掠入射聚焦型脉冲星探测器在轨有效面积标定及灵敏度分析∗

石永强 邓楼楼 吕政欣 梅志武

(北京控制工程研究所 北京 100190)

1 引言

掠入射聚焦型脉冲星探测器(Focusing X-ray Pulsar Telescope,FXPT)是我国X射线脉冲星导航试验卫星上的主要有效载荷,其设计目标是探测来源于X射线脉冲星发射的X射线光子,并精确测定X射线光子的到达时刻和能量,从而验证X射线脉冲星导航技术方案的可行性.掠入射聚焦型脉冲星探测器工作在软X射线(1–10 keV)波段,视场为15′,探测器设计采用X射线掠入射聚焦技术方案.

有效面积(EA)标定是X射线天文探测仪器关键的测试项目之一.探测器有效面积要经过地面和在轨的严格标定.有效面积地面标定采用已知流强的高准直X射线标定光束.由于X射线的聚焦准直非常困难,只能采取长光束线进行测试,因此有效面积地面标定设备复杂庞大,标定成本很高[1−7].宇宙X射线天然辐射源由于其距离地球较远,地球附近的辐射光束为平行光,因此可考虑利用已知流量的天然辐射源实现探测器有效面积的在轨标定.

蟹状星云(Crab Nebula)是天球上较亮的X射线天然辐射源之一,其视直径约2′,同时与其他X射线辐射源相隔较远.蟹状星云X射线辐射自发现以来,先后被大量X射线天文卫星所观测,获得了最为详实的观测数据,已经成为X射线天文探测仪器在轨标定的标准光源[8−9].本文采用蟹状星云作为标定目标源,实现掠入射聚焦型脉冲星探测器有效面积的在轨标定,并据此评估探测器的观测灵敏度.

2 探测器组成

掠入射聚焦型脉冲星探测器主要由光学头部和电子线路两大部分组成,其中光学头部主要包括多层嵌套掠入射聚焦镜头和硅漂移X射线探测器(SDD).光学镜头将入射的X射线光子聚焦到探测器上,探测器将入射光子信号转换为电脉冲信号.电子线路处理电脉冲信号最终得到入射X射线光子的到达时刻和能量.探测器原理图如图1所示.

图1 探测器原理图Fig.1 The FXPT schematic diagram

掠入射聚焦镜头由4层单次反射抛物面镜片组成,总有效几何面积约30 cm2.掠入射聚焦型脉冲星探测器的主要技术指标如表1所示.

表1 掠入射聚焦型脉冲星探测器技术指标Table 1 The FXPT speci fi cations

3 有效面积标定

掠入射聚焦型脉冲星探测器接收到的光子流量如(1)式所示:

其中,SX-ray为探测器接收到的光子流量,单位为photon/s;Flux(λ)X-ray为目标源的光子辐射流量,单位为photon·cm−2·s−1·keV−1;Aeff(λ)为探测器光学系统有效面积,单位为cm2;ηSDD(λ)为SDD探测器的效率.

由(1)式可知,探测器有效面积为探测器光学系统有效面积和SDD探测器效率的乘积.为标定探测器有效面积,需分析蟹状星云的辐射流量和探测器的观测流量.

3.1 蟹状星云辐射流量

蟹状星云辐射的X射线光子流量(300–3000 eV)如图2所示[10].

图2 蟹状星云辐射流量Fig.2 The radiation intensity of Crab Nebula

3.2 蟹状星云观测流量

掠入射聚焦型脉冲星探测器于2016年11月10日发射入轨.2016年12月30日至2017年3月19日,探测器对蟹状星云的40次观测结果如图3所示.图3观测时间起点为2016年12月30日,每次观测时长为3000 s,得到总光子计数约170万.现将观测数据分为两组,分别对前后20次蟹状星云观测数据进行能谱分析(300–3000 eV,1σ),其结果如图4所示,其中虚线部分为前20次观测数据结果(2016-12-30—2017-02-15),实线部分为后20次观测数据结果(2017-02-19—2017-03-19).

