超上閾信號共同監(jiān)測其在軌穩(wěn)定性的方法，通過研究輻射能譜特征參數(shù)隨時(shí)間的變化，分析望遠(yuǎn)鏡的工作穩(wěn)定性。通過近4年Crab脈沖星數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)FXPT于2017年10月后性能更加趨于穩(wěn)定。該方法可有效地彌補(bǔ)XPNAV-1衛(wèi)星無攜帶輻射標(biāo)定裝置的缺點(diǎn)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

當(dāng)前XPNAV-1衛(wèi)星在軌工作滿5年，已經(jīng)超負(fù)荷完成了試驗(yàn)衛(wèi)星預(yù)定目標(biāo)。希望項(xiàng)目管理方能夠發(fā)布更長時(shí)間觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析FXPT在軌穩(wěn)定性。同時(shí)期待XPNAV-1衛(wèi)星開展更多超新星遺跡觀測，研究其能量與電壓關(guān)系的變化趨勢，有利于衛(wèi)星后續(xù)觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確分析。

致 謝

感謝中國科學(xué)院高能物理研究所葛明玉博士的指導(dǎo)，感謝所有為XPNAV-1衛(wèi)星論證、研制及運(yùn)行保障的科研及管理人員。