Wolter-Ⅰ型X射线脉...星探测器的空间环境本底分析_刘金胜.pdf

航空学报Acta Aeronautica et Astronautica SinicaFeb.15 2023 Vol.44 No.3ISSN 1000-6893 CN 11-1929/V526599-1WolterI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摘 要：X射线脉冲星导航具有自主性强、抗干扰、安全性高等特点。针对 X射线脉冲星辐射信号的探测与识别介绍了一款 Wolter-I型 X射线脉冲星探测器。为评估探测器的性能、提升灵敏度，对该 Wolter-I型 X射线脉冲星探测器开展了蒙特卡罗（MC）模拟研究。首先基于空间环境信息系统（SPENVIS）平台给出运行轨道中不同种类带电粒子的分布与能谱特征；然后采用 GEANT4软件构建了 Wolter-I型 X 射线脉冲星探测器的质量模型，模拟了探测器对电子、质子及氦等带电粒子的响应；最后以遮光膜参数优化为例说明探测器优化方式，并给出优化后探测器在 700 km 地球圆轨道上的空间环境本底。结果表明优化后探测器的空间环境本底为 30.68 cts s1。关键词：脉冲星导航；X射线探测器；Wolter-I型；蒙特卡罗模拟；本底估算中图分类号：V11；V448 文献标识码：A 文章编号：1000-6893（2023）03-526599-09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http:/ 引用格式：刘金胜，王博，宋娟，等.WolterI 型 X 射线脉冲星探测器的空间环境本底分析 J.航空学报，2023，44（3）：526599.LIU J S，WANG B，SONG J，et al.Estimation of space radiation background of Wolter-I X-ray pulsar detector J.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2023，44（3）：526599（in Chinese）.doi：10.7527/S1000-6893.2022.26599收稿日期：2021-11-02；退修日期：2021-11-23；录用日期：2022-05-26；网络出版时间：2022-06-2111：10网络出版地址：https：/ 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 Environment 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 SPENVIS14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 Atlantic 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。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 E0.04 MeV 的电子和 E0.10 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。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 5.31105 cts/（cm2s）；能 量 大 于表 1轨道参数Table 1Parameters of orbit参数任务周期/年轨道类型远地点/km近地点/km倾角/（）升交点/（）近地点角/（）真近点角/（）轨道周期/h1天轨道数目数值或设置1地球圆轨道7007006076.49197.1635.921.6514.58航空学报526599-30.10 MeV 质 子 的 积 分 流 强 为 6.95103 cts/（cm2s）。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 2）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。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。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 0/2、方位角范围为 02。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，产生随机图 4随机生成的电子、质子与氦的能谱Fig.4Spectrum of random generated electrons，protons and helium图 1E0.04 MeV电子在轨道面上的分布Fig.1Distribution of electrons（E0.04 MeV）on orbit图 2E0.10 MeV质子在轨道面上的分布Fig.2Distribution of protons（E0.10 MeV）on orbit图 3空间辐射粒子的积分能谱Fig.3Integral spectrum of space radiation particles航空学报526599-4粒子时按能谱分为两段。仿真产生的粒子数目见表 2。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。2WolterI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。2.2GEANT4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、PrimaryGeneratorAction、PhysicsList、DetectorConstruction、EventAction、RunAction、TrackerSD等派生类25-26。在 DetectorConstruction 中定义的 Wolter-I型 X 射 线 脉 冲 星