面向脈沖星深空基準(zhǔn)建立的X射線望遠(yuǎn)鏡及發(fā)展設(shè)想

周慶勇，魏子卿，雷耀虎，劉思偉，郝曉龍，吳富梅，楊彥佶，強(qiáng)鵬飛

1．地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054 2．西安測(cè)繪研究所，西安 710054 3．深圳大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院 教育部/廣東省光電子器件與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳 518060 4．北京通信與跟蹤技術(shù)研究所，北京 100090 5．中國(guó)科學(xué)院 高能物理研究所 粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049 6．中國(guó)科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710119

深空為國(guó)家利益的“高邊疆”，國(guó)家戰(zhàn)略的新制高點(diǎn)。一個(gè)航天強(qiáng)國(guó)為維護(hù)國(guó)家利益和太空權(quán)益，必須大力發(fā)展進(jìn)入、利用和控制太空的能力。深空基準(zhǔn)是指通過(guò)觀測(cè)恒星、脈沖星、行星等天體建立的參考標(biāo)準(zhǔn)，是地球空間基準(zhǔn)的拓展和延伸，是開(kāi)展深空探測(cè)活動(dòng)的基礎(chǔ)［1］，主要解決飛行器“在哪里”和“去哪里”等基本問(wèn)題。當(dāng)前深空基準(zhǔn)的建立主要是利用地面射電觀測(cè)手段，為許多深空飛行器探測(cè)太陽(yáng)系內(nèi)行星、彗星和小行星提供保障。隨著利益博弈，航天大國(guó)紛紛提出新的深空探測(cè)長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃或任務(wù)計(jì)劃，美國(guó)希望在2033年將宇航員送上火星［2］。中國(guó)明確提出深空探測(cè)三步走戰(zhàn)略規(guī)劃，將圍繞月球的探索、開(kāi)發(fā)和利用，小行星和彗星探測(cè)，小行星、火星采樣返回，木星及其衛(wèi)星探測(cè)、太陽(yáng)系邊際探測(cè)及行星際穿越等方面，積極培育、穩(wěn)步實(shí)施［3-4］。可以預(yù)見(jiàn)，隨中國(guó)深空探測(cè)活動(dòng)增多和飛行距離的增加，對(duì)高精度、高實(shí)時(shí)性深空基準(zhǔn)的需求日益迫切。然而基于傳統(tǒng)方法構(gòu)建的深空基準(zhǔn)精度隨著作用距離增大而急劇下降，因此，希望尋找一種深空基準(zhǔn)自主構(gòu)建的技術(shù)，以減少對(duì)地面測(cè)控網(wǎng)的依賴，并提升飛行器導(dǎo)航精度及其自主性。自1967年發(fā)現(xiàn)首顆脈沖星后［5］，科學(xué)家便意識(shí)到脈沖星在時(shí)空基準(zhǔn)建設(shè)中潛在應(yīng)用價(jià)值［6-8］。X射線脈沖星是高速旋轉(zhuǎn)且自轉(zhuǎn)頻率極其穩(wěn)定的中子星［9］，其位置坐標(biāo)可精確測(cè)定［10］，猶如恒星星表一樣構(gòu)成一種高精度慣性參考系；它們輻射的脈沖信號(hào)具有高穩(wěn)定周期和高穩(wěn)態(tài)輪廓特性，部分毫秒脈沖星自轉(zhuǎn)頻率長(zhǎng)期穩(wěn)定度優(yōu)于地面原子鐘，因此能夠?yàn)轱w行器深空航行提供良好的時(shí)間和空間參考基準(zhǔn)［11］。當(dāng)前，中國(guó)具備一定的深空探測(cè)能力，但深空基準(zhǔn)建設(shè)總體上處于較低的水平，嚴(yán)重依賴于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是在關(guān)鍵器件和設(shè)備上。

遙遠(yuǎn)的毫秒脈沖星可構(gòu)建類似導(dǎo)航衛(wèi)星的星座，形成一個(gè)服務(wù)范圍更廣的時(shí)空基準(zhǔn)服務(wù)信息系統(tǒng)。脈沖星信號(hào)不受人為干擾，安全性高，是深空飛行器極好的天然導(dǎo)航信標(biāo)［12-13］。X射線毫 秒 脈 沖 星 計(jì) 時(shí) 觀 測(cè) 的 用 途 在 于［7，14］：① 提 供一種獨(dú)立自主的時(shí)空基準(zhǔn)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)安全自主的全域?qū)Ш椒?wù)。需要指出的是，盡管當(dāng)前脈沖星導(dǎo)航授時(shí)精度在近地空間無(wú)法與地基導(dǎo)航或衛(wèi)星導(dǎo)航媲美，但該技術(shù)在近地空間的可用性毋庸置疑；② 為高價(jià)值衛(wèi)星提供一種自主導(dǎo)航的冗余手段，提升大范圍長(zhǎng)航時(shí)的自主導(dǎo)航能力和在軌自主運(yùn)行能力，提高中國(guó)控制空間的本領(lǐng)；③ 是當(dāng)前超遠(yuǎn)距離空間唯一的自主導(dǎo)航手段，能增強(qiáng)遠(yuǎn)離地面測(cè)控臺(tái)站作用距離的飛行器的自主導(dǎo)航能力，為中國(guó)未來(lái)的深空探測(cè)如太陽(yáng)系邊際探測(cè)提供支持［14］。隨著對(duì)自主導(dǎo)航的迫切需求和相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，脈沖星導(dǎo)航終究將會(huì)變成現(xiàn)實(shí)，從而開(kāi)啟全新的深空自主導(dǎo)航時(shí)代。

