一种聚焦型X射线望远镜性能综合测试评估方法

摘要

本发明为一种聚焦型X射线望远镜性能综合测试评估方法，其克服了现有技术中存在的主要集中于各种性能指标的测试标定，没有结合导航X射线脉冲星的观测需求进行综合性评价的问题，本发明对聚焦型X射线望远镜性能进行综合评估，为评估X射线望远镜在X射线脉冲星导航应用中的适用性提供理论依据。本发明包括以下步骤：(1)聚焦型X射线望远镜的几何面积测试；(2)聚焦型X射线望远镜的本底噪声测试；(3)聚焦型X射线望远镜的探测效率测试；(4)聚焦型X射线望远镜的工作能区测试；(5)聚焦型X射线望远镜性能的综合评价。

说明书

技术领域：

本发明属于X射线探测技术领域，涉及一种面向毫秒脉冲星计时观测的聚焦型X射线望远镜性能综合测试评估方法，可用于X射线毫秒脉冲星的观测灵敏度的估计。

背景技术：

聚焦型X射线望远镜主要由聚焦X光学系统和X射线探测器两部分组成，前者负责X射线光子的聚焦与收集，后者负责进行光电转换及信号读出。聚焦型望远镜的基本工作过程是，X射线光子以很小的掠入射角照射到每层超光滑的反射镜内表面，经全反射聚焦到焦平面探测器上。硅基探测器基于光电效应将每个聚焦的X射线光子转换成电信号，通过前置放大、成形滤波等电子学处理，精确记录每个X射线光子的到达时间及能量信息。

聚焦型X射线光学系统是聚焦型望远镜的核心子系统，主要分为KB型(Kirkpatrick-Baez)、Wolter-I型和微孔光学阵列等结构，其中Wolter-I型是最常用的结构。Wolter-I聚焦型X射线望远镜基于掠入射全反射聚焦原理，采用了多层嵌套的反射镜片，大幅增加光学系统的有效面积，有效提高了望远镜的观测灵敏度。

脉冲星是一类高速自转的中子星，能稳定地向外辐射脉冲信号，位置能精确测定，且自转极其稳定，能够为航天器提供自主导航服务。X射线望远镜作为脉冲星导航授时系统的核心设备，用于获取基本观测量脉冲TOA。脉冲TOA是通过对X射线光子序列按照脉冲星自转参数折叠得到观测脉冲轮廓，然后与标准轮廓模板比较得到。脉冲TOA精度与X射线光子时间测量精度和信号信噪比息息相关，也直接影响着脉冲星导航授时精度，因而发展高性能X射线望远镜对于整个脉冲星导航系统建设至关重要。然而，X射线毫秒脉冲星辐射流量一般小于1×10

面对空间天体的观测，当前聚焦型X射线望远镜性能评价主要聚焦于各种性能的测试，比如X射线有效面积、能量和时间响应特性等，尚未针对导航X射线毫秒脉冲星观测的需求，对聚焦型X射线望远镜的综合性能进行评估。同济大学王占山教授等拥有一项发明专利《一种嵌套式类Wolter-I型望远镜性能评价方法》(专利号：CN201711145347.5)，该专利主要基于三维光线追踪方法，利用装配后镜片的呈现，来分析望远镜的有效面积。同时西安测绘研究所周庆勇等撰写的《面向脉冲星导航的聚焦型X射线探测器测试标定方法研究》，提出了一种面向导航应用的X射线探测器测试方法，但没有给出该望远镜性能的综合评价方法。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种聚焦型X射线望远镜性能综合测试评估方法，解决现有技术中存在的主要集中于各种性能指标的测试标定，而没有结合导航X射线脉冲星观测的需求进行综合性评价的问题，通过利用本发明对聚焦型X射线望远镜性能进行综合评估，可为评价X射线望远镜是否满足X射线脉冲星导航应用提供理论依据。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种聚焦型X射线望远镜性能综合测试评估方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)聚焦型X射线望远镜的几何面积测试；

(2)聚焦型X射线望远镜的本底噪声测试；

(3)聚焦型X射线望远镜的探测效率测试；

(4)聚焦型X射线望远镜的工作能区测试；

(5)聚焦型X射线望远镜性能的综合评价。

步骤(1)包括以下步骤：

1)测量聚焦光学系统的内径，记录数据，精确到mm，计算望远镜几何面积；

2)根据占空比，扣除遮挡区域面积，得到真实的几何有效面积。

步骤(2)包括以下步骤：

1)将光子探头中的前端电子学模块与综合控制器的采集通道一一对应连接；

2)直流电源供电：启动直流电源的开关，调节电压28V，限流1A；

3)电子学加电，开始采集，通过LVDS将有效数据传给专检设备；

4)通过专用数据处理软件获取暗计数和采集时间。

步骤(3)包括以下步骤：

1)通过多阳极靶材输出特定能量的X射线，依次为Al(1.49keV)、Ti(4.51keV)、Cr(5.41keV)、Fe(6.4keV)、Cu(8.05keV)；多阳极靶在直流模式下工作，采用准直器使得光束发散角为1mrad；

