盧方軍 （中國科學(xué)院高能物理研究所）

“慧眼”硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡的探測技術(shù)和科學(xué)運(yùn)行

盧方軍 （中國科學(xué)院高能物理研究所）

Exploration Technologies and Scientif i c Operation of Hard X-ray Modulation Telescope

“慧眼”硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（HXMT）是我國自主研制的第一個X射線空間望遠(yuǎn)鏡。該空間望遠(yuǎn)鏡于2017年6月15日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射場采用長征－4B運(yùn)載火箭發(fā)射升空，并已成功獲得首批數(shù)據(jù)。

1 “慧眼”情況簡介

20世紀(jì)90年代初，中國科學(xué)院高能物理研究所（簡稱高能所）李惕碚和吳枚在高能天體物理數(shù)據(jù)分析中發(fā)展了直接解調(diào)方法（DDM），該方法克服了硬X射線成像的技術(shù)困難，可以用簡單成熟的準(zhǔn)直型望遠(yuǎn)鏡通過掃描觀測實(shí)現(xiàn)高分辨率和高靈敏度的硬X射線成像。1994年，在該方法和球載實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，高能所提出“硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡”（后面用其新名“慧眼”）項(xiàng)目，主要科學(xué)目標(biāo)是完成國際上首個高靈敏度的硬X射線巡天，發(fā)現(xiàn)大量新的硬X射線天體，并對重要天體進(jìn)行高精度定點(diǎn)觀測，主要科學(xué)儀器是18個碘化鈉/碘化銫（NaI/CsI）復(fù)合晶體探測器，總面積約0.5m2，工作能段20～250keV。在預(yù)研到立項(xiàng)的論證過程中，根據(jù)國際天文學(xué)發(fā)展的需要，以及我國在空間X射線探測技術(shù)方面的進(jìn)步，項(xiàng)目組又為“慧眼”增加了兩種新的探測器，即基于Si-PIN探測器的中能X射線望遠(yuǎn)鏡（ME）和基于X射線CCD的低能X射線望遠(yuǎn)鏡（LE），使“慧眼”的觀測能區(qū)擴(kuò)展到1～250keV。2011年，“慧眼”工程正式批復(fù)立項(xiàng)。

“慧眼”采用分艙室式設(shè)計(jì)，有效載荷（科學(xué)探測儀器）位于衛(wèi)星上部，服務(wù)艙以資源－2衛(wèi)星平臺為基礎(chǔ)位于衛(wèi)星下部。衛(wèi)星總質(zhì)量約2500kg，將運(yùn)行在高度550km、傾角43°的近地圓軌道，在軌設(shè)計(jì)壽命4年。

2 有效載荷探測技術(shù)

“慧眼”的主有效載荷包括高能X射線望遠(yuǎn)鏡、中能X射線望遠(yuǎn)鏡和低能X射線望遠(yuǎn)鏡。這三種望遠(yuǎn)鏡安裝在同一個結(jié)構(gòu)上，指向相同，可以在不同的能段同時觀測一個天體。由于不同能量的X射線輻射起源于天體上不同的物理過程或者具有不同物理?xiàng)l件的區(qū)域，因此在不同的能段觀測天體，可以對天體的活動給出更全面和準(zhǔn)確的診斷。此外，為監(jiān)測衛(wèi)星所處的帶電粒子環(huán)境，對衛(wèi)星在軌可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷，并為望遠(yuǎn)鏡的本底估計(jì)提供輔助數(shù)據(jù)，“慧眼”還搭載了一臺空間環(huán)境監(jiān)測器（SEM），安裝在衛(wèi)星載荷艙的外面。

高能X射線望遠(yuǎn)鏡

高能X射線望遠(yuǎn)鏡位于中央，整體結(jié)構(gòu)為圓柱形，由主探測器、準(zhǔn)直器、在軌標(biāo)定探測器、反符合屏蔽探測器、粒子監(jiān)測器、高能電控箱和高能配電箱組成，是世界上在20～250keV能區(qū)探測器面積最大，既可用于對特定X射線源進(jìn)行高精度定點(diǎn)觀測，又可以進(jìn)行掃描成像觀測的望遠(yuǎn)鏡。

