CN109725369B

CN109725369B - 一种整星环境下空间x射线望远镜地面标定系统及方法

Info

Publication number: CN109725369B
Application number: CN201910141156.4A
Authority: CN
Inventors: 王晓姝; 潘腾; 张龙; 徐玉朋; 洪斌; 宋江波; 张爱梅
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Priority date: 2019-02-26
Filing date: 2019-02-26
Publication date: 2021-06-11
Anticipated expiration: 2039-02-26
Also published as: CN109725369A

Abstract

本发明涉及一种整星环境下空间X射线望远镜地面标定系统及方法，包括X光管，用于发射连续谱和特征谱的X射线；靶板，一侧贴覆金属膜的硬质板，金属膜分为N个能区，每个能区采用不同材料的金属膜制成，金属膜面向空间X射线望远镜，对入射至其上的连续谱和特征谱的X射线进行荧光反射，输出不同能谱的单能特征X射线至X射线检测装置和被测望远镜；X射线检测装置，用于检测所接收到的单能特征X射线的能量信息；被测空间X射线望远镜，包括M种探测器，用于探测不同谱段的单能特征X射线的能量信息；计算机，将空间X射线望远镜探测到的X射线能量信息和X射线检测装置获得的X射线能量信息进行比对，得到被测望远镜的能量响应和时间特征。

Description

一种整星环境下空间X射线望远镜地面标定系统及方法

技术领域

本发明涉及一种整星环境下空间X射线望远镜地面测试标定系统，适用于空间X射线望远镜卫星整体在地面开展X射线测试。属于航天器测试技术领域。

背景技术

空间X射线望远镜卫星地面测试标定的目的，是通过地面实验得到探测信息与入射信息的关系，以探测器记录的信息为基础可以推测出天体辐射源真实流量、空间分布、能谱信息、时间分析等，并去除本底影响、得出数据分析结果的置信度。地面标定要求得到探测器的能量-能道关系、能量分辨率、能量响应函数、探测效率和有效面积、时间分辨率、死时间等。

常用的单能X射线源有亨克型X光机、同步辐射装置、放射源和管激发X射线光机。亨克型X光机一般在软X射线段，能量受到限制。同步辐射装置设备庞大，无法移动，运行成本高，，真空罐中难以满足场地需求，且同步辐射装置流量非常强，衰减后又很难同时监测。放射源在在使用的过程中需要人近距离操作，对身体健康造成一定的影响，且放射源会发生衰变，在使用过程中需进行半衰期修正。

管激发X射线光机(简称X光管)，属于低危险度的射线装置，束流稳定性好，可不间断运行数百小时以上，束流强度可通过管电流调节。

X光管产生的X射线光谱，被称作原级X射线谱，它是由连续谱和特征谱组成。X射线管的阳极材料决定这种特征光谱的能量。通常的空间X射线望远镜卫星需要标定测试的能区范围宽，需要数量庞大的X光管同时产生不同能量的X射线进行探测标定，X光管需求数量大，测试系统复杂。

如果针对空间X射线望远镜卫星的每一个探测器单独标定测试，探测器数量多，逐一测试不确定因素和偶然因素多，对测试结果可能有不利影响，且测试时间周期长。

综上，需要进行新的X射线望远镜卫星测试标定方案设计，可根据需求产生不同单能谱线，并可根据试验需要进行通断控制，既实现空间X射线望远镜卫星标定测试能区的全面覆盖，又保证了测试过程安全可控。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种整星环境下空间X射线望远镜地面标定系统及方法，利用X光管照射集成的金属材料膜，产生不同能谱的单能特征X射线，覆盖望远镜可探测的能区，对望远镜性能进行标定。

本发明的技术解决方案是：一种整星环境下空间X射线望远镜地面标定系统，该系统包括X光管、靶板、X射线检测装置和计算机，其中：

X光管，用于发射连续谱和特征谱的X射线至靶板；

靶板，为一侧贴覆金属膜的硬质板，所述金属膜分为N个能区，每个能区采用不同材料的金属膜制成，金属膜面向空间X射线望远镜，对入射至其上的连续谱和特征谱的X射线进行荧光反射，输出不同能谱的单能特征X射线至X射线检测装置和被测望远镜，N大于等于1；

X射线检测装置，用于检测所接收到的单能特征X射线的能量信息并发送至计算机；

被测空间X射线望远镜，包括M种探测器，每种探测器用于探测不同谱段的单能特征X射线的能量信息，并发送给计算机，M大于1；

计算机，根据空间X射线望远镜探测到的X射线能量信息和X射线检测装置获得的X射线能量信息进行比对，得到被测望远镜的能量响应和时间特征。

所述X光管能量谱覆盖被测空间X射线望远镜的探测器的探测范围。

所述X光管、靶板、被测望远镜和X射线检测装置处于真空罐中。

所述N个能区分别对应以靶板中心为圆心的同心环形区域。

所述探测器为高能、中能或者低能X射线探测器。

当探测器为低能X射线探测器时，靶板输出能谱在1～15keV的单能特征X射线。

当探测器为中能X射线探测器时，靶板输出能谱在5～30keV的单能特征X射线。

当探测器为高能X射线探测器时，靶板输出能谱在20～250keV的单能特征X射线。

所述X光管通过支撑连杆组件安装在靶板的上方，可沿支撑连杆组件上下滑动，X光管中心指向靶板中心，通过调节驱动X光管高度可使X光管照射靶板的不同能区，输出不同能谱的单能特征X射线。

