掠入射聚焦型脈沖星探測器在軌有效面積標(biāo)定及靈敏度分析?

石永強(qiáng) 鄧樓樓 呂政欣 梅志武

(北京控制工程研究所 北京 100190)

1 引言

掠入射聚焦型脈沖星探測器(Focusing X-ray Pulsar Telescope,FXPT)是我國X射線脈沖星導(dǎo)航試驗衛(wèi)星上的主要有效載荷,其設(shè)計目標(biāo)是探測來源于X射線脈沖星發(fā)射的X射線光子,并精確測定X射線光子的到達(dá)時刻和能量,從而驗證X射線脈沖星導(dǎo)航技術(shù)方案的可行性.掠入射聚焦型脈沖星探測器工作在軟X射線(1–10 keV)波段,視場為15′,探測器設(shè)計采用X射線掠入射聚焦技術(shù)方案.

有效面積(EA)標(biāo)定是X射線天文探測儀器關(guān)鍵的測試項目之一.探測器有效面積要經(jīng)過地面和在軌的嚴(yán)格標(biāo)定.有效面積地面標(biāo)定采用已知流強(qiáng)的高準(zhǔn)直X射線標(biāo)定光束.由于X射線的聚焦準(zhǔn)直非常困難,只能采取長光束線進(jìn)行測試,因此有效面積地面標(biāo)定設(shè)備復(fù)雜龐大,標(biāo)定成本很高[1?7].宇宙X射線天然輻射源由于其距離地球較遠(yuǎn),地球附近的輻射光束為平行光,因此可考慮利用已知流量的天然輻射源實現(xiàn)探測器有效面積的在軌標(biāo)定.

蟹狀星云(Crab Nebula)是天球上較亮的X射線天然輻射源之一,其視直徑約2′,同時與其他X射線輻射源相隔較遠(yuǎn).蟹狀星云X射線輻射自發(fā)現(xiàn)以來,先后被大量X射線天文衛(wèi)星所觀測,獲得了最為詳實的觀測數(shù)據(jù),已經(jīng)成為X射線天文探測儀器在軌標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)光源[8?9].本文采用蟹狀星云作為標(biāo)定目標(biāo)源,實現(xiàn)掠入射聚焦型脈沖星探測器有效面積的在軌標(biāo)定,并據(jù)此評估探測器的觀測靈敏度.

2 探測器組成

掠入射聚焦型脈沖星探測器主要由光學(xué)頭部和電子線路兩大部分組成,其中光學(xué)頭部主要包括多層嵌套掠入射聚焦鏡頭和硅漂移X射線探測器(SDD).光學(xué)鏡頭將入射的X射線光子聚焦到探測器上,探測器將入射光子信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信號.電子線路處理電脈沖信號最終得到入射X射線光子的到達(dá)時刻和能量.探測器原理圖如圖1所示.

圖1 探測器原理圖Fig.1 The FXPT schematic diagram

掠入射聚焦鏡頭由4層單次反射拋物面鏡片組成,總有效幾何面積約30 cm2.掠入射聚焦型脈沖星探測器的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示.

表1 掠入射聚焦型脈沖星探測器技術(shù)指標(biāo)Table 1 The FXPT speci fi cations

3 有效面積標(biāo)定

掠入射聚焦型脈沖星探測器接收到的光子流量如(1)式所示:

其中,SX-ray為探測器接收到的光子流量,單位為photon/s;Flux(λ)X-ray為目標(biāo)源的光子輻射流量,單位為photon·cm?2·s?1·keV?1;Aeff(λ)為探測器光學(xué)系統(tǒng)有效面積,單位為cm2;ηSDD(λ)為SDD探測器的效率.

由(1)式可知,探測器有效面積為探測器光學(xué)系統(tǒng)有效面積和SDD探測器效率的乘積.為標(biāo)定探測器有效面積,需分析蟹狀星云的輻射流量和探測器的觀測流量.

3.1 蟹狀星云輻射流量

蟹狀星云輻射的X射線光子流量(300–3000 eV)如圖2所示[10].

圖2 蟹狀星云輻射流量Fig.2 The radiation intensity of Crab Nebula

3.2 蟹狀星云觀測流量

掠入射聚焦型脈沖星探測器于2016年11月10日發(fā)射入軌.2016年12月30日至2017年3月19日,探測器對蟹狀星云的40次觀測結(jié)果如圖3所示.圖3觀測時間起點為2016年12月30日,每次觀測時長為3000 s,得到總光子計數(shù)約170萬.現(xiàn)將觀測數(shù)據(jù)分為兩組,分別對前后20次蟹狀星云觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行能譜分析(300–3000 eV,1σ),其結(jié)果如圖4所示,其中虛線部分為前20次觀測數(shù)據(jù)結(jié)果(2016-12-30—2017-02-15),實線部分為后20次觀測數(shù)據(jù)結(jié)果(2017-02-19—2017-03-19).

