Wolter⁃I型X射线脉冲星探测器的空间环境本底分析

刘金胜，王博，宋娟，王文丛，李璟璟，徐振华

山东航天电子技术研究所，烟台 264670

自主导航是未来航天器发展的核心技术和关键技术［1］。目前，基于全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）中低轨道的航天器已基本实现自主导航，但局限于导航卫星的轨道高度和电磁信号的辐射角约束，GNSS难应用于深空探测器的自主导航任务［2］。X射线脉冲星导航（X-Ray Pulsar Navigation，XPNAV）是利用脉冲星辐射的X射线信号对航天器进行定位、定姿、授时、测速的一种自主天文导航技术，具有导航精度高、安全性强、可自主运行等特点［3］，且可覆盖从低地球轨道直至行星际的整个宇宙空间［4］，是一种新兴的航天器自主导航技术，具有广阔的应用前景。

随着X射线脉冲星导航技术的快速发展，高效率、高性能的X射线探测器成为航天器自主导航研究的重要内容。由于脉冲星距离远、辐射的X射线能量偏低、X射线掠入射角小、空间噪声大、探测器光学系统的加工装配精度要求高等问题，难以实现空间目标的高效率、高信噪比观测，因此发展高聚焦性能的X射线探测器是实现X射线脉冲星导航的关键之一［5］。近年来，具有空间本底噪声小、光学增益大的Wolter-I型X射线脉冲星探测器得到了广泛的关注与应用［6-7］。Wolter-I型X射线脉冲星探测器光学系统由一个抛物面反射镜和一个双曲面反射镜构成，利用共焦抛物面-双曲面的内反射面在相同焦距下缩小系统的体积，简化系统准直装调，且可实现多层嵌套，有利于增大系统的集光面积［8］。

在聚焦型X射线探测器物理设计和性能评估中，探测器粒子本底水平的估计是一个始终需要关注的重要指标［9］。影响探测器粒子本底水平的因素包括运行轨道的空间辐射环境、整体结构屏蔽、聚焦镜响应、传感器附近区域结构设计、传感器及电子学设计等［10］。目前比较普遍的粒子本底水平估计方法主要有两种：① 将已在轨相似空间辐射环境及探测器的观测结果作为输入，同时考虑自身探测器特征引入修正因子加以估计，该方法由于没有更多考虑每个载荷的独特性结果误差较大［11］；② 通过蒙特卡罗（Monte Carlo， MC）方法使用粒子输运软件建立探测器质量模型模拟其对空间辐射环境的响应［12］，这种方法是国内外空间X射线探测器普遍使用的方法，在很多空间实验中该方法估算的结果与在轨实测结果具有很好的一致性［13］。

本文基于空间环境信息系统（Space Envi⁃ronment Information System，SPENVIS）和GEANT4平台对一种Wolter-I型X射线脉冲星探测器开展优化设计，以尽可能降低空间中辐射粒子对目标脉冲星观测的影响，减少探测器的空间环境本底，提升探测器信噪比和灵敏度。首先利用SPENVIS平台仿真700 km地球圆轨道上的空间辐射环境，给出地球捕获辐射带粒子、太阳宇宙线和银河宇宙线的分布与能谱特征，作为探测器模拟中入射粒子的依据；然后利用GEANT4程序包构建由Wolter-I型光学系统、遮光膜、准直器、硅漂移探测器（SDD）组成的X射线脉冲星探测器，基于不同尺寸、形状、材料的遮光膜和准直器模型模拟不同种类空间辐射粒子（电子、质子及氦）在探测器中的输运过程和能量响应；最后依据探测器对不同种类粒子的能量响应分析其对低能粒子屏蔽能力，估算探测器空间环境本底，实现探测器结构及参数的优化。

