ASO-S卫星HXI调制定标装置设计与验证.pdf
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1、ASO-S Mission(in Chinese).Chinese Journal pace Science,2023,43(4):747-757.D0I:10.1.04.2022-0013CHEN Dengyi,ZHANG Zhe,JIANG Xiankai,HU Yiming.Development of an X-ray Modulation Characterization System for HXI Payload Onboard0254-6124/2023/43(4)-0747-11Chin.J.SpaceSci.空间科学学报ASO-S 卫星HXI调制定标装置设计与验证陈灯意1,
2、2张哲1,2,3江贤恺1,2,3胡一鸣1,2,31(中国科学院紫金山天文台南京210023)2(中国科学院暗物质与空间天文重点实验室南京210023)3(中国科学技术大学天文与空间科学学院合肥230026)摘要先进天基太阳天文台卫星(ASO-S)是中国首颗综合性太阳观测任务,太阳硬X射线成像仪(HXI)是ASO-S卫星三大载荷之一,主要负责太阳耀斑观测。HXI采用阵列空间调制间接成像方法,包含91个子准直器单元。发射前,在地面对HXI进行调制参数定标非常必要,但由于没有平行的X射线源而十分困难。本文根据HXI的基本原理与设计方案,提出了基于地面调制功能定标的设备与HXI调制定标的需求。根据所述
3、需求,介绍了研制的X射线束流调制定标装置;利用该装置对HXI飞行件上所有子准直器完成地面调制功能定标。标定试验结果与预期相符,充分证明了准直器与X射线束流定标装置性能优良,该装置还可用于后续类似载荷的定标。关键词HXI载荷,准直器,调制,束流定标,装置中图分类号P172.2XDevelopment of an X-ray Modulation CharacterizationSystem for HXI Payload Onboard ASO-S MissionCHEN Dengyil:21,2,3JIANG Xiankai l2.3HU Yiming1,2,3ZHANG Zhe1(Purpl
4、e Mountain Observatory,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210023)2(Key Laboratory of Dark Matter and Space Astronomy,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210023)3(School of Astronomy and Space Sciences,University of Science and Technology of China,Hefei 230026)AbstractThe Advanced Space-based Solar
5、Observatory(ASO-S)was sent to space on 9 October2022.As the first comprehensive satellite for solar concentrated observations of China,the ASO-S car-ries three payloads:the Hard X-ray Imager(HXI),the Full-disk solar vector MagnetoGraph(FMG)andthe Lyman-alpha Solar Telescope(LST),respectively.The ASO
6、-S dedicates to measuring the solar mag-*中国科学院科研仪器设备研制项目(YJKYYQ20200077),中国科学院战略性先导科技专项(XDA15320104)和中国科学院青促会项目(2 0 2 1317,Y2021087)共同资助2022-04-29收到原稿,2 0 2 2-11-2 5收到修定稿E-mail:d y c h e n p mo.a c.c n.通信作者胡一鸣,E-mail:h u y i mi n g p mo.a c.c nThe Author(s)2023.This is an open access article under t
7、he CC-BY 4.0 License(https:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/)7482023,43(4)Chin.J.SpaceSci空间科学学报netic field,and observing CMEs and solar flares.As a key instrument onboard,HXI aims at imaging so-lar flares in hard X-rays from 30 to 200 keV with angular resolution up to 3.2,field of view of 40.3,e
8、n-ergy resolution better than 24%at 32 keV and time cadence up to 0.125 s.Spatial modulation techniquesimilar to YOHKOH/HXT of Japan is adopted as equipping 91 Fourier units,or tungsten grid pairs inthe front and rear plates of collimator of HXI at 1190 mm distance.It is of great value to characteri