美國(guó)非常重視脈沖星時(shí)空基準(zhǔn)建設(shè)及應(yīng)用［15-17］。21世紀(jì)初，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（De?fense Advanced Research Projects Agency，DARPA）提出了“基于X射線源的自主導(dǎo)航定位驗(yàn)證”計(jì)劃，其目標(biāo)是能夠?yàn)轱w行器在太陽(yáng)系內(nèi)任意位置提供獨(dú)立于全球定位系統(tǒng)（Global Position?ing System，GPS）的自主導(dǎo)航能力［16］。2015年6月，美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）將脈沖星自主導(dǎo)航與X射線通信作為“革命性概念”列入其空間發(fā)展規(guī)劃（2015—2035年），并計(jì)劃將X射線脈沖星導(dǎo)航技術(shù)用于2027年和2033年的火星探測(cè)計(jì)劃［18］。與此同時(shí)，2017年，NASA啟動(dòng)了“X射線計(jì)時(shí)與導(dǎo)航技術(shù)的空間站在軌驗(yàn)證試驗(yàn)”（ Station Explorer for X-ray Timing and Naviga?tion Technology，SEXTANT）項(xiàng)目，利用在國(guó)際空間站上搭載的中子星內(nèi)部組成探測(cè)器（Neu?tron star Interior Composition Explorer，NICER），在國(guó)際上首次開(kāi)展了觀測(cè)毫秒脈沖星的導(dǎo)航技術(shù)試驗(yàn)，成功將空間站位置誤差收斂到16 km范圍，最好可達(dá)5 km［19-20］。美國(guó)正積極利用其深空探測(cè)網(wǎng)開(kāi)展脈沖星觀測(cè)，以期為其將來(lái)脈沖星深空自主導(dǎo)航提供星歷參數(shù)支持［21-22］，并計(jì)劃2023年利用其月球探測(cè)器開(kāi)展一次更遠(yuǎn)距離的脈沖星導(dǎo)航空間試驗(yàn)［23］。此外，毫秒脈沖星能夠提供一種獨(dú)立的基于遙遠(yuǎn)自然天體并持續(xù)數(shù)百萬(wàn)乃至數(shù)十億年的時(shí)間基準(zhǔn)，稱為脈沖星時(shí)，具有高穩(wěn)定性、全自主性和全宇宙性的特點(diǎn)，可駕馭原子鐘長(zhǎng)期穩(wěn)定度，服務(wù)范圍廣，在時(shí)頻基準(zhǔn)建設(shè)方面有良好的應(yīng)用前景［11］。2010年，DARPA提 出 了X 射 線 計(jì) 時(shí)（X-ray Timing， XTIM）計(jì)劃［17］，XTIM是一套用X射線脈沖星為美國(guó)空間資產(chǎn)提供自主定時(shí)和定位的系統(tǒng)，獨(dú)立并補(bǔ)充GPS。2019年，NASA公布SEXTANT項(xiàng)目2年觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)天基脈沖星時(shí)年穩(wěn)約3×10?14［24］。2018年 歐 空 局（European Space Agency，ESA）啟動(dòng)了地基脈沖星時(shí)試驗(yàn)項(xiàng)目PulChron，其目的是監(jiān)測(cè)和改善伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間的長(zhǎng)期穩(wěn)定性［25］。中國(guó)學(xué)者也開(kāi)展大量的脈沖星時(shí)空基準(zhǔn)研究工作，利用國(guó)內(nèi)外X射線脈沖星空間觀測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展了導(dǎo)航性能分析［26-28］，利用國(guó)際脈沖星計(jì)時(shí)陣（International Pulsar Timing Arrary，IPTA）的毫秒脈沖星觀測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展脈沖星時(shí)穩(wěn)定性估計(jì)［29-30］，其中國(guó)防科大王奕迪博士在脈沖星導(dǎo)航誤差補(bǔ)償、計(jì)時(shí)模型抗差估計(jì)等方面做了很多開(kāi)創(chuàng)性工作，推動(dòng)中國(guó)在基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的深空基準(zhǔn)研究［28］。

脈沖星深空基準(zhǔn)在中國(guó)更加泛在、更加融合、更加智能的綜合PNT體系建設(shè)中占據(jù)著重要地位。根據(jù)中國(guó)綜合PNT發(fā)展體系構(gòu)想，脈沖星導(dǎo)航和授時(shí)技術(shù)是為深空用戶提供基準(zhǔn)信息的主要手段［31-32］。即使飛行器遠(yuǎn)離地球，脈沖星深空基準(zhǔn)誤差并不會(huì)急劇增大，將與地基深空網(wǎng)形成重要的互補(bǔ)作用。在國(guó)家綜合PNT體系中，通過(guò)空間X射線和地面射電頻段同時(shí)觀測(cè)毫秒脈沖星，還可實(shí)現(xiàn)高精度的天地時(shí)間溯源［11］。

建設(shè)中國(guó)自主的X射線脈沖星導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng)，形成脈沖星深空基準(zhǔn)自主建立、維持與精化能力，擺脫長(zhǎng)期依賴國(guó)外的不利局面，有利于爭(zhēng)取“高邊疆”戰(zhàn)略主動(dòng)權(quán)。X射線脈沖星展示了其在國(guó)家綜合PNT、深空基準(zhǔn)建設(shè)中良好的應(yīng)用前景，然而最基礎(chǔ)性、最關(guān)鍵的工作是高效精確地探測(cè)來(lái)自脈沖星的X射線光子，因此研制出滿足需求的X射線望遠(yuǎn)鏡是實(shí)現(xiàn)脈沖星導(dǎo)航授時(shí)、建立自主脈沖星深空基準(zhǔn)的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 性能需求分析

脈沖星深空基準(zhǔn)的建立需要X射線望遠(yuǎn)鏡、導(dǎo)航授時(shí)算法及脈沖星參數(shù)庫(kù)等要素的支持。相比于地球空間基準(zhǔn)，脈沖星深空基準(zhǔn)的建設(shè)涉及更大的時(shí)空參考框架，其數(shù)據(jù)處理一般在太陽(yáng)質(zhì)心參考系中解算。首先，X射線望遠(yuǎn)鏡記錄每個(gè)到達(dá)光子的本地時(shí)空坐標(biāo)，獲取脈沖到達(dá)時(shí)間（Time of Arrival，TOA）、多普勒頻移等觀測(cè)量，再融合脈沖星星歷參數(shù)和軌道動(dòng)力學(xué)信息，經(jīng)導(dǎo)航濾波算法解算，最終得到導(dǎo)航和授時(shí)信息［13］。若準(zhǔn)確知道飛行器空間位置，可更加精確地建立脈沖星時(shí)。X射線望遠(yuǎn)鏡作為脈沖星導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng)的“眼睛”，用于獲取脈沖TOA等基本觀測(cè)量。通過(guò)對(duì)X射線光子序列按照脈沖星自轉(zhuǎn)參數(shù)折疊得到觀測(cè)脈沖輪廓，然后與標(biāo)準(zhǔn)輪廓模板比較，得到脈沖TOA。其精度與X射線光子時(shí)間測(cè)量精度和信號(hào)信噪比息息相關(guān)，直接影響著脈沖星導(dǎo)航授時(shí)精度，因而發(fā)展高性能X射線望遠(yuǎn)鏡對(duì)于整個(gè)脈沖星深空基準(zhǔn)建設(shè)至關(guān)重要。美國(guó)近年之所以率先成功實(shí)現(xiàn)X射線脈沖星導(dǎo)航授時(shí)空間試驗(yàn)，就是因?yàn)镹ASA研制出高性能的X射線計(jì)時(shí)儀器（X-ray Timing Instrument，XTI），能高精度且高效地測(cè)量來(lái)自脈沖星的X射線光子時(shí)間、能量等信息。