1 空间辐射环境仿真

以高度700 km、倾角60°的地球圆轨道为例，采用SPENVIS［14］平台开展空间辐射环境仿真及探测器仿真中入射粒子的生成。

1.1 基于SPENVIS平台的空间辐射粒子仿真

空间辐射环境中辐射粒子主要分为地球捕获辐 射带粒 子［15-16］、太阳 宇宙线［17］和 银河宇宙线［18］。卫星轨道不同时空间辐射环境中辐射粒子的分布与能谱差异很大，其对Wolter-I型X射线脉冲星探测器造成的空间辐射环境本底也不同，尤其是经过南大西洋异常区（The South At⁃lantic Anomaly，SAA）［19］区和高磁纬区时。

1.1.1 轨道参数设置

空间辐射粒子仿真时先在SPENVIS平台中设置航天器轨道信息。仿真中卫星轨道采用700 km的圆轨道，任务周期为2023年1月1日—2024年1月1日，具体参数设置见表1。

表1 轨道参数Table 1 Parameters of orbit

1.1.2 空间辐射粒子分布与能谱

在SPENVIS仿真中地球捕获辐射带电子采用AE8模型，质子采用AP8模型［20］。通过仿真给出了能量E>0.04 MeV的电子和E>0.10 MeV的质子在运行轨道上的流强分布，如图1和图2所示。可见电子主要分布在高磁纬区和SAA区；质子主要分布在SAA区，在高磁纬区也有少量分布。

图1 E>0.04 MeV电子在轨道面上的分布Fig.1 Distribution of electrons （E>0.04 MeV） on orbit

图2 E>0.10 MeV质子在轨道面上的分布Fig.2 Distribution of protons （E>0.10 MeV） on orbit

太阳宇宙线采用CREME-96（worst week）模型，银河宇宙线采用CREME-96 Sol. Min（1977）模型［21-22］，其仿真的粒子种类都是氢-铀。

通过SPENVIS仿真可知在700 km的圆轨道地球捕获辐射带中能量大于0.04 MeV电子的积 分 流 强 为5.31×105cts/（cm2·s）；能 量 大 于0.10 MeV质子的积分流强为6.95×103cts/（cm2·s）。太阳宇宙线和银河宇宙线中质子和氦的占比大于99%，所以太阳宇宙线和银河宇宙线仅选取质子和氦的积分能谱作为代表。

地球捕获辐射带中电子与质子、太阳宇宙线中质子与氦、银河宇宙线中质子与氦的积分能谱如图3所示。根据Wolter-I型X射线脉冲星探测器的结构与位置，从SDD传感器后方到达的空间辐射粒子会被卫星阻拦，所以仅统计SDD传感器前方半球空间（立体角为2π）内的空间辐射粒子。

从图3可知700 km地球圆轨道的空间辐射环境中电子来自地球捕获辐射带，低能量的质子和氦主要来自太阳宇宙线，高能量的质子和氦来自银河宇宙线。

图3 空间辐射粒子的积分能谱Fig.3 Integral spectrum of space radiation particles

1.2 空间辐射粒子生成

依据空间辐射粒子SPENVIS仿真中得到的电子、质子、氦的积分能谱通过插值、差分、随机函数生成等方法生成契合积分能谱的随机电子、质子和氦，其能谱如图4所示。

图4 随机生成的电子、质子与氦的能谱Fig.4 Spectrum of random generated electrons， protons and helium

随机生成的空间辐射粒子的位置均匀分布在半径为3.85 mm的SDD传感器上、天顶角范围为0～π/2、方位角范围为0～2π。为既保证低通量能段粒子数目满足仿真要求，而又不导致高通量能段粒子数目过多影响仿真效率，产生随机粒子时按能谱分为两段。仿真产生的粒子数目见表2。

表2 随机粒子数量Table 2 Number of random particles

依据随机辐射粒子的能量、入射方向及与SDD传感器接触的位置设置GEANT4仿真中入射粒子参数，实现空间环境中辐射粒子与Wolter-I型X射线脉冲星探测器相互作用的模拟。