X射線在物質(zhì)中沉積能量的作用機(jī)制有三種：光電吸收、康普頓散射和電子對產(chǎn)生，其中，電子對產(chǎn)生效應(yīng)只在入射X射線光子能量大于1.022MeV（即兩個電子的靜止質(zhì)量對應(yīng)的能量）的時候才會發(fā)生，超出了“慧眼”的正常觀測能區(qū)，這里不予考慮。對于高能X射線望遠(yuǎn)鏡關(guān)心的20～250keV的硬X射線，其與物質(zhì)相互作用的主要方式是康普頓散射和光電效應(yīng)。這兩種過程都是入射光子與物質(zhì)作用時將部分（康普頓散射）或者全部（光電吸收）的能量轉(zhuǎn)換成次級電子的能量，同時入射的光子完全消失或者被散射變成另一個能量較低的X射線光子，而產(chǎn)生的次級電子會通過電離和輻射過程將能量全部損失掉。對于一些特殊的晶體材料，電子在其中通過電離使部分原子躍遷到激發(fā)態(tài)，原子很快退激（典型時間小于0.1μs）并發(fā)射出熒光光子，這種特殊類型的晶體就是在X射線探測中經(jīng)常用到的閃爍體探測器。

高能X射線望遠(yuǎn)鏡的主探測器采用鉈激活碘化鈉[NaI（Tl）]閃爍晶體，共18個單體，總探測面積約0.51m2。每個主探測器單體的探測器晶體是由3.5mm厚的鉈激活碘化鈉晶體和4cm厚的鈉激活碘化銫[CsI（Na）]晶體耦合在一起組成的復(fù)合晶體，鉈激活碘化鈉晶體在前，鈉激活碘化銫晶體在后，再通過一個10mm的石英玻璃耦合到一個光電倍增管（PMT）上。

對正常觀測而言，鉈激活碘化鈉晶體是有效探測晶體，其發(fā)光衰減時間常數(shù)為230ns；厚厚的鈉激活碘化銫晶體用于抑制本底，其發(fā)光衰減時間常數(shù)為630ns。X射線光子入射到主探測器上，有的X光子會將全部能量沉積到鉈激活碘化鈉晶體中，稱之為碘化鈉事例或“好事例”；有的X光子會把全部能量沉積到鈉激活碘化銫晶體中，稱之為碘化銫事例；有的X光子會在兩種晶體中都沉積部分能量，稱之為康普頓事例或混合事例。在正常觀測中，只有碘化鈉事例是需要保留的科學(xué)事例，碘化銫事例和混合事例都是需要被去除掉的屏蔽事例。因?yàn)閮煞N晶體的發(fā)光衰減時間常數(shù)不同，反映到上述的三種事例經(jīng)過光電倍增管后形成的電脈沖信號的寬度不同，根據(jù)最終的電脈沖寬度可以將碘化鈉事例（好事例）挑選出來，這就是所謂的脈沖形狀甄別技術(shù)。在“慧眼”上，雖然通過脈沖形狀甄別技術(shù)挑選出了碘化鈉事例，但是與碘化銫晶體相關(guān)的事例也保留下來并傳到地面。正是因?yàn)樗械氖吕紓鞯搅说孛?，為“慧眼”增加γ射線暴監(jiān)測的能力提供了可能。

在主探測器的前方和側(cè)面安裝了接近全覆蓋的反符合探測器，以便對空間的高能帶電粒子（比如電子、質(zhì)子等）進(jìn)行主動屏蔽，在主探測器已采用碘化銫晶體的基礎(chǔ)上進(jìn)一步抑制本底。其工作原理是，當(dāng)帶電粒子穿過反符合探測器中的塑料閃爍體時，由于電離作用在塑料閃爍體中沉積能量，產(chǎn)生閃爍信號，而高能X射線與塑料閃爍體的作用截面（包括光電作用截面和康普頓散射截面）非常小，反符合探測器對穿過的X射線基本無反應(yīng)，因此，當(dāng)主探測器和反符合探測器同時記錄到一個事例時，這個事例極可能是帶電粒子引起的，可以作為本底事例被排除掉。這種反符合探測技術(shù)在粒子物理實(shí)驗(yàn)和空間高能天體物理探測中獲得了廣泛的應(yīng)用。

在每個主探測器的前面安裝了在軌標(biāo)定探測器，其作用是為主探測器提供標(biāo)準(zhǔn)能量的X射線光子，并通過監(jiān)測這些X射線光子在主探測器上造成的信號大小，隨時調(diào)節(jié)主探測器的增益，保證主探測器工作穩(wěn)定，正確獲取入射X射線的能量信息。此外，高能X射線望遠(yuǎn)鏡還包括3臺粒子監(jiān)測器，它們監(jiān)視空間粒子流強(qiáng)，當(dāng)空間粒子流強(qiáng)過大時提供預(yù)警信號，降低主探測器的工作電壓，保證其安全。