研制一款性能先進(jìn)的X射線望遠(yuǎn)鏡，開(kāi)展與之相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)研究，力推中國(guó)脈沖星導(dǎo)航授時(shí)空間試驗(yàn)，使其試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于當(dāng)前美國(guó)SEXTANT的結(jié)果，為中國(guó)將來(lái)脈沖星深空基準(zhǔn)建立奠定基礎(chǔ)。通過(guò)論證分析和進(jìn)一步優(yōu)化，脈沖星導(dǎo)航精度能夠優(yōu)于1 km，脈沖星時(shí)十年穩(wěn)定度可達(dá)10?15，便于將來(lái)的深空探測(cè)器提供自主導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)［13］。公里級(jí)導(dǎo)航服務(wù)需要脈沖TOA測(cè)量精度優(yōu)于3 μs，而高穩(wěn)定授時(shí)服務(wù)需要脈沖TOA精度達(dá)到300 ns，這就要求為高精度脈沖星時(shí)空基準(zhǔn)建立設(shè)計(jì)的X射線望遠(yuǎn)鏡，應(yīng)具有有效面積大、時(shí)間響應(yīng)快、角分辨好、噪聲低、重量輕等特點(diǎn)，對(duì)其基本要求如下：

1） 具有高探測(cè)效率和足夠大的有效面積（應(yīng)>0.3 m2@1 keV），且易模塊化拼接。毫秒X射線脈沖星信號(hào)流量一般<10?3cts·cm?2·s?1，高效地收集來(lái)自脈沖星的光子是X射線望遠(yuǎn)鏡的首要任務(wù)。

2） 具有優(yōu)良的時(shí)間測(cè)量精度，時(shí)間分辨率高（應(yīng)優(yōu)于1 μs），能夠?qū)庾有盘?hào)快速識(shí)別，且信號(hào)轉(zhuǎn)移時(shí)延小。

3） 具有良好的能量分辨率，探測(cè)范圍覆蓋軟X射線能段（0.3～5 keV）［33］。脈沖星的X射線能譜為冪律譜，能量越低光子數(shù)越多。

4） 具有良好的空間分辨率（應(yīng)優(yōu)于1′），能夠?qū)γ}沖星實(shí)施精準(zhǔn)觀測(cè)，抑制脈沖星星云、彌散空間背景等噪聲源的影響。

此外，面對(duì)未來(lái)任務(wù)需要，X射線望遠(yuǎn)鏡還須考慮成本、重量、體積、功耗、自主可控等約束條件。

2 技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

X射線望遠(yuǎn)鏡主要由聚焦光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器2部分組成，前者負(fù)責(zé)X射線光子的收集，后者對(duì)其進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)讀出。

2.1 X射線聚焦光學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀

X射線光學(xué)系統(tǒng)有聚焦型和準(zhǔn)直型2種類型，由于毫秒脈沖星X射線輻射信號(hào)微弱，且空間彌散宇宙背景噪聲，聚焦型光學(xué)系統(tǒng)更有利于背景抑制，提高信噪比，而準(zhǔn)直型光學(xué)系統(tǒng)常用于強(qiáng)源觀測(cè)。X射線光子波長(zhǎng)短、能量大、穿透力強(qiáng)，難以通過(guò)常規(guī)可見(jiàn)光學(xué)方法對(duì)X射線聚焦。目前X射線望遠(yuǎn)鏡的聚焦主要基于X射線掠入射現(xiàn)象，即X射線光子以小角度 （一般<3°）入射到超光滑的物質(zhì)表面時(shí)形成全反射，此外幾種折射聚焦的特殊結(jié)構(gòu)，如菲涅爾波帶片，主要用于實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)X射線的聚焦，對(duì)弱源不適用。根據(jù)掠入射反射結(jié)構(gòu)的不同，聚焦型望遠(yuǎn)鏡主要有Kirkpatrick-Baez （KB）型、Wolter型和微孔光學(xué)陣列等結(jié)構(gòu)［34］，這些光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)見(jiàn)表1。KB型光學(xué)系統(tǒng)由一組相互垂直的反射鏡構(gòu)成，分別在水平和垂直方向提供聚焦［35］。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，聚焦效率較高，然而鏡面加工難度較大，且體積、重量大，主要用于地面同步輻射裝置上。Wolter型包括I、II和III這3種設(shè)計(jì)模式，空間觀測(cè)常用的是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于嵌套的Wolter-I型。Wolter-I型光學(xué)系統(tǒng)是由一組共焦的拋物面鏡和雙曲面鏡構(gòu)成，X射線光子經(jīng)2次反射聚焦，有助于克服單個(gè)曲面反射鏡存在的像差問(wèn)題［36］。Wolter-I型光學(xué)系統(tǒng)對(duì)X射線光子具有較高的聚焦效率，當(dāng)前主要大型X射線空間觀測(cè)衛(wèi)星均采取這種聚焦系統(tǒng)，典型衛(wèi)星代表為Chandra和XMM-Newton。盡管Wolter-I型具有很高的軸上分辨率，但該結(jié)構(gòu)中非球面鏡的制作難度很大，為此，20世紀(jì)80年代提出了一種圓錐近似Wolter-I型結(jié)構(gòu)，將Wolter-I型結(jié)構(gòu)中的拋物-雙曲面鏡用圓錐-圓錐面代替［37-38］。微孔光學(xué)陣列是一種仿生光學(xué)系統(tǒng)，借鑒于龍蝦眼的聚焦結(jié)構(gòu)，由一些規(guī)則的、尺寸僅為微米級(jí)的正方形通道構(gòu)成，球面上每個(gè)通道都對(duì)入射的X射線光子進(jìn)行聚焦［39］。硅基和玻璃基微孔光學(xué)陣列都具有系統(tǒng)體積小和重量輕的優(yōu)點(diǎn)。ESA將微孔光學(xué)陣列作為實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)量X射線光學(xué)系統(tǒng)的一項(xiàng)技術(shù)，其水星探測(cè)器BepiColombo的X射線望遠(yuǎn)鏡MIXS采用了微孔光學(xué)器件（Micro-Pore Op?tics， MPO）［40］。微孔光學(xué)陣列聚焦系統(tǒng)面密度低、視場(chǎng)大，可通過(guò)陣列形式擴(kuò)展，但由于十字臂分散了部分能量，故其探測(cè)效率偏低，適合強(qiáng)源大區(qū)域巡天觀測(cè)。由于X射線毫秒脈沖星信號(hào)微弱，且存在較強(qiáng)的空間背景噪聲，對(duì)比上述4種X射線望遠(yuǎn)鏡聚焦光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，Wolter-I 型或近似Wolter-I 型光學(xué)系統(tǒng)是當(dāng)前最適合毫秒脈沖星空間觀測(cè)的結(jié)構(gòu)。自Giacconi等［41］于20 世紀(jì)六七十年代開(kāi)創(chuàng)空間X 射線天文觀測(cè)以來(lái)，人類已發(fā)射許多帶有X射線望遠(yuǎn)鏡的空間觀測(cè)衛(wèi)星［42-44］，見(jiàn)表2［41，45-85］，包括HEAO-2（1978年）、ROSAT（1990年）、XMM-Newton（1999年）、Chandra（1999年）NuSTAR（2012年）和ASTRO-H（2016年），也包括中國(guó)將來(lái)國(guó)際大型合作項(xiàng)目eXTP（約2027年）、ESA和NASA的下一代旗艦級(jí)項(xiàng)目ATHENA（約2034年）和Lynx（約2036年）。從X射線空間觀測(cè)衛(wèi)星發(fā)展歷程來(lái)看［86］，X射線望遠(yuǎn)鏡的性能越來(lái)越高，有效面積急劇增大，從幾十cm2發(fā)展到上千cm2，乃至將來(lái)的幾m2；角分辨率逐漸提高，從剛開(kāi)始的幾角分提升到亞角秒；適應(yīng)科學(xué)任務(wù)對(duì)高分辨率的追求，望遠(yuǎn)鏡的焦距也從典型的eROSITA衛(wèi)星1.6 m增加至將來(lái)的ATHENA衛(wèi)星的12 m。這些空間衛(wèi)星基本采用Wolter-I型聚焦光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)增加嵌套層數(shù)、增大集光口徑或鏡筒陣列化排列等方式來(lái)滿足X射線空間觀測(cè)對(duì)超大有效面積的需求［82，87］。針對(duì)脈沖星導(dǎo)航空間試驗(yàn)，SEXTANT項(xiàng)目搭載了56個(gè)XTI陣列，每個(gè)XTI由24層鏡片嵌套而成，總有效面積達(dá)到1793 cm2@1.5 keV，大幅提高了X射線信號(hào)觀測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確度［65］，保證了其導(dǎo)航授時(shí)空間試驗(yàn)的成功驗(yàn)證，然而，其XTI采用單次掠入射聚焦，為非成像觀測(cè)方式。