3.3 有效面積計算

由(1)式可知,探測器有效面積理論上是探測器光學(xué)系統(tǒng)有效面積和SDD探測器效率的乘積.此外,實際上還受到裝配關(guān)系、結(jié)構(gòu)變形、溫度變化等工程因素的影響[11].綜合考慮所有因素影響,由圖2和圖4的蟹狀星云輻射及觀測流量可知,探測器有效面積(300–3000 eV)如表2(3σ)、圖5(1σ)所示. 圖5中虛線部分為前20次觀測數(shù)據(jù)(2016-12-30—2017-02-15)的標(biāo)定結(jié)果,實線部分為利用后20次觀測數(shù)據(jù)(2017-02-19—2017-03-19)進(jìn)行檢驗的結(jié)果.經(jīng)過在軌標(biāo)定,掠入射聚焦型脈沖星探測器在軌有效面積典型值為(2.39± 0.39)cm2@1.5 keV(3σ),最大值為(3.09± 0.23)cm2@1.5 keV(3σ).探測器有效面積標(biāo)定及檢驗結(jié)果顯示,掠入射聚焦型脈沖星探測器(FXPT)在軌工作穩(wěn)定性較好.

圖3 蟹狀星云觀測流量Fig.3 The X-ray counting rate of Crab Nebula observed by FXPT

圖4 蟹狀星云觀測能譜強(qiáng)度Fig.4 The observed energy intensity of Crab Nebula

圖5 FXPT有效面積Fig.5 The effective areas of FXPT

表2 探測器在軌有效面積標(biāo)定結(jié)果Table 2 The in-orbit effective areas of FXPT

4 靈敏度分析

X射線望遠(yuǎn)鏡靈敏度定義為能夠觀測到的光子數(shù)量至少比本底B的平均值大nσ個標(biāo)準(zhǔn)方差.掠入射聚焦型脈沖星探測器為單鏡頭X射線探測器,其靈敏度Fmin[12]可表示為

其中,B是探測器本底噪聲,單位為photon·s?1·keV?1;Aeff是探測器光學(xué)系統(tǒng)有效面積,單位為cm2;η是探測器件效率;nσ是探測信噪比;T是觀測時間,單位為s;?E是觀測能段,單位為keV.

由(2)式可知,分析探測器靈敏度的關(guān)鍵在于本底噪聲B和在軌有效面積ηAeff的確定.2017年5月25日至2017年5月31日,對探測器在軌本底噪聲進(jìn)行了測試.探測器本底噪聲測試結(jié)果如表3所示.

表3 探測器在軌噪聲測試結(jié)果Table 3 The in-orbit noise of FXPT

由表3可知,探測器在軌本底噪聲為(4.16± 1.42×10?3)photon/s(0.5–3 keV,40?N–40?S, 除SAA(South Atlantic Anomaly)區(qū)). 因此,B=(1.54 ± 0.53×10?3)photon·s?1·keV?1. 考慮到蟹狀星云輻射流量積分值為2.68 photon·cm?2·s?1·keV?1(0.5–3 keV),則探測器本底噪聲對有效面積結(jié)果的影響小于5.75×10?4cm2.

探測器在軌有效面積ηAeff如圖5所示,0.5–3keV能段積分在軌有效面積ηAeff=1.75 cm2.為使信噪比nσ達(dá)到5,根據(jù)(2)式計算,探測器在軌觀測靈敏度需達(dá)到2.24×10?3photon·cm?2·s?1·keV?1(0.5–3 keV,T=1000 s,nσ=5).

探測器靈敏度Fmin與觀測時間T的關(guān)系(0.5–3 keV)如圖6所示.

圖6 探測器靈敏度Fmin與觀測時間T的關(guān)系Fig.6 The relationship between Fminand T

5 結(jié)論

本文分析了X射線天文探測儀器有效面積及靈敏度的在軌標(biāo)定方法.利用蟹狀星云作為標(biāo)定目標(biāo)源,獲得了掠入射聚焦型脈沖星探測器(FXPT)300–3000 eV能段的有效面積.根據(jù)探測器在軌本底噪聲以及有效面積,評估了探測器的觀測靈敏度.經(jīng)過在軌標(biāo)定,掠入射聚焦型脈沖星探測器在軌有效面積典型值為(2.39±0.39)cm2@1.5 keV(3σ),觀測靈敏度為2.24×10?3photon·cm?2·s?1·keV?1(0.5–3 keV,T=1000 s,nσ=5).

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