3.3 有效面积计算

由(1)式可知,探测器有效面积理论上是探测器光学系统有效面积和SDD探测器效率的乘积.此外,实际上还受到装配关系、结构变形、温度变化等工程因素的影响[11].综合考虑所有因素影响,由图2和图4的蟹状星云辐射及观测流量可知,探测器有效面积(300–3000 eV)如表2(3σ)、图5(1σ)所示. 图5中虚线部分为前20次观测数据(2016-12-30—2017-02-15)的标定结果,实线部分为利用后20次观测数据(2017-02-19—2017-03-19)进行检验的结果.经过在轨标定,掠入射聚焦型脉冲星探测器在轨有效面积典型值为(2.39± 0.39)cm2@1.5 keV(3σ),最大值为(3.09± 0.23)cm2@1.5 keV(3σ).探测器有效面积标定及检验结果显示,掠入射聚焦型脉冲星探测器(FXPT)在轨工作稳定性较好.

图3 蟹状星云观测流量Fig.3 The X-ray counting rate of Crab Nebula observed by FXPT

图4 蟹状星云观测能谱强度Fig.4 The observed energy intensity of Crab Nebula

图5 FXPT有效面积Fig.5 The effective areas of FXPT

表2 探测器在轨有效面积标定结果Table 2 The in-orbit effective areas of FXPT

4 灵敏度分析

X射线望远镜灵敏度定义为能够观测到的光子数量至少比本底B的平均值大nσ个标准方差.掠入射聚焦型脉冲星探测器为单镜头X射线探测器,其灵敏度Fmin[12]可表示为

其中,B是探测器本底噪声,单位为photon·s−1·keV−1;Aeff是探测器光学系统有效面积,单位为cm2;η是探测器件效率;nσ是探测信噪比;T是观测时间,单位为s;∆E是观测能段,单位为keV.

由(2)式可知,分析探测器灵敏度的关键在于本底噪声B和在轨有效面积ηAeff的确定.2017年5月25日至2017年5月31日,对探测器在轨本底噪声进行了测试.探测器本底噪声测试结果如表3所示.

表3 探测器在轨噪声测试结果Table 3 The in-orbit noise of FXPT

由表3可知,探测器在轨本底噪声为(4.16± 1.42×10−3)photon/s(0.5–3 keV,40◦N–40◦S, 除SAA(South Atlantic Anomaly)区). 因此,B=(1.54 ± 0.53×10−3)photon·s−1·keV−1. 考虑到蟹状星云辐射流量积分值为2.68 photon·cm−2·s−1·keV−1(0.5–3 keV),则探测器本底噪声对有效面积结果的影响小于5.75×10−4cm2.

探测器在轨有效面积ηAeff如图5所示,0.5–3keV能段积分在轨有效面积ηAeff=1.75 cm2.为使信噪比nσ达到5,根据(2)式计算,探测器在轨观测灵敏度需达到2.24×10−3photon·cm−2·s−1·keV−1(0.5–3 keV,T=1000 s,nσ=5).

探测器灵敏度Fmin与观测时间T的关系(0.5–3 keV)如图6所示.

图6 探测器灵敏度Fmin与观测时间T的关系Fig.6 The relationship between Fminand T

5 结论

本文分析了X射线天文探测仪器有效面积及灵敏度的在轨标定方法.利用蟹状星云作为标定目标源,获得了掠入射聚焦型脉冲星探测器(FXPT)300–3000 eV能段的有效面积.根据探测器在轨本底噪声以及有效面积,评估了探测器的观测灵敏度.经过在轨标定,掠入射聚焦型脉冲星探测器在轨有效面积典型值为(2.39±0.39)cm2@1.5 keV(3σ),观测灵敏度为2.24×10−3photon·cm−2·s−1·keV−1(0.5–3 keV,T=1000 s,nσ=5).

[1]Zhao P,Jerius D H,Edgar R J,et al.SPIE,2004,5165:482

[2]Kolodziejczak J J,Austin R A,Elsner R F,et al.SPIE,1997,3113:65

[3]Weisskopf M C,O’dell S L.SPIE,1997,3113:2

[4]Itoh K,Kunieda H,Maeda Y,et al.SPIE,2004,5488:85

[5]Freyberg M,Budau B,Burkert W,et al.SPIE,2012,8443:51

[6]Ichihara K,Hayashi T,Ishida M,et al.SPIE,2012,8443:57

[7]Maeda Y,Itoh A,Itoh K,et al.SPIE,2003,4851:734

[8]Kirsch M G F,Briel U G,Burrows D,et al.SPIE,2005,5898:22

[9]Klett K K,Hill S.SPIE,2006,6317:2

[10]Schattenburg M L,Canizares C R.ApJ,1986,301:759

[11]Okajima T,Soong Y,Balsamo E R,et al.SPIE,2016,9905:4

[12]李刚,吴枚,张澍,等.空间科学学报,2008,28:531