表1 X射線望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)［34］Table 1 Structures and characteristics of X-ray telescopes

表2 國(guó)內(nèi)外聚焦型X射線望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目匯總Table 2 Summary of focused X-ray telescope projects

續(xù)表

鏡片質(zhì)量是影響X射線望遠(yuǎn)鏡性能的一項(xiàng)關(guān)鍵因素，不同的X射線望遠(yuǎn)鏡鏡片制作方法甚至決定了其結(jié)構(gòu)類型。主要的鏡片制作方法包括直接拋光法、鋁基環(huán)氧復(fù)制法、鎳電鑄法、熱成形法、硅片彎曲法、以及單晶硅切片法［34］，各制作方法具體工藝這里不論述。直接拋光法所制鏡片面形精度高，成像質(zhì)量好，但造價(jià)昂貴且重量大。鋁基環(huán)氧復(fù)制法工藝簡(jiǎn)單、成本低，但鏡片面形精度低，成像質(zhì)量較低。鎳電鑄法所制鏡片成形精度較高，成像質(zhì)量較好，但工藝復(fù)雜、對(duì)環(huán)境要求高。熱成形法鏡片薄、成本低、成形精度和成像質(zhì)量較好，但結(jié)構(gòu)易存在圓錐誤差，對(duì)抗發(fā)射沖擊要求高。硅片彎曲法和單晶硅切片法所制鏡片都具有成形精度高、成像質(zhì)量好、輕薄、可大量嵌套的特點(diǎn)［83，84］，但它們技術(shù)難度大、工藝復(fù)雜、環(huán)境要求高。為了提高X射線望遠(yuǎn)鏡的角分辨率，一些學(xué)者提出了自適應(yīng)光學(xué)的方法［88］，包括為鏡片增加支撐結(jié)構(gòu)、使用壓電陶瓷或安裝電/磁驅(qū)動(dòng)器等，這些方法增加了復(fù)雜性，降低了鏡片占空比和探測(cè)效率，NASA在Lynx項(xiàng)目光學(xué)系統(tǒng)第2階段的路線優(yōu)化中不再支持此類方案的探索［85］。

相同有效面積的聚焦型X射線光學(xué)系統(tǒng)的靈敏度比非聚焦型高，這是因?yàn)樗欣诳臻g彌散本底噪聲的抑制，近年來(lái)國(guó)內(nèi)多家單位依托不同技術(shù)路線，開(kāi)展了聚焦型X射線望遠(yuǎn)鏡的研制［42-43］。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所［89］、中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所［90］、同濟(jì)大學(xué)［34］基于玻璃熱彎工藝，哈爾濱工業(yè)大學(xué)［91］、中科院高能物理研究所［92］、北京控制工 程 研 究 所［64，93］基 于 鎳 電 鑄 法 分 別 研 制 了Wolter-I 型 X 射線聚焦鏡。2016年發(fā)射的脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星搭載了中國(guó)首款Wolter-I型X射線望遠(yuǎn)鏡，實(shí)現(xiàn)了脈沖星“看得見(jiàn)”的目標(biāo)［93］。計(jì)劃于2023年發(fā)射的中國(guó)愛(ài)因斯坦探針衛(wèi)星將搭載面積達(dá)600 cm2的Wolter-I型X射線望遠(yuǎn)鏡［92］。此外，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、北京空間機(jī)電研究所等單位研制的國(guó)產(chǎn)龍蝦眼型X射線探測(cè)系統(tǒng)，將應(yīng)用于愛(ài)因斯坦探針衛(wèi)星和“龍蝦眼”太空望遠(yuǎn)鏡上［92，94］。

2.2 X射線探測(cè)器的發(fā)展現(xiàn)狀

X射線望遠(yuǎn)鏡的另一關(guān)鍵器件是X射線探測(cè)器，其主要利用光子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)，將自身能量轉(zhuǎn)換為可量測(cè)的電或光信號(hào)，通過(guò)測(cè)量信號(hào)觸發(fā)時(shí)間和幅度來(lái)獲取光子TOA和能量［95-96］。近年，X射線探測(cè)器發(fā)展迅速、種類繁多，包括氣體探測(cè)器、微通道板型探測(cè)器、閃爍體探測(cè)器和半導(dǎo)體探測(cè)器，這些探測(cè)器的主要原理、技術(shù)特點(diǎn)及對(duì)應(yīng)部分衛(wèi)星應(yīng)用見(jiàn)表3［13］。氣體探測(cè)器需要密封，入射窗處的密封材料會(huì)吸收低能X射線光子，同時(shí)該密封材料也可能被宇宙微塵擊穿而導(dǎo)致氣體泄漏。半導(dǎo)體探測(cè)器能夠滿足脈沖星導(dǎo)航對(duì)時(shí)間、能量分辨率的要求，其中以硅漂移探測(cè)器（Silicon Drift Detector，SDD）、Si-PIN 像素型探測(cè) 器（Si-PIN Pixel Detector， SPD）為 代 表。SDD具有良好的能量與時(shí)間分辨率、并具有較寬的探測(cè)能段，且能在常溫下工作，因此近年來(lái)應(yīng)用廣泛，且已用于SEXTANT項(xiàng)目。SPD的像素尺寸在0.1～10 mm2之間，時(shí)間分辨率可達(dá)10 ns，在0.5～30 keV能段具有較高的探測(cè)效率，能量分辨率可達(dá)170 eV@5.9 keV。2006年，DARPA 支持的“基于X射線源的自主導(dǎo)航定位驗(yàn)證（Xray Source Autonomous Navigation， XNAV）”計(jì)劃的技術(shù)方案建議采用美國(guó)麻省理工學(xué)院研制的SPD，該探測(cè)器需要專門的ASIC芯片讀出，技術(shù)壁壘高。得益于長(zhǎng)達(dá)幾十年的技術(shù)積累，歐美在X射線探測(cè)器領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平，如英國(guó)e2V公司、德國(guó)KETEK公司、馬普學(xué)會(huì)半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)Amptek公司等，其高端產(chǎn)品對(duì)華技術(shù)