2 Wolter⁃I型X射线脉冲星探测器模型

Wolter-I型X射线脉冲星探测器由Wolter-I型光学系统、遮光膜、准直器、SDD传感器及相应电子学系统组成。其中Wolter-I型光学系统由同轴共焦的环形抛物面和双曲面构成，采用掠入射光学聚焦原理；遮光膜覆盖在准直器前端面，SDD传感器放置于准直器后端。X射线脉冲星探测器的MC模拟涉及入射粒子源生成、探测器构建及两者之间的相互作用。带电粒子与探测器之间的相互作用主要是电磁相互作用，包括康普顿散射、电离过程等，这些相互作用过程由GEANT4内部定义的类描述。入射粒子源的能量、种类、入射方向、入射位置及探测器各部分的尺寸、形状、材料、相对位置等参数均可通过外部设置调控。

2.1 脉冲星探测器工作原理

聚焦镜头采用掠入射光学聚焦原理将目标脉冲星辐射的X光子聚焦到SDD传感器上，同样空间辐射粒子及其在探测器中产生的次级粒子也会入射到SDD传感器上。此时入射的X射线光子和辐射粒子会在SDD中沉积能量并转换为与沉积能量相对应的电子-空穴，在外加电场的作用下电子被SDD传感器的阳极收集形成电荷信号，经电子学系统放大、成形得到快慢两路电压信号，其分别代表X光子与辐射粒子的时间信息和能量信息。

使用GEANT4软件包模拟X射线脉冲星探测器的前端部分，主要过程为粒子与探测器相互作用后在SDD中的能量沉积。通过模拟分析探测器尺寸、形状、材料等参数对X射线脉冲星探测器空间环境本底的影响，进而进行探测器优化。

2.2 GEANT4中脉冲星探测器的定义

GEANT4程序是由欧洲核子研究中心（CERN）的IT、API小组开发的对粒子物理和核物理探测器进行蒙特卡罗模拟的工具包［23-24］。Wolter-I型X射线脉冲星探测器的模拟程序结构如图5所示，主要包含RunManager、PrimaryGen⁃eratorAction、PhysicsList、DetectorConstruction、EventAction、RunAction、TrackerSD等派生类［25-26］。

图5 Wolter-I型X射线脉冲星探测器的模拟程序结构Fig.5 Analog program framework of Wolter-I X-ray pulsar detector

在DetectorConstruction中定义的Wolter-I型X射线脉冲星探测器，如图6所示，主要由Wolter-I型光学系统、遮光膜、准直器和SDD 传感器构成。遮光膜、准直器和SDD传感器如图7所示。

图6 GEANT4中定义的Wolter-I型X射线脉冲星探测器结构Fig.6 Structure of Wolter-I X-ray pulsar detector de⁃fined in GEANT4

图7 GEANT4中定义的遮光膜、准直器和SDD传感器结构Fig.7 Structures of shading film， collimator and SDD sensor defined in GEANT4

Wolter-I型光学镜头由固定架、镜片、镀膜组成；遮光膜由聚酰亚胺与铝膜构成；准直器是内径14 mm的铝筒，内表面刻有螺纹；SDD传感器由镍外壳、铍窗和敏感区组成。GEANT4模型中仅构建SDD敏感区及以上部分，铍窗厚度 为12.5 μm，SDD敏 感 区 厚 度 为450 μm。GEANT4模型中Wolter-I型X射线脉冲星探测器的尺寸、形状、材料均与实际设计的探测器一致，仅在光学镜头处简化了标准件和镜片固定栅格。

3 探测器优化与空间辐射环境本底分析

基于1.2节中生成的空间辐射粒子在GEANT4中生成带有种类、能量、入射方向、入射位置等信息的粒子源。将粒子源入射到X射线脉冲星探测器模型中，入射方式为在天顶角95°～180°内所有粒子均对准SDD传感器入射，如图8和图9所示，可见：① 在165°～180°视场内入射粒子距SDD传感器高度为1700 mm，能覆盖光学镜头；② 在95°～165°视场内入射粒子距SDD传感器高度为60 mm，以保证大视场范围。