9、zemodulating parameters by beam calibration before launch due to X-ray modulation relation of grid pairsare the basis of modulation imaging.For a long time,the lack of appropriate laboratory conditions hasmade it difficult to perform such kind of calibration test in the development of similar instru
10、mentabroad.However,we developed a practical and efficient set of X-ray Modulation Characterization Sys-tem(XMCS)for the test of HXI.Firstly,the basic principle and design of HXI is introduced briefly.Sec-ondly,ground calibration facility as well as modulation calibration requirements of HXI are pres
11、ented.Detailed design and integration of XMCS were descripted subsequently.The modulation characteriza-tion test of the flight model of HXI has been successfully carried out to directly calibrate the modula-tion relation on the XMCS.Only part of the excellent calibration results are discussed here t
12、o verify theperformance of XMCS,which shows great value and potential for the upcoming similar X-ray payloadscalibration on ground.KeywordsHXI instrument,Collimator,Modulation,X-ray beam characterization,Facility0引言中国科学院空间科学先导专项自启动以来,已成功发射“悟空”、“墨子”与“慧眼”等多颗性能优异的科学卫星,取得了一系列重大创新成果。卫星在轨运行后,需要根据科学目标要求,利用
13、搭载的科学仪器开展相应的科学观测活动。在科学载荷研制和后续在轨观测过程中,如何深人了解设备观测的特性和能力,对于实现科学目标最大化具有重要意义。对于空间高能探测器而言,实际获得的测量信号是探测器接收到的空间辐射和探测器响应函数的卷积,定义F=R*f,其中F为探测器对天体辐射量f的测量结果,R为探测器响应函数。为获得准确的f,必须提前得到精确的探测器响应函数R。通过对探测器各项参数进行有计划的定标测试,可以确定并完善探测器响应函数R,确保从观测数据到目标信号反演的可靠性,这也是开展定标测试活动的原因之一。先进天基太阳天文台(ASO-S)是中国首颗综合太阳科学观测卫星,计划于2 0 2 2 年10
14、 月发射,旨在太阳第2 5活动峰年探究对太阳磁场、太阳耀斑与日冕物质抛射三者之间的因果关系。为此,ASO-S携带三台载荷,即全日面矢量磁像仪(FMG)、莱曼阿尔法太阳望远镜(LST)以及太阳硬X射线成像仪(HXI)2-4 作为三大核心载荷之一,HXI主要用于对太阳耀斑爆发活动中高能粒子加速产生的非热辐射进行成像和能谱观测。HXI包含准直器、量能器与电控箱三部分,分别完成X射线空间调制、探测接收和仪器供电与控制等功能5.。为获得准确的探测器响应,HXI在发射前需完成的地面定标包含探测单元能量响应6.7 、探测效率7 以及探测器调制功能定标。作为中国第一台太阳硬X射线成像望远镜,HXI在研制过程中
15、攻克了多项技术难点,为了更好地掌握HXI调制成像的性能,同时降低技术风险,研制了一套地面调制功能定标装置。本文根据HXI基本工作原理与方案设计,论述了地面调制功能定标原理,结合项目初样阶段研制的样机总结了地面标定对设备的具体需求;根据需求对调制成像定标装置开展了详细设计。利用研制完成的地面成像定标装置完成HXI飞行件调制成像定标测试,测试结果显示,研制的定标系统性能优良,准直器调制功能测试结果完全达到预期。该设备未来可以用作其他类似载荷的定标测试。749陈灯意等:ASO-S卫星HXI调制定标装置设计与验证1HXI载荷原理与设计1.1基本原理与设计太阳硬X射线由于能量较高,通常采用准直成像技术。
16、HXI载荷采用准直器间接成像的方法(傅里叶变换合成成像技术),其基本原理如图1所示18.9。傅里叶变换合成成像通常可以分为阵列空间调制和旋转时间调制。阵列空间调制整个调制系统在空间位置上相对不动,通过阵列足够多且摆放角度及节距均不同的子准直器,获得足够多的傅里叶分量,重建除耀斑源图,实现成像探测过程,例如日本YOHKOH卫星的HXT载荷10 、欧空局SolarOrbiter卫星的STIX载荷,这里的载荷HXI也属于该类型。旋转时间调制方法中,整个调制系统阵列的子准直器不区分摆放角度,只有节距不同,因此需要通过绕一定轴旋转准直系统获得具有不同角度的傅里叶分量,例如美国的RHESSI卫星8 。上述
17、载荷均以太阳耀斑观测为主要目标,其主要科学性能指标对比列于表112 。HXI载荷由相互远离的双光栅准直器组成,后端配置探测器,通过对人射光子进行调制,记录X射线经双准直器后随时间或空间的变化,测量源分布的特定傅里叶成分即可得到源图。HXI载荷组成如图2所示。准直器上配置91对包括10 种节距并摆放数十种角度的光栅子准直器,对入射X射线光子流进行空间调制,根据光子流方向的不同得到相应的傅里叶成分振幅;量能器位于准直器后端,配置的探测单元由溴化镧晶体耦合光电倍增管组成,与前端子准直器一一对应,用于记录调制后的X射线光子信息10 。HXI调制成像原理如图3所示。1.2X射线地面定标设备对于X射线探测