表3 不同X射線探測(cè)器的比較及應(yīng)用［13］Table 3 Comparison and applications of different X-ray detectors［13］

2.3 深空基準(zhǔn)探測(cè)用X射線望遠(yuǎn)鏡發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)有絕大多數(shù)X射線望遠(yuǎn)鏡的研制是為了天文學(xué)研究，而非面向脈沖星深空基準(zhǔn)的建立，但后者對(duì)探測(cè)設(shè)備性能的要求高于普通天文學(xué)研究的需要。高精度深空基準(zhǔn)建立要求X射線望遠(yuǎn)鏡快速精確地記錄每個(gè)光子，得到高信噪比觀測(cè)信號(hào)。SEXTANT試驗(yàn)已為脈沖星導(dǎo)航授時(shí)技術(shù)證實(shí)了良好應(yīng)用前景，脈沖星深空基準(zhǔn)建設(shè)需求代表著X射線望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展方向，具體要封鎖。中國(guó)在半導(dǎo)體探測(cè)器、微通道板探測(cè)器具有良好的技術(shù)積累［97-98］，并正積極地研制自主高性能硅基半導(dǎo)體探測(cè)器［99］。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所成功研制了新型電荷轉(zhuǎn)移器件FCD［100-101］，提高了時(shí)間測(cè)量精度。

求如下：

1） 低噪聲。X射線毫秒脈沖星輻射流量一般<1×10?3cts·cm?2·s?1，脈 沖 信 號(hào) 常 淹 沒(méi) 于星云輻射、空間彌散本底等各種噪聲中。當(dāng)前在軌能力最強(qiáng)的X射線望遠(yuǎn)鏡為NICER的XTI，通過(guò)收集NICER發(fā)布的資料并處理其觀測(cè)數(shù)據(jù)，獲得XTI的理論估計(jì)值和實(shí)際觀測(cè)結(jié)果，見(jiàn)表4［102］。通過(guò)對(duì)理論估計(jì)值和實(shí)際觀測(cè)結(jié)果的比較，發(fā)現(xiàn)脈沖星的脈沖計(jì)數(shù)率與理論估計(jì)值差別不大，表明對(duì)5顆導(dǎo)航脈沖星的能譜以及XTI的有效面積估計(jì)是準(zhǔn)確的。然而非脈沖計(jì)數(shù)與估計(jì)值差別很大，其非脈沖部分的實(shí)際計(jì)數(shù)率比理論估計(jì)值增大了3～6倍，說(shuō)明觀測(cè)空間存在很多未建模的噪聲，嚴(yán)重影響了脈沖TOA的測(cè)量精度。同時(shí)，基于實(shí)際觀測(cè)結(jié)果，估計(jì)NICER的XTI觀測(cè)5顆導(dǎo)航脈沖星10000 s能達(dá)到的信噪比依次為629.21、2.67、5.91、14.46、20.78。另?yè)?jù)NICER研究團(tuán)隊(duì)估計(jì)，2顆導(dǎo)航脈沖星PSR J1824-2452A和PSR J1939+2134在1～5.5 keV的脈沖光子數(shù)為0.055、0.021 cts/s，然而接收到的背景噪聲強(qiáng)度為0.90、0.49 cts/s［24］，是脈沖信號(hào)的10倍以上，表4中實(shí)測(cè)結(jié)果也佐證了該觀點(diǎn)，該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(cè)量精度的關(guān)鍵所在，而后者直接影響脈沖星深空基準(zhǔn)建立及其應(yīng)用水平。

表4 NICER觀測(cè)5顆脈沖星的理論估計(jì)值與實(shí)際觀測(cè)值［102］Table 4 Theoretical estimates and actual observations of five pulsars observed by NICER［102］

2） 高時(shí)辨。一方面需要采用原子鐘提高短時(shí)標(biāo)時(shí)間基準(zhǔn)的精度，另一方面需要準(zhǔn)確地測(cè)量每個(gè)光子的到達(dá)時(shí)刻，才能計(jì)算出高精度脈沖TOA，只有這樣確保脈沖星光子完整的精確記錄。當(dāng)前最短的毫秒脈沖星周期為1.337 ms，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，有可能發(fā)現(xiàn)周期更短的脈沖星。對(duì)于這類脈沖星的觀測(cè)，需要X射線探測(cè)器時(shí)間分辨率高、響應(yīng)快，以提高光子到達(dá)時(shí)刻的測(cè)量精度。

3） 輕量化。導(dǎo)航用毫秒脈沖星輻射流量微弱，X射線望遠(yuǎn)鏡需要足夠大的有效面積才能收集滿足信噪比要求的信號(hào)，這無(wú)疑將使用更多的鏡片材料，倘若材料密度較大，必將增加望遠(yuǎn)鏡重量。另一方面，掠入射聚焦的方式需要較長(zhǎng)的焦距，易使望遠(yuǎn)鏡體積過(guò)大。這2方面都不利于X射線望遠(yuǎn)鏡質(zhì)量和體積的控制，故望遠(yuǎn)鏡的輕量化也是脈沖星深空基準(zhǔn)建設(shè)必須考慮的重要因素。

3 一種新型X射線望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)及性能

3.1 短焦距成像式X射線望遠(yuǎn)鏡

毫秒脈沖星處于超新星遺跡星云核心的位置，其半徑約十幾千米，距離地球至少1光年，且輻射信號(hào)具有明顯的周期輪廓特征。通過(guò)具有較高分辨率的X射線望遠(yuǎn)鏡，可將脈沖星成像在望遠(yuǎn)鏡焦平面探測(cè)器上很小的區(qū)域，進(jìn)而在圖像區(qū)域提取出脈沖星目標(biāo)區(qū)域的X射線光子，有望大幅度降低無(wú)周期性特征的脈沖星星云及其他空間背景的影響，從而提高探測(cè)靈敏度。同時(shí)對(duì)于遺留在脈沖星影像區(qū)域的噪聲信號(hào)，針對(duì)不同噪聲的特點(diǎn)，利用時(shí)域和頻域結(jié)合的方法進(jìn)一步降低噪聲的影響，最終為脈沖星深空基準(zhǔn)建立及應(yīng)用提供高精度脈沖TOA。