中能X射線望遠(yuǎn)鏡

中能X射線望遠(yuǎn)鏡包括近乎全部相同的3個探測器機(jī)箱，由1個電控箱控制。每個中能X射線望遠(yuǎn)鏡探測器機(jī)箱均可獨(dú)立工作，用于探測天體發(fā)出的5～30keV的X射線輻射，電控箱的主要作用是為探測器機(jī)箱供配電，并實(shí)現(xiàn)探測器機(jī)箱和衛(wèi)星平臺之間的指令和數(shù)據(jù)通訊。

探測器機(jī)箱包括遮光罩、準(zhǔn)直器、探測器和前端電路等。遮光罩一方面屏蔽雜散光對探測器的影響，另一方面也作為輻射制冷器將探測器發(fā)出的熱量輻射到宇宙空間，滿足探測器-40～-20℃的工作溫度要求。Si-PIN探測器的作用就是探測被觀測天體的X射線輻射，其工作原理是：能量為E的X射線與Si-PIN探測器發(fā)生作用，其能量全部消耗在探測器的有效體積內(nèi)，并轉(zhuǎn)化成電子空穴對，電子在偏壓電場的作用下被收集，通過前端電路讀出，形成一個事例。電子空穴對的數(shù)目正比于入射X射線光子的能量，因此根據(jù)讀出信號的大小可以推算光子的能量。中能X射線望遠(yuǎn)鏡所用Si-PIN探測器為國內(nèi)自行研制，厚1mm，探測能區(qū)5～30keV，與低能和高能X射線望遠(yuǎn)鏡的觀測能區(qū)之間有很好的交叉覆蓋。

探測器機(jī)箱所產(chǎn)生的科學(xué)數(shù)據(jù)會按照低電壓差分信號（LVDS）接口協(xié)議傳送到中能電控箱。除科學(xué)數(shù)據(jù)外，探測器機(jī)箱還產(chǎn)生一部分工程數(shù)據(jù)，這包括了探測器的工作溫度，電子學(xué)系統(tǒng)的監(jiān)測電壓、電流等信息。工程數(shù)據(jù)也通過低電壓差分信號接口傳輸?shù)街心茈娍叵?，它們不僅用于對載荷工作狀態(tài)的監(jiān)測，而且還在科學(xué)數(shù)據(jù)分析中用于輔助確定儀器的響應(yīng)函數(shù)。

與高能X射線望遠(yuǎn)鏡相似，來自于其他方向的X/γ射線和空間帶電粒子也會在中能X射線望遠(yuǎn)鏡探測器上造成本底事例，因此，中能X射線望遠(yuǎn)鏡也采取了幾項(xiàng)本底屏蔽措施，包括在探測器的前方安裝準(zhǔn)直器、在探測器機(jī)箱內(nèi)壁貼加薄鉭片等。此外，部分本底事例是帶電粒子和衛(wèi)星結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生的次級效應(yīng)，會同時在幾個探測器面元上造成信號，而入射的源X射線光子只會在一個探測器上造成信號，因此，中能X射線望遠(yuǎn)鏡還利用了探測器面元之間的交叉反符合，進(jìn)一步降低本底水平，提高探測靈敏度。