2)利用多维移动平台和标准探测器测量不同位置不同靶材的X射线光束流量，并记录；

3)借助激光对准系统，使聚焦镜头与X射线入射方向平行；

4)启动直流电源的开关，调节电压28V，限流1A；点击“电子学加电”，开始采集，进行数据处理，获取聚焦型X射线望远镜单位时间内的光子计数率，并与标准探测器测得的光束流量对比得到望远镜的探测效率；

5)由于管束有限，只能采用扫描的方式，重复2)、3)和4)测量聚焦镜头不同位置的探测效率；

6)通过归算及转换，结合望远镜后端X射线探测器的效率，得到聚焦型X射线望远镜在不同能段处的探测效率。

步骤(4)包括以下步骤：

1)将光子探头中的前端电子学模块与综合控制器的采集通道一一对应连接；

2)直流电源供电：启动直流电源的开关，调节电压28V，限流1A；

3)在直流模式下，利用钨靶射线源照射X射线望远镜；

4)收集X射线光子，获取X射线能谱图，得到望远镜工作能区。

步骤(5)包括以下步骤：

根据前述测试采集的聚焦型X射线望远镜的性能参数，采用(1)式进行估计望远镜最小探测灵敏度：

式中，n

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

(1)本发明为研制应用于脉冲星导航探测的望远镜提供系统指标制定依据。

(2)本发明可推广应用到X射线脉冲星计时应用系统中的X射线望远镜性能评估。

附图说明：

图1为聚焦型X射线望远镜各系统组成框图；

图2为探测器工作能区图；

图3为一款聚焦型X射线望远镜的灵敏度曲线(10

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案及优点表达更加清楚，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明为一种聚焦型X射线望远镜性能综合测试评估方法，评估方法包括三个阶段，第一个阶段是对望远镜自身进行性能测试标定，第二个阶段是结合脉冲星特点和评估理论依据进行结果计算，第三个阶段是给出评估结论。主要包括：

一、评估理论计算的依据

结合聚焦型X射线望远镜的有效探测面积、探测效率、探测器噪声水平和观测时间等参数，对于面向导航的毫秒脉冲星，X射线望远镜的最小观测灵敏度计算公式为：

式中，n

如果聚焦型X射线望远镜的F

二、聚焦型X射线望远镜性能的测试

综合测试标定就是将X射线望远镜性能参数化，这是一项基础性工作。根据X射线望远镜最小观测灵敏度的公式，除了观测目标的信息外，还需要对望远镜的几何面积、本底噪声、探测效率及工作能区进行测试。

几何面积是指X射线望远镜的光学聚焦系统的几何面积，一般精确到mm

本底噪声是指在没有外部光子照射下，望远镜自身输出的干扰信号。本底噪声一方面影响测量的准确度，使谱线展宽，能量分辨率变差，另一方面降低信噪比，影响望远镜观测灵敏度。在脉冲星导航应用中，本底噪声会影响脉冲到达时间的测量精度。本底噪声采用单位时间单位有效面积内探测到的光子数描述，无X射线光子照射下使望远镜正常工作，取统计收集的光子数。

工作能区是指望远镜具有一定探测效率的能谱范围。采用栅控X射线源在约200phs/(cm

探测效率是指望远镜在特定能量范围内接收到光子计数与实际到达光子计数的比值，反映了探测器的光子转化效率。探测效率采用间接测量方法，采用准直型硅漂移探测器(SDD)作为参考标准，SDD的性能参数已被准确标定，见其出厂测试报告。测试中，能量分辨率和探测效率合并测试，分别在6个单色X射线特征能谱点(Al(1.49keV)、Ti(4.51keV)、Cr(5.41keV)、Fe(6.4keV)、Cu(8.05keV)、Zr(15.77keV))处进行测试。各个特征能谱点测试完，收集观测数据，分别处理标准望远镜和被测望远镜的光子信息，绘制能谱图，在特征能谱处对能峰的两次迭代进行高斯拟合。