基于上述考慮，本文提出了一種用于毫秒脈沖星的成像式X射線望遠(yuǎn)鏡的設(shè)想，設(shè)計(jì)的低噪聲高分辨X射線望遠(yuǎn)鏡如圖1所示，其為聚焦型成 像 望 遠(yuǎn) 鏡（Focusing Imaging Telescope， FIT）。FIT由高角分辨率聚焦型X射線光學(xué)系統(tǒng)、高速焦平面探測(cè)器等組成。其中聚焦型X射線光學(xué)系統(tǒng)包括遮光罩、聚焦鏡單元等組件，聚焦鏡單元又包括鏡片固定裝置、聚焦鏡片和鏡筒、以及電子偏轉(zhuǎn)器。聚焦鏡和焦平面探測(cè)器之間通過(guò)防污染屏蔽筒連接。遮光罩用于屏蔽大部分雜散光，聚焦鏡片粘接在帶有輻條的固定裝置中，保證鏡片不受應(yīng)力變形，聚焦鏡筒與鏡片固定裝置連接，用于保護(hù)鏡片；電子偏轉(zhuǎn)器用于偏轉(zhuǎn)來(lái)自宇宙中的電子，使其在磁場(chǎng)的作用下無(wú)法到達(dá)焦平面探測(cè)器，降低宇宙背景和輻照劑量。

圖1 單個(gè)X射線望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of a single X-ray telescope

FIT的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建議采用聚焦性能優(yōu)良的Wolter-I 型或其近似型，高速焦平面探測(cè)器建議采用由許多微小面積SDD單元拼接而成。對(duì)于鏡片材料，相比于玻璃，單晶硅熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低、楊氏彈性模量大、密度低且無(wú)內(nèi)應(yīng)力，這些特性使得單晶硅鏡片具有更好的熱穩(wěn)定性、面形精度和更高的面質(zhì)比。單晶硅已被NASA和ESA視為下一代X射線望遠(yuǎn)鏡鏡片制作材料［34，82，85］，由于單晶硅切片法制作的望遠(yuǎn)鏡鏡片可實(shí)現(xiàn)更高的角分辨率，故建議采用該方法制作鏡片。NASA正采用單晶硅切片法制作單個(gè)大面積長(zhǎng)焦距的X射線望遠(yuǎn)鏡，而我們針對(duì)深空基準(zhǔn)探測(cè)的輕量化需求，需采用短焦距設(shè)計(jì)，這就要求單個(gè)X射線望遠(yuǎn)鏡的口徑不宜太大，需要優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了達(dá)到更大的有效面積，借鑒SEXTANT成功的經(jīng)驗(yàn)，也采用X射線望遠(yuǎn)鏡陣列，如圖2所示。

圖2 面向深空基準(zhǔn)探測(cè)的X射線望遠(yuǎn)鏡陣列Fig. 2 Array of X-ray telescopes for deep space reference

FIT實(shí)現(xiàn)成像觀測(cè)的過(guò)程如下，類似可見(jiàn)光CCD照相觀測(cè)，當(dāng)高角分辨率的FIT對(duì)準(zhǔn)毫秒脈沖星觀測(cè)時(shí)，脈沖星及其星云輻射就會(huì)在焦平面像素型探測(cè)器上分別聚焦為一個(gè)點(diǎn)源和一個(gè)較小區(qū)域，而彌散空間噪聲則在探測(cè)器上均勻分布，最終在探測(cè)器不同區(qū)域記錄流量強(qiáng)度不同的光子數(shù)。由于焦平面探測(cè)器由數(shù)量眾多且面積微小的像素組成，不同位置的像素能將不同流量X射線光子讀出，從而實(shí)現(xiàn)了X射線成像觀測(cè)。

3.2 FIT性能分析及比較

毫秒脈沖星的觀測(cè)精度定義為

式中：FWHM為脈沖半高寬；SNR為脈沖信噪比。X射線望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)脈沖星受到各種噪聲源的干擾，其SNR表達(dá)式為［33］

式中：Cp為脈沖星輻射的脈沖光子計(jì)數(shù)；Cup為脈沖星輻射的非脈沖光子計(jì)數(shù)，含星云輻射，對(duì)于毫秒脈沖星而言，該分量較小；Cb為空間彌散粒子噪聲計(jì)數(shù)；Cd為X射線探測(cè)器本底噪聲計(jì)數(shù)。

定義以下變量：

1）AS、η1分別為望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的幾何面積、等價(jià)反射效率。由于望遠(yuǎn)鏡的反射效率隨著能量變化，在毫秒脈沖星主要觀測(cè)能段0.3～5 keV范圍內(nèi)，需根據(jù)星源的輻射能譜及望遠(yuǎn)鏡性能綜合考慮得到等價(jià)反射效率。對(duì)于準(zhǔn)直型X射 線 望 遠(yuǎn) 鏡（Collimating X-ray Telescope，CXT），η1=1。

2）AJ、η2分別為望遠(yuǎn)鏡X射線探測(cè)器的接收面積、量子轉(zhuǎn)換效率；由于X射線探測(cè)器在0.3～5 keV處量化效率較高，一般在95%以上，為簡(jiǎn)化計(jì)算，令η2=1。

3）FX、FB為X射線脈沖星輻射的脈沖信號(hào)流量、非脈沖信號(hào)流量。

4）Bb為空間彌散本底；對(duì)于銀河系內(nèi)的脈沖星，還存在額外的背景輻射，本文暫不考慮。

5）Bd為X射線探測(cè)器的噪聲本底。

6）D、θ分別為望遠(yuǎn)鏡的焦距和角分辨率。

7）fPSF為望遠(yuǎn)鏡脈沖星探測(cè)區(qū)域內(nèi)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（Point Spread Function，PSF）。

8）Ωeff為 望 遠(yuǎn) 鏡 視 場(chǎng) 角（Field of View，F(xiàn)OV）內(nèi)等效脈沖星探測(cè)立體角，單位為球面度（Steradian，Sr）。

在Δt觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，可得：

由于脈沖星光子流量極其微弱，對(duì)整個(gè)望遠(yuǎn)鏡面積內(nèi)所有位置的光子流量求和，則式（3）中的二維分布可簡(jiǎn)化為一維，并代入式（2）。另外，由于缺乏望遠(yuǎn)鏡點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，且脈沖星極其遙遠(yuǎn)，下面計(jì)算時(shí)假設(shè)脈沖星信號(hào)在望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)下為均勻分布。可得：

對(duì)于CXT，AS=AJ，且η1=1，式（4）進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

可見(jiàn)，對(duì)于CXT，提高脈沖星觀測(cè)信噪比最直接的方法就是增大望遠(yuǎn)鏡面積、延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間和限制準(zhǔn)直器視場(chǎng)角，然而其無(wú)法有效抑制各種空間背景噪聲的影響。