低能X射線望遠(yuǎn)鏡

低能X射線望遠(yuǎn)鏡也是由3個探測器機(jī)箱和1個電控箱組成。每個機(jī)箱的結(jié)構(gòu)包括遮光罩、準(zhǔn)直器、探測器和前端電子學(xué)等幾個部分。低能X射線望遠(yuǎn)鏡的主要科學(xué)目標(biāo)之一是研究天體在軟X射線能段的快速光變，要求既具有低的探測閾值和高的能量分辨率，又具有高的時間分辨率，因此選用掃式電荷器件作為探測器。掃式電荷器件是一種特殊類型的X射線CCD，它采用連續(xù)讀出的方式，犧牲入射光子在CCD上的位置信息，但獲得了高的時間分辨率，整片掃式電荷器件的讀出時間只有1ms，遠(yuǎn)小于普通CCD秒量級的讀出時間。低能X射線望遠(yuǎn)鏡探測的是低能X射線光子，它們在探測器上造成的信號很弱，為了降低該望遠(yuǎn)鏡的低能探測閾值，提高能量分辨率，掃式電荷器件一般工作在-80～-50℃的低溫狀態(tài)下，以降低探測器暗電流造成的系統(tǒng)噪聲。低能X射線望遠(yuǎn)鏡安裝了熱管，可以將掃式電荷器件產(chǎn)生的微小熱量傳遞至遮光罩，再輻射到宇宙空間，以保證探測器的低溫工作環(huán)境。在-80～-50℃的工作溫度下，低能X射線望遠(yuǎn)鏡在6keV附近的能量分辨率大約為150eV，與美國的“錢德拉X射線天文臺”（Chandra X-ray Observatory）和歐洲的“牛頓X射線多鏡面”（XMM-Newton）等先進(jìn)的X射線空間望遠(yuǎn)鏡相當(dāng)。為了降低本底水平，提高靈敏度，低能X射線望遠(yuǎn)鏡也采用了與中能X射線望遠(yuǎn)鏡相同的本底抑制措施。模擬計(jì)算表明，帶電粒子在低能X射線望遠(yuǎn)鏡上造成的1～6keV之間的本底幾乎可以全部屏蔽或反符合掉，大大提高了觀測宇宙X射線輻射的能力。

3 科學(xué)觀測模式及研究目標(biāo)

“慧眼”的科學(xué)觀測模式包括掃描成像觀測模式、定點(diǎn)觀測模式和γ射線暴監(jiān)測模式。這些觀測模式與衛(wèi)星不同的科學(xué)目標(biāo)相對應(yīng)。

觀測模式

“慧眼”的3種望遠(yuǎn)鏡都是準(zhǔn)直型望遠(yuǎn)鏡，即只有位于準(zhǔn)直器視場內(nèi)的天體發(fā)出的X射線才能照射到探測器上，而且與視線方向的夾角越大，有效探測面積越小。在掃描觀測模式下，由于天空中存在著亮度不同的X射線源，望遠(yuǎn)鏡在掃過不同區(qū)域時探測器的計(jì)數(shù)率也在變化，通過分析計(jì)數(shù)率變化和望遠(yuǎn)鏡姿態(tài)之間的關(guān)系，可以重建獲得天空X射線源的位置和流強(qiáng)。掃描觀測是“慧眼”發(fā)現(xiàn)監(jiān)視已知源的流強(qiáng)變化以及發(fā)現(xiàn)新天體的主要手段。

定點(diǎn)觀測則是指向某一天體進(jìn)行長時間的觀測，可以獲得被觀測天體高統(tǒng)計(jì)量的觀測數(shù)據(jù)，從這些數(shù)據(jù)中可以獲得天體的輻射能譜和流強(qiáng)隨時間的變化等信息，從而了解天體的物理狀態(tài)及其變化過程。

最近，我們還開發(fā)了一種新的觀測模式，即γ射線暴觀測模式?！盎垩邸痹O(shè)計(jì)的觀測能量段是1～250keV，而且準(zhǔn)直器限定的視場也比較小，原則上講不能監(jiān)測在天空隨機(jī)出現(xiàn)的γ射線暴等爆發(fā)現(xiàn)象。但是，“慧眼”上的高能X射線望遠(yuǎn)鏡主探測器用于屏蔽從背面入射本底的碘化銫晶體厚達(dá)4cm，高于300keV的硬X射線和軟γ射線光子可能穿透準(zhǔn)直器等結(jié)構(gòu)材料，照射到碘化銫晶體上并使之產(chǎn)生熒光，從而被光電倍增管接收到。在一般的天體物理觀測中，通常認(rèn)為碘化銫的信號來源于環(huán)境本底，是不下傳到地面的，但是“慧眼”將所有碘化銫晶體信號都下傳到地面了，因此為在300keV以上的硬X射線/軟γ射線能段探測γ射線暴提供了可能。

科學(xué)研究目標(biāo)

“慧眼”具體的科學(xué)目標(biāo)有以下4個：①進(jìn)行大天區(qū)的X射線巡天，發(fā)現(xiàn)新的天體或已知天體的新活動；②對X射線雙星系統(tǒng)進(jìn)行高精度的定點(diǎn)觀測，研究其快速光變；③觀測孤立脈沖星、強(qiáng)磁場中子星和中子星X射線雙星中的X射線暴，研究致密物質(zhì)的狀態(tài)方程；④監(jiān)測200keV～3MeV能區(qū)的暴發(fā)現(xiàn)象，研究γ射線暴，尋找引力波暴的電磁對應(yīng)體。