探测效率eff的计算表达式为：

ef＝(N

式中，N

三、给出评估结论

如果聚焦型X射线望远镜的F

本发明一种聚焦型X射线望远镜性能综合测试评估方法的具体步骤：

(1)聚焦型X射线望远镜的几何面积测试步骤：

1)测量聚焦光学系统的内径，记录数据，精确到mm，计算望远镜几何面积；

2)根据占空比，扣除遮挡区域面积，得到真实的几何有效面积。

(2)聚焦型X射线望远镜的本底噪声测试步骤：

1)将光子探头中的前端电子学模块与综合控制器的采集通道一一对应连接；

2)直流电源供电：启动直流电源的开关，调节电压28V，限流1A；

3)电子学加电，开始采集，通过LVDS将有效数据传给专检设备；

4)通过专用数据处理软件获取暗计数和采集时间。

(3)聚焦型X射线望远镜的探测效率测试步骤：

1)通过多阳极靶材输出特定能量的X射线，依次为Al(1.49keV)、Ti(4.51keV)、Cr(5.41keV)、Fe(6.4keV)、Cu(8.05keV)；多阳极靶在直流模式下工作，采用准直器使得光束发散角为1mrad；

2)利用多维移动平台和标准探测器测量不同位置不同靶材的X射线光束流量，并记录；

3)借助激光对准系统，使聚焦镜头与X射线入射方向平行；

4)启动直流电源的开关，调节电压28V，限流1A；点击“电子学加电”，开始采集，进行数据处理，获取聚焦型X射线望远镜单位时间内的光子计数率，并与标准探测器测得的光束流量对比得到望远镜的探测效率；

5)由于管束有限，只能采用扫描的方式，重复2)、3)和4)测量聚焦镜头不同位置的探测效率；

6)通过归算及转换，结合望远镜后端X射线探测器的效率，得到聚焦型X射线望远镜在不同能段处的探测效率。

(4)聚焦型X射线望远镜的工作能区的测试步骤：

1)将光子探头中的前端电子学模块与综合控制器的采集通道一一对应连接；

2)直流电源供电：启动直流电源的开关，调节电压28V，限流1A；

3)在直流模式下，利用钨靶射线源照射X射线望远镜；

4)收集X射线光子，获取X射线能谱图，得到望远镜工作能区。

根据前述测试采集的聚焦型X射线望远镜的性能参数，采用(1)式进行估计望远镜最小探测灵敏度。

实施例：

(1)测试一款聚焦型X射线望远镜：

聚焦型脉冲星导航探测器由聚焦镜头、镜筒、FEE单元、综合控制器和配套软件组成，组成框图如图1所示。

聚焦镜头采用掠入射光学聚焦的原理，将目标脉冲星X射线光子聚焦到硅漂移探测器(SDD)上。SDD探测器通过光电效应将入射光子转换成与能量对应的电子空穴数目。电子在SDD内部漂移，并被探测器阳极收集，经过前置放大输出微弱的电压信号。电压信号通过成形放大，得到快慢两路成形放大信号，分别代表X光子的能量信息和时间信息。综合控制器安装在卫星舱内，接收卫星平台的GPS秒脉冲信号，与CPT原子钟综合生成高稳定频率信号，实现对光子时间信息的数字化采集。同时通过时间信号甄别判断，控制ADC采集得到光子能量信息。综合控制器内部生成有效载荷数据，对数据进行缓存、打包，通过LVDS传给平台，实现与卫星平台的信息交互。综合控制器同时实现整个载荷分系统的供电、遥控、遥测等功能。

(2)测试各项性能参数：

1)望远镜光学系统的直径为170mm,占空比约为79％,几何面积为179.31cm

2)本底噪声水平

聚焦型望远镜上电，随机关闭辐射源，记录辐射源关闭时望远镜的光子计数率，进行多次统计测量，结果如表1所示。

表1暗计数测试结果

3)工作能区

在真空罐内真空环境下，利用复色射线源测试标定望远镜的探测能谱范围，使用不开栅控的复色源对望远镜进行照射，进行数据采集。射线源高压加到20kV，望远镜能谱可以探测到13.5keV，即望远镜可以响应低于13.5keV能量段X射线光子，测试结果如图2所示。

4)探测效率

测量望远镜在六种单能X射线能谱点的探测效率：Al(1.49)、Ti(4.51)、Cr(5.41)、Fe(6.4)、Cu(8.05)、Zr(15.77)，测试时间为1000s，分析得出望远镜在6个单能点的探测效率，如表2。

表2不同能量点下探测效率测试结果

(3)聚焦型X射线望远镜综合性能:

采用(1)式计算时，观测时间T

根据以上的测试计算，准直型望远镜的灵敏度在大部分能段均好于6mCrab，只有在高能段接近1mCrab；而聚焦型X射线望远镜可达到0.2mCrab，相比于准直型望远镜，聚焦型X射线望远镜的灵敏度提高了十倍以上。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，均应包含在本发明的专利保护范围内。