對(duì)于聚焦型X射線望遠(yuǎn)鏡，當(dāng)角分辨率θ?1°，那么其焦斑半徑約為

對(duì) 于D=1.085 m；θ=60″，那 么 焦斑 半 徑為0.158 mm。SDD探測(cè)器具有良好的時(shí)間和能量分辨率，但商用SDD大小為25 mm2，邊長(zhǎng)為5 mm，允許最大角分辨率為31.86′，可見(jiàn)通過(guò)SDD是無(wú)法分離出脈沖星與其星云的輻射。脈沖星在探測(cè)器視場(chǎng)中顯示為一個(gè)點(diǎn)，而星云的視場(chǎng)較大，如典型的Crab脈沖星星云視場(chǎng)角約2′×3′，對(duì)于D=1.085 m，星云的焦斑大小為0.631 mm×0.947 mm。

考慮到商用的SDD無(wú)法實(shí)現(xiàn)更小的像素單元，且更先進(jìn)的SPD對(duì)華技術(shù)封鎖，建議FIT采用國(guó)產(chǎn)成像型CCD讀出，假設(shè)單個(gè)像素大小50 μm，那么焦平面探測(cè)器可采用20×20個(gè)像素陣列，這時(shí)脈沖星輻射脈沖信號(hào)僅被其中一個(gè)像素CCD所接收。需要注意的是，陣列CCD一般采取整行讀出，時(shí)間分辨率一般在幾十微秒量級(jí)，這對(duì)脈沖星觀測(cè)很不利。當(dāng)前該款CCD已經(jīng)完成方案的初步設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)具備加工能力。假設(shè)單個(gè)FIT面積與NICER相同，直徑為10.5 cm，幾何面積為86.59 cm2，NICER單個(gè)望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)器大小為5 mm×5 mm，而FIT的X射線探測(cè)器為1 mm×1 mm。

據(jù)表4可知，NICER望遠(yuǎn)鏡的儀器本底計(jì)數(shù)率為0.05 cts/s，空間彌散本底為0.15 cts/s，F(xiàn)OV為6′。NICER由56個(gè)X射線望遠(yuǎn)鏡組成，其幾何面積為4849.048 cm2，總的敏感器件SDD面積為14 cm2，則計(jì)算可得，SDD探測(cè)器本底流量為0.00357 cts·cm?2·s?1，空間彌散本底流量為0.00445 cts·cm?2·s?1·Sr?1。由于CCD也屬于硅基X射線探測(cè)器，后面FIT觀測(cè)脈沖星的探測(cè)器本底和空間彌散本底與NICER一致，即Bb=0.00445 cts·cm?2·s?1·Sr?1，Bd=0.00357 cts·cm?2·s?1。需要注意的是，NICER的XTI采用單次掠入射非成像觀測(cè)模式，而FIT采用兩次反射成像觀測(cè)模式。為了對(duì)比分析，同時(shí)考慮了相同面積的XTI和CXT，CXT的視場(chǎng)角為1°，下面重點(diǎn)分析不同的脈沖星脈沖信號(hào)流量、脈沖星非脈沖信號(hào)流量，角分辨率及鏡片單次反射效率對(duì)3款X射線望遠(yuǎn)鏡的影響。

首先分析不同脈沖信號(hào)流量對(duì)3款X射線望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)性能的影響。假設(shè)FB=0.001 cts·cm?2·s?1，鏡片單次反射效率為80%，觀測(cè)時(shí)間為10000 s，F(xiàn)IT的角分辨率為30″，F(xiàn)X在10?6～10 cts·cm?2·s?1之間變化，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，隨著FX增加，3款X射線望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)信噪比都增加。當(dāng)FX較弱時(shí)，F(xiàn)IT觀測(cè)脈沖星的SNR最好，而FX較強(qiáng)時(shí)，CXT觀測(cè)脈沖星的SNR較好。對(duì)于聚焦型X射線望遠(yuǎn)鏡，在FB=0.001 cts·cm?2·s?1情 況 下，當(dāng)FX=0.002 cts·cm?2·s?1時(shí)，F(xiàn)IT與XTI觀測(cè)脈沖星的SNR相當(dāng)，當(dāng)FX流量弱時(shí)，F(xiàn)IT性能優(yōu)于XTI，而當(dāng)FX流量強(qiáng)時(shí)，XTI性能略優(yōu)于FIT。

圖3 3款X射線望遠(yuǎn)鏡在不同脈沖信號(hào)流量下的觀測(cè)信噪比Fig. 3 Observed SNR of three X-ray telescopes under different pulse signal flux

其次分析了不同脈沖星非脈沖輻射對(duì)3款X射線望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)性能的影響。假設(shè)FX=0.001 cts·cm?2·s?1，其他條件同前，F(xiàn)B在10?6～10 cts·cm?2·s?1之間變化，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 3款X射線望遠(yuǎn)鏡在不同非脈沖信號(hào)流量下的脈沖星觀測(cè)信噪比Fig. 4 Pulsor observed SNR of three X-ray telescopes under different non-pulse single flux

由圖4可見(jiàn)，當(dāng)FB較小時(shí)（<10?4cts·cm?2·s?1），3款X射線探測(cè)器脈沖星觀測(cè)性能基本保持穩(wěn)定，XTI的脈沖星觀測(cè)信噪比約為26，F(xiàn)IT≈24，CXT≈10。隨著FB增加，3款X射線望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)脈沖星SNR都出現(xiàn)下降，其中XTI面對(duì)強(qiáng)流量的FB時(shí)，XTI性能趨向CXT，而FIT具有較強(qiáng)的非脈沖信號(hào)抑制能力。在FX=0.001 cts·cm?2·s?1情 況 下，當(dāng)FB=2×10?4cts·cm?2·s?1，F(xiàn)IT與XTI的脈沖星觀測(cè)性能相當(dāng)。當(dāng)FB流量弱時(shí)，XTI性能優(yōu)于FIT，而當(dāng)FB流量強(qiáng)時(shí)，F(xiàn)IT性能好于XTI。

接下來(lái)分析不同角分辨率對(duì)3款望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)性 能 的 影 響，假 設(shè)FB=0.0001 cts·cm?2·s?1，F(xiàn)X=0.001 cts·cm?2·s?1，鏡 片 單 次反射效 率 為80%。CXT的角分辨率為1o，F(xiàn)IT、XTI的角分辨率在1″～600″(10′)變化，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 3款X射線望遠(yuǎn)鏡在不同角度分辨率下的脈沖星觀測(cè)信噪比Fig. 5 Pulsar observed SNR of three X-ray telescopes with different angle resolution