18、器地面定标,通常有三类设备可使用,即放射源、同步辐射X射线源与X射线系统。三类设备各自特点列于表2,具体分析如下。(1)放射源。放射源标定是高能粒子探测器研制标定过程中的常用手段,其通过释放衰变的粒子或特定能量的光子,模拟探测器在空间环境测量的对象,通过比较其所释放粒子的信息与探测器测量获得的响应信号,可以确定代表探测器的实际性能参数。放射源标定的主要优点在于,其释放出的粒子种类确定,粒子能量已知,方便对研制的探测器进行绝对定标。该优点同时也是放射源标定的劣势,即射线的流量与能量均无法调节,也无法通过准直获得平行X射线,因而无法用于地面调制功能定标。(2)同步辐射X射线源。可以根据需要获得不同
19、能量及流强的入射粒子,可以较为方便地测量探测器648951672787359135792359692Time24983640340866641478964545984图1时间调制傅里叶与空间调制傅里叶的成像原理Fig.1Basic principle of rotational modulation(a)and spatial modulation(b)表1主要同类载荷性能对比Table 1Comparison on main characteristics of similar X-ray detectorsHXT/YOHKOHRHESSISTIX/SolarOrbiterHXI/ASO-S
20、发射时间1991200220202022.10子准直器数量6493291光栅节距/umFinest105342750381000361224成像方式SMCRMCSMCSMC空间角分辨7.72.373.2探测器NaI(TI)GeCdTeLaBr3能量范围/keV20100317000415030200时间分辨(最快)/s0.520.10.1257502023,43(4)Chin.J.SpaceSci.空间科学学报的探测效率、能量响应等特性。中国的同步辐射X射线源主要有北京光源、上海光源和合肥光源三处。然而,同步辐射光源属于大科学装置,依赖于同步加速器的运行,其可供标定的时间非常有限,且需要提前足
21、够长的时间预约。空间科学载荷研制进度受制于部件级测试、总装集成、空间环境模拟测试等多个方面,时间上无法精确预估;另外,空间科学载荷标定较为复杂,标定设备较多,一般需要长时间定标,通常在12 个月,GECAM卫星的载荷标定持续时间长达半年以上,这也是同步辐射光源无法满足的。(3)X射线系统。X射线系统是基于X光机开发的束流标定装置。X射线系统主要包括三部分,即X光机、束流管道和调整平台。其中X光机利用电子束轰击阳极靶材,产生连续的韧致辐射能谱叠加特HXI collimatorHXI spectrometer(HXI-C)(HXI-S)HXIelectrical cabin(HXI-E)图2HXI
22、载荷组成Fig.2Scheme of HXI征X射线,经过单色化和平行化,获得满足标定需求的X射线束流;束流管道主要是对X光机中产生的X射线进行初步准直,形成平行X射线束流;调整平台主要用于待标定探测器的固定支撑和指向调节,通过该平台的精密指向调整,实现待标定探测器与X射线束流之间的精确位置关系,1.3HXI调制定标需求由于来自太阳的X射线会被大气吸收,不能到达地面,而在地面很难在X射线波段模拟太阳光的空间分布,因此直接对日试观测定标是不可行的。根据HXI载荷调制成像的基本原理,每一个傅里叶成分即每一个子准直器对应的调制关系都相互独立,在地面上如果具有平行的稳定X射线光子入射,通过测试各子准直
23、器对来自不同方向光子的调制响应关系,同样能够证明探测器调制特性和成像功能。然而建立满足平行度要求的束流装置和测试系统非常困难;在此表2地面定标设备对比Table2Comparison of different groundcalibrationfacilities设备放射源同步辐射X射线源X射线系统能量单能可调可调流强固定,无法调整根据需要调整根据需要可调平行度无法保证通过长管道保证通过长管道配合准直光阑准直稳定性稳定稳定稳定应用方便性随时可用需要提前申请应定制,随时可用用时间受限Imaging procedureImageFlareeruptionModulationreconstructi
24、onSub-collimatorsLTe(d)=cos=cos(s(晋aL)Tr(0)=sins=sin(_al)0.5TcTs一0 0300图3HXI调制成像基本原理Fig.3Basic imaging theory for HXI751陈灯意等:ASO-S卫星HXI调制定标装置设计与验证之前,国外同类载荷,例如YOHKOH/HXT,R H ES-SI及SolarOrbiter/STIX均未开展过全尺寸束流调制定标试验HXI地面定标依赖于双光栅准直器对入射光透过率的方向周期调制关系或者说调制模式,如图4所示13。调制模式与光栅本身加工的特征,如节距(周期)、缝宽等直接相关。保持X射线束流的人
25、射方向不变,通过旋转准直器的角度,即可获得准直器随角度变化的调制关系。如果准确获得了每一对子准直器调制关系曲线,在轨后基于调制关系对获得的科学数据即可进行相应的图像重建,进而获得图像,这就是地面定标的基本原理调制关系的周期T正比于准直器所用光栅的节距尺寸p,T=p/L/s i n o,L 为前后光栅间距,为光栅摆放角。因此,利用准直后的X射线束流,模拟实际的观测光,开展X射线束流测试,可以获取探测器对不同角度入射光子的响应函数,通过测量其周期验证光栅调制模式和X射线响应条件下的光栅节距参数。正样阶段配置的光栅节距参数详见文献14,其中最小节距为36 m(对应的摆放角包含2 57 0 115,1
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