通过图8和图9可知在GEANT4仿真中空间粒子入射的位置与入射方向在设定范围内是随机的，能较真实地反映Wolter-I型X射线脉冲星探测器在轨时空间粒子辐照情况。

图8 GEANT4中粒子入射位置Fig.8 Incidence positions of particles in GEANT4

图9 GEANT4中粒子入射角度Fig.9 Incidence angle of particles in GEANT4

在GEANT4仿真中完成入射粒子源的能量、种类、入射方向、入射位置设定后调整探测器模型的尺寸、形状、材料等参数开展不同状态下仿真，实现探测器的优化设计。以遮光膜的材料、尺寸参数优化为例开展简要介绍。

3.1 遮光膜参数优化仿真

Wolter-I型X射线脉冲星探测器的遮光膜由聚酰亚胺与铝膜构成，在GEANT4仿真中参数设置如表3所示

表3 GEANT4仿真中遮光膜编号及参数Table 3 Numbers and parameters of shading film in GEANT4 simulation

通过计算不同遮光膜对X射线、电子及质子的阻挡能力（穿过不同遮光膜的X射线、电子及质子数目与入射总数目的比例）实现遮光膜材料与尺寸的优化。不同遮光膜对X射线、电子、质子的阻挡能力如图10～图12所示。可知遮光膜对低能电子的阻挡效果明显，通过综合考虑不同遮光膜对X射线、电子、质子的阻挡效果，基于尽量减少遮光膜对X射线阻挡，又尽可能提升遮光膜对电子、质子的阻挡能力原则，最终遮光膜采用1500 nm厚度的聚酰亚胺与100 nm厚度的镀铝膜。

图10 不同遮光膜对X射线的阻挡能力Fig.10 X-ray shielding capability of different shading films

图11 不同遮光膜对电子的阻挡能力Fig.11 Electron shielding capability of different shad⁃ing films

图12 不同遮光膜对质子的阻挡能力Fig.12 Proton shielding capability of different shading films

3.2 空间辐射环境本底分析

在GEANT4中模拟入射粒子在X射线脉冲星探测器（具有不同尺寸、形状、材料的遮光膜和准直器）中的相互作用过程，得到入射粒子在SDD传感器中的沉积能量。通过沉积能量阈值选择分析探测器空间环境本底差异，筛选出最优的遮光膜和准直器参数并给出优化后Wolter-I型X射线脉冲星探测器的空间环境本底，如表4所示。700 km地球圆轨道中不同粒子产生的空间辐射环境本底不一致，这主要是由电子引起的，其会导致X射线探测的信噪比及灵敏度下降。主要通过屏蔽和能量阈值设置抑制空间环境本底，大部分低能空间辐射粒子不能穿透遮光膜和准直器，穿透遮光膜和准直器而又在SDD传感器中触发的空间辐射粒子则通过设置能量阈值（0.5～10.0 keV）排除。

表4 优化后X射线脉冲星探测器的空间环境本底Table 4 Space envrionment background of optimized X-ray pulsar detector

4 结 论

利用SPENVIS平台、GEANT4软件包对空间环境和Wolter-I型X射线脉冲星探测器开展了仿真模拟研究，简述了空间环境及其相应模型、探测器工作原理、模拟程序构成、参数设置及结构。基于不同的空间辐射环境模型采用随机函数生成了契合能谱的随机电子、质子和氦等粒子，并将其入射到X射线脉冲星探测器模型中实现了空间环境模型和探测器模型的结合，给出了不同种类、不同能量的空间辐射粒子在SDD传感器上产生的本底。通过分析可知探测器通过屏蔽、准直、沉积能量阈值等手段可有效抑制空间环境中带电粒子本底，提高探测器的信噪比。下一步计划引入反符合探测器进一步实现X射线脉冲星探测器空间环境本底抑制。