本发明的另一个技术解决方案是：一种整星环境下空间X射线望远镜地面标定方法，该方法包括如下步骤：

s1、调整X射线光管初始高度对准真空罐中安装的金属靶材中心能区，并激发单能X射线；

s2、调节X射线光管的电流，通过地面测试用X射线检测装置确定单能特征X射线能量信息；

s3、获取X射线望远镜探测到的相应能区单能特征X射线的能量信息；

s4、根据空间X射线望远镜探测到的X射线能量信息和X射线检测装置获得的X射线能量信息比对，得到被测望远镜的能量响应和时间特征；

s5、调节X射线光管高度，照射不同能区激发相应能谱的单能特征X射线，重复s1～s5过程，从而标定测试望远镜各探测器对不同能区的探测能力。

所述步骤s1～s3在热真空试验条件中进行。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明利用X射线光管照射不同材料产生单能X射线特点，设计了靶板工装，将不同材料制成的金属膜整合到同一靶板，再采用可移动X光管照射不同金属膜区域，实现对多种放射源的替代，保证探测器测试的全覆盖；

(2)、本发明采用多个X光管和靶板同时对空间X射线望远镜不同能谱范围的探测器进行并行标定，进一步提高了空间X射线望远镜卫星整星标定测试效率；

(3)、本发明可根据试验需要对X光管进行通断控制，断电后就不会有X射线产生，降低安全隐患；

(4)、本发明X光管、靶板、被测望远镜和X射线检测装置处于真空罐中，同时避免地面空气对X射线吸收影响；

(5)、本发明空间X射线望远镜地面测试标定方法在热真空试验条件中，保证了空间X射线望远镜卫星低温测试要求，模拟了整星实际热环境，准确度高。

附图说明

图1为本发明实施例空间X射线望远镜卫星探测器分布；

图2为本发明实施例空间X射线望远镜地面测试标定系统组成；

图3(a)为本发明实施例低能探测器对应的靶板金属膜分布；

图3(b)为本发明实施例中能探测器对应的靶板金属膜分布；

图3(c)为本发明实施例高能探测器对应的靶板金属膜分布；

图4为本发明实施例望远镜测试支架组成；

图5为本发明实施例靶板安装到望远镜的状态。

具体实施方式

下面以某空间X射线望远镜卫星为例，对本发明进行详细说明。

空间X射线望远镜卫星上的空间X射线望远镜包括M种探测器，每种探测器用于探测不同谱段的X射线，通过独立的X光管和能够输出相应能谱范围X射线的靶板分别进行标定，M大于1。

如图1所示，本实施例中，M为3空间X射线望远镜卫星包括3种探测器，分别为高能、中能和低能X射线探测器，它们的能区相互重叠，构成一个从1到250keV的宽波段覆盖，同时又可以彼此交叉标定。

表1望远镜探测能区

望远镜	X射线(keV)
		低能	1-15
中能	5-30
		高能	20-250

如图2所示，本发明提供了一种整星环境下空间X射线望远镜地面测试标定系统，该系统包括3个X光管、3个靶板、X射线检测装置和计算机。

X光管，通过控制器控制高压发生器，在X光管产生电子束，经过内部阳极靶产生发射连续光谱的X射线至靶板；

靶板，为面向望远镜的一侧贴覆金属膜的硬质板，所述金属膜分为N个能区，每个能区采用不同的金属材料膜制成，对入射至其上的连续光谱的X射线进行荧光反射，输出不同能谱的单能特征X射线，并将其发射至X射线检测装置和被测望远镜中，N大于等于1；当探测器为低能X射线探测器时，靶板输出能谱在1～15keV的单能特征X射线；当探测器为中能X射线探测器时，靶板输出能谱在5～30keV的单能特征X射线；当探测器为高能X射线探测器时，靶板输出能谱在20～250keV的单能特征X射线。

X射线检测装置，具有X射线性能刻度，用于检测接收到的单能特征X射线，标定所接收到的单能特征X射线的能量信息并发送至计算机；

计算机，根据空间X射线望远镜探测到的X射线能量信息和X射线检测装置获得的X射线能量信息进行比对，得到被测望远镜的能量响应和时间特征，包括能量-能道关系、能量分辨率、能量响应函数、探测效率和有效面积、时间分辨率、死时间等。