由圖5可知，當(dāng)FB=0.0001 cts·cm?2·s?1，F(xiàn)X=0.001 cts·cm?2·s?1時(shí)，XTI與CXT觀測(cè)脈沖星的SNR保持不變，分別約為25和9.5。該結(jié)果產(chǎn)生的原因是，CXT的視場(chǎng)角保持固定，XTI的探測(cè)器SDD的大小允許最大角分辨率為31.86′，而SDD無(wú)位置讀出功能，故當(dāng)XTI的角分辨率<31.86′，XTI觀測(cè)脈沖星的SNR變化較小。當(dāng)FIT的角分辨率較小，脈沖星所有信號(hào)被一個(gè)像素CCD所接收，此時(shí)FIT的SNR≈23.5，略低于XTI性能。當(dāng)FIT的角分辨率>50″時(shí)，F(xiàn)IT觀測(cè)脈沖星性能會(huì)下降。即使當(dāng)角分辨率>600″時(shí)，F(xiàn)IT也比CXT更適合觀測(cè)脈沖星。

最后分析鏡片單次反射效率對(duì)3款X射線探測(cè)器脈沖星觀測(cè)性能的影響。假設(shè)FB=0.0001 cts·cm?2·s?1，F(xiàn)X=0.001 cts·cm?2·s?1，F(xiàn)IT、XTI、CXT的角分辨率分別為30″、6′、1°，反射率在0.1～1之間變化，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。

由圖6可知，XIT與FIT隨著鏡片單次反射效率的增加，脈沖星觀測(cè)信噪比均在提高。由于FIT需要鏡片2次反射X射線光子，故對(duì)其脈沖星觀測(cè)的SNR影響較大。當(dāng)單次反射效率達(dá)到90%以上，F(xiàn)IT觀測(cè)脈沖星的性能會(huì)超過(guò)XTI。通常情況下，鏡片對(duì)0.5～5 keV的X射線光子的反射效率>50%，可見(jiàn)，XIT和FIT在觀測(cè)微弱脈沖星時(shí)都優(yōu)于CXT。

圖6 3款X射線望遠(yuǎn)鏡在不同鏡面反射效率下的脈沖星觀測(cè)信噪比Fig. 6 Pulsar observed SNR of three X-ray telescopes with different reflection efficiency

進(jìn)一步，分析了3款X射線望遠(yuǎn)鏡對(duì)5顆導(dǎo)航脈沖星的觀測(cè)性能，脈沖星及星云的基本輻射參數(shù)源于表4，需要說(shuō)明的是，3款X射線望遠(yuǎn)鏡的幾何面積都為86.59 cm2，單次反射效率為80%，觀測(cè)時(shí)間為10000 s，其中FIT的角分辨率30″，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 3款X射線望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)5顆脈沖星的信噪比Table 5 SNR of five pulsars observed by three X-ray telescopes

由表5可知，對(duì)于Crab脈沖星（PSR J0534+2200），脈沖星及星云輻射流量強(qiáng)，XTI與CXT性能相當(dāng)，F(xiàn)IT觀測(cè)性能好于XTI和CXT。對(duì)于其他輻射流量的毫秒脈沖星，CXT觀測(cè)性能較差，聚焦觀測(cè)好于準(zhǔn)直觀測(cè)。值得注意的是，在相同望遠(yuǎn)鏡面積的情況下，相比XTI，F(xiàn)IT觀測(cè)獲得的脈沖SNR有不同程度的提高，特別是PSR J1937+2134，F(xiàn)IT比XTI提升約2倍。事實(shí)上，用于深空基準(zhǔn)建立的毫秒脈沖星輻射流量較弱，故所依賴的X射線望遠(yuǎn)鏡應(yīng)借助成像觀測(cè)來(lái)抑制各種非脈沖的噪聲，以實(shí)現(xiàn)脈沖SNR的提升，進(jìn)而提高脈沖TOA測(cè)量精度。

4 結(jié)論與展望

2021年3月13日，中國(guó)發(fā)布了《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，在事關(guān)國(guó)家安全和發(fā)展全局的基礎(chǔ)核心領(lǐng)域，制定實(shí)施戰(zhàn)略性科學(xué)計(jì)劃和科學(xué)工程，其中包括深空領(lǐng)域的空天科技。深空基準(zhǔn)是從事深空活動(dòng)的基礎(chǔ)，自主可控的深空基準(zhǔn)探測(cè)裝備的研制，是直接關(guān)系到中國(guó)深空利益拓展的國(guó)家急迫需要和戰(zhàn)略需求。瞄準(zhǔn)未來(lái)的中國(guó)深空基準(zhǔn)建設(shè)的需求，本文提出了一種利用脈沖星高分辨率成像觀測(cè)以抑制非脈沖噪聲的思想，設(shè)計(jì)了一種高分辨率低噪聲聚焦型X射線望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)論證分析發(fā)現(xiàn)，相比現(xiàn)有設(shè)備，其空間背景噪聲抑制能力得到有效增強(qiáng)，且相同面積X射線望遠(yuǎn)鏡相同時(shí)間內(nèi)探測(cè)靈敏度明顯提高，能夠?yàn)橹袊?guó)脈沖星深空基準(zhǔn)建設(shè)提供硬件基礎(chǔ)。

作者在總結(jié)面向深空基準(zhǔn)探測(cè)的X射線望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)狀時(shí)，主要考慮了基于掠入射成像望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)。同時(shí)，為滿足輕量化，作者思之，能否采用傳統(tǒng)的準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)X射線望遠(yuǎn)鏡，以極其微小的方孔或圓孔作為準(zhǔn)直器，并限制孔壁長(zhǎng)度以實(shí)現(xiàn)角秒量級(jí)視場(chǎng)，每個(gè)小孔后面都配備單獨(dú)的X射線探測(cè)器。如此設(shè)計(jì)的X射線望遠(yuǎn)鏡的體積和重量將大幅度降低，猶如一層布滿微小孔的薄板，容易安裝在航天器表面上，且避免占用航天器內(nèi)部空間。當(dāng)然這種概念性X射線望遠(yuǎn)鏡也將面臨設(shè)計(jì)和制造上諸多問(wèn)題，如極其微小準(zhǔn)直器的制造，能否采用光刻技術(shù)在硅或金屬材料上刻制；后端極其微小的X射線探測(cè)器研制以及數(shù)量驚人的電子學(xué)讀出電路，使用現(xiàn)有技術(shù)能否解決，諸多科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題都需要持續(xù)深入研究。

致 謝

感謝西安測(cè)繪研究所楊元喜院士在研究方向上的指點(diǎn);感謝中科院高能物理研究所陳勇研究員及西安光機(jī)所趙寶升研究員的交流;感謝中科院高能物理研究所葛明玉博士、鄭世界博士在空間背景噪聲模擬的指導(dǎo)，韓大煒副研究員在X射線空間任務(wù)的幫助;感謝安徽建筑科技大學(xué)閆林麗博士對(duì)NICER數(shù)據(jù)結(jié)果的支持;感謝北京控制工程研究所李連升研究員對(duì)XPNAV-01星望遠(yuǎn)鏡性能參數(shù)的提供;感謝同濟(jì)大學(xué)廖穎宇博士在鏡片制作方法的交流與指點(diǎn)。