[發明專利]X射線聚焦型成像望遠鏡及毫秒脈沖星微弱信號觀測方法

在審

• 申請號: 202210127188.0
• 申請日: 2022-02-11
• 公開（公告）號: CN115144891A
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發明（設計）人: 周慶勇;雷耀虎;韓大煒;強鵬飛;朱永興
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍61540部隊
• 主分類號: G01T1/29
• 分類號: G01T1/29;G01C21/24
• 代理公司: 西安新思維專利商標事務所有限公司 61114
• 代理人: 李罡

本發明為一種X射線聚焦型成像望遠鏡及毫秒脈沖星微弱信號觀測方法，其克服了現有技術中存在的各種非脈沖噪聲抑制、脈沖到達時間測量精度受限的問題。本發明包括高角分辨率聚焦型X射線光學系統和高速焦平面探測器，高角分辨率聚焦型X射線光學系統包括依次連接的遮光罩、聚焦鏡單元和防污染屏蔽筒，聚焦鏡單元和焦平面探測器之間通過防污染屏蔽筒連接。聚焦鏡單元包括依次連接的鏡片固定裝置、聚焦鏡片和鏡筒、電子偏轉器。聚焦鏡片粘接在條幅的鏡片固定裝置中，鏡片固定裝置與聚焦鏡筒連接。

技術領域：

本發明屬于X射線探測技術領域，涉及一種X射線聚焦型成像望遠鏡及毫秒脈沖星微弱信號觀測方法。

背景技術：

遙遠的毫秒脈沖星可構建類似導航衛星的星座，形成一個服務范圍更廣的時空基準服務信息系統。脈沖星信號不受人為干擾，安全性高，是深空飛行器極好的天然導航信標。X射線毫秒脈沖星計時觀測的用途在于：1)提供一種獨立自主的時空基準服務，實現安全自主的全域導航服務。需要指出的是，盡管當前脈沖星導航授時精度在近地空間無法與地基導航或衛星導航精度媲美，但該技術在近地空間的可用性毋庸置疑；2)為高價值衛星提供一種自主導航的冗余手段，提升大范圍長航時的自主導航能力和在軌自主運行能力，提高我國控制空間的本領；3)能增強遠離地面測控臺站作用距離的飛行器自主導航能力，為我國未來的深空探測如太陽系邊際探測提供支持，是當前超遠距離空間唯一的自主導航手段。隨著對自主導航的迫切需求和相關技術的飛速發展，脈沖星導航終究將會變成現實，從而開啟全新的深空自主導航時代。

X射線望遠鏡作為脈沖星導航系統的核心設備，用于獲取基本觀測量脈沖 TOA(Time of Arrival)。脈沖TOA是通過對X射線光子序列按照脈沖星自轉參數折疊得到觀測脈沖輪廓，然后與標準輪廓模板比較得到。脈沖TOA精度與X 射線光子時間測量精度和信號信噪比息息相關，也直接影響著脈沖星導航精度。

X射線望遠鏡主要由聚焦光學系統和探測器兩部分組成，前者負責X射線光子的收集，后者再進行光電轉換及信號讀出。X射線光學系統有聚焦型和準直型兩種類型，由于毫秒脈沖星X射線輻射信號微弱，且空間彌散宇宙背景噪聲，聚焦型光學系統更有利于背景抑制，提高信噪比，而準直型光學系統常用于強源觀測。根據掠入射反射結構的不同，聚焦型望遠鏡主要有KB型 (Kirkpatrick-Baez)、Wolter型和微孔光學陣列等結構，X射線探測器發展迅速、種類繁多，包括氣體探測器、微通道板型探測器、閃爍體探測器和半導體探測器。自Giacconi等人于20世紀六、七十年代開創空間X射線天文觀測以來，科學家研制很多不同類型X射線望遠鏡，已發射許多空間觀測衛星，包括 HEAO-2(1978年)、ROSAT(1990年)、XMM-Newton(1999年)、Chandra (1999年)NuSTAR(2012年)和ASTRO-H(2016年)

然而現有絕大多數X射線望遠鏡的研制是為了天文學研究，而非面向脈沖星深空導航的建立，但后者對探測設備性能的要求高于普通天文學研究的需要。高精度深空導航要求X射線望遠鏡快速精細地記錄每個X射線光子，得到高信噪比觀測信號。然而深空導航的X射線毫秒脈沖星的輻射流量弱，一般小于 1×10^-3cts/s/cm²，且脈沖信號常淹沒于星云輻射、空間彌散本底等各種噪聲中。當前在軌能力最強的X射線望遠鏡為NICER(Neutronstar Interior Composition Explorer)的XTI(X-ray Timing Instrument)，測得兩顆導航脈沖星PSR J1824-2452A和PSR J1939+2134在1-5.5keV的脈沖光子數為0.055cts/s、0.021cts/s，然而接收到的背景噪聲強度為0.90cts/s、0.49cts/s，是脈沖信號的 10倍以上，據分析，背景噪聲主要源自脈沖星星云和空間彌散本底。因此，如何抑制各種非脈沖噪聲是提高脈沖TOA測量精度的關鍵所在，而后者直接影響脈沖星深空導航精度。

發明內容：