如图3(a)～图3(c)所示，所述N个能区分别对应以靶板中心为圆心的同心环形区域。本实施例中，图3(a)为本发明实施例低能探测器对应的靶板能区分布；中心区域贴覆镁金属膜，从内向外第二环形区域贴覆铬金属膜，第三环形区域贴覆锗金属膜，最外环形区域贴覆镐金属膜，对应产生1～15keV的单能X射线。

图3(b)为本发明实施例中能探测器对应的靶板能区分布；中心区域贴覆银金属膜，从内向外第二环形区域贴覆锡金属膜，最外环形区域贴覆铯金属膜，对应产生5～30keV的单能X射线。

图3(c)为本发明实施例高能探测器对应的靶板能区分布；中心区域贴覆钡金属膜，从内向外第二环形区域贴覆镨金属膜，最外环形区域贴覆钜金属膜，对应产生20～250keV的单能X射线。

如图4所示，靶板的硬质板选用铝蜂窝板。本实施例中，三个靶板共用同一个铝蜂窝板1，该铝蜂窝板固定安装在支撑连杆2的一端，构成望远镜测试支架。所述X光管3通过X光管基座4安装在支撑连杆的另一端，可沿支撑连杆组件上下滑动。支撑杆组件为铝合金管，管一端与望远镜吊孔螺接，另一端与靶板连接，将靶板支撑到望远镜上端，如图所示。测试时，X光管中心指向靶板中心，通过调节驱动X光管高度可使X光管照射靶板的不同能区，产生不同能谱的单能特征X射线。由于元素的特征X射线角分布与源的入射角度无关，呈各向同性分布的特点，每个X光管激发的特征X射线所有探测器均可接收，即中能探测器可以接收到低能探测器对应的1～15keV的X射线，高能探测器亦然。

为了避免地面空气对X射线吸收影响，所述X光管、靶板、被测望远镜和X射线检测装置处于真空罐中。

基于上述系统，本发明还提供了一种空间X射线望远镜地面测试标定方法，该方法包括如下步骤：

s2、调节X射线光管的电流，通过地面测试用X射线检测装置，确定单能特征X射线能量信息；

s3、获取X射线望远镜探测到的相应能区的单能特征X射线的能量信息；

s4、根据空间X射线望远镜探测到的X射线能量信息和X射线检测装置获得的X射线能量信息比对，得到被测望远镜的能量响应和时间特征，具体包括能量-能道关系、能量分辨率、能量响应函数、探测效率和有效面积、时间分辨率、死时间等。

s5、根据试验工况调节X射线光管高度，照射不同能区激发相应能谱的单能特征X射线，重复s1～s5过程，标定测试望远镜各探测器对不同能区的探测能力。

为了保证空间X射线望远镜卫星低温测试要求，真实地模拟整星实际热环境，提高标定结果的准确度高，所述步骤s1～s3在热真空试验条件中进行。

本说明书中未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims

1.一种整星环境下空间X射线望远镜地面标定系统，其特征在于包括X光管、靶板、X射线检测装置和计算机，其中：

X光管，用于发射连续谱和特征谱的X射线至靶板；所述X光管能量谱覆盖被测空间X射线望远镜的探测器的探测范围；

2.根据权利要求1所述一种整星环境下空间X射线望远镜地面标定系统，其特征在于所述X光管、靶板、被测望远镜和X射线检测装置处于真空罐中。

3.根据权利要求1所述一种整星环境下空间X射线望远镜地面标定系统，其特征在于所述N个能区分别对应以靶板中心为圆心的同心环形区域。

4.根据权利要求1所述一种整星环境下空间X射线望远镜地面标定系统，其特征在于所述探测器为高能、中能或者低能X射线探测器。

5.根据权利要求4所述的一种整星环境下空间X射线望远镜地面标定系统，其特征在于当探测器为低能X射线探测器时，靶板输出能谱在1～15keV的单能特征X射线。

6.根据权利要求4所述一种整星环境下空间X射线望远镜地面标定系统，其特征在于当探测器为中能X射线探测器时，靶板输出能谱在5～30keV的单能特征X射线。

7.根据权利要求4所述一种整星环境下空间X射线望远镜地面标定系统，其特征在于当探测器为高能X射线探测器时，靶板输出能谱在20～250keV的单能特征X射线。

8.根据权利要求1所述一种整星环境下空间X射线望远镜地面标定系统，其特征在于所述X光管通过支撑连杆组件安装在靶板的上方，能够沿支撑连杆组件上下滑动，X光管中心指向靶板中心，通过调节驱动X光管高度可使X光管照射靶板的不同能区，输出不同能谱的单能特征X射线。

9.基于权利要求1所述系统的一种整星环境下空间X射线望远镜地面标定方法，其特征在于包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的一种整星环境下空间X射线望远镜地面标定方法，其特征在于步骤s1～s3在热真空试验条件中进行。