（1）寬波段大天區(qū)X射線巡天

“慧眼”將對銀道面進(jìn)行經(jīng)常性的掃描觀測，發(fā)現(xiàn)新的（暫現(xiàn)）X射線源，獲得其寬波段（1～250keV）X射線輻射性質(zhì)，并在發(fā)現(xiàn)這些源處于暴發(fā)態(tài)的時候，指向其進(jìn)行高精度的定點(diǎn)觀測，組織其他空間和地面望遠(yuǎn)鏡對這些天體源進(jìn)行多波段聯(lián)合觀測。

在銀河系內(nèi)，存在一類致密星（黑洞、中子星、白矮星）和正常恒星組成的X射線雙星系統(tǒng)。由于致密星存在強(qiáng)引力場，部分正常恒星的物質(zhì)會被致密星所俘獲，并最終掉入黑洞或落到中子星、白矮星的表面。在下落的過程中，物質(zhì)溫度會升高到幾百萬度到幾千萬度，將引力能轉(zhuǎn)換成X射線輻射釋放出去。多數(shù)時候，這些天體的X射線輻射比較弱，甚至于探測不到，但有時候由于被俘獲的物質(zhì)量增加，X射線流強(qiáng)會變得非常高，因此被稱為暴發(fā)源或瞬變源。這些源多位于銀道面上，歷史上每一次銀道面和銀河系中心方向的巡天和監(jiān)測都發(fā)現(xiàn)了已知源的新活動以及新（類型）的瞬變源，由于瞬變源為研究致密星物理、伴星性質(zhì)和吸積過程，以及理解天體源多樣性提供了寶貴的機(jī)會，每一次發(fā)現(xiàn)新的瞬變天體都會形成國際多波段、多天文臺和天地一體化觀測的熱潮。對銀道面的掃描巡天觀測將是“慧眼”的重要研究內(nèi)容，下圖給出了對銀道面進(jìn)行一次掃描觀測后的曝光分布（紅色的標(biāo)記表示天空中已知的亮X射線源，標(biāo)記的大小和源的流強(qiáng)成比例）。

（2）對X射線雙星系統(tǒng)進(jìn)行定點(diǎn)觀測，研究其多波段快速光變和能譜

X射線雙星系統(tǒng)的一個重要特征是存在不同的輻射態(tài)，即流強(qiáng)高、能譜軟的高軟態(tài)，流強(qiáng)低、能譜硬的低硬態(tài)，以及位于這兩個態(tài)之間的轉(zhuǎn)換態(tài)。但是這些長期活動和演化的機(jī)制目前并不清楚，因此需要對若干典型的黑洞和中子星進(jìn)行長期的、寬波段的高頻次監(jiān)測，以理解不同類型的能譜態(tài)和時變態(tài)的演化和轉(zhuǎn)換機(jī)制。盡管以前的每一個X射線天文衛(wèi)星都對幾個經(jīng)典的X射線天體做了大量的觀測，但是由于缺乏同時的寬波段、高統(tǒng)計(jì)量、高時間分辨率和良好能量測量的觀測，一些基本問題仍然不清楚，“慧眼”能區(qū)寬、面積大、低能段能量分辨率高、時間分辨率高并可以觀測強(qiáng)源，在X射線雙星多波段快速光變研究方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。此外，利用“慧眼”覆蓋能段寬和低能段能量分辨率高的特點(diǎn)，還可以對黑洞的自轉(zhuǎn)參數(shù)進(jìn)行精確的測量。

（3）觀測磁星，研究強(qiáng)磁場下物質(zhì)的狀態(tài)方程

反常 X 射線脈沖星和軟γ射線重復(fù)暴是具有特殊性質(zhì)的中子星，它們的表面磁場強(qiáng)度可能超過量子電動力學(xué)的臨界磁場強(qiáng)度（4.4×109T），因此被稱為磁星。磁星的X射線輻射光度遠(yuǎn)超其自轉(zhuǎn)能損率，而且在X射線能段表現(xiàn)出巨耀發(fā)、爆發(fā)和周期跳變等活動性，反映磁星本身很不穩(wěn)定。對脈沖星的周期長期監(jiān)測，有助于發(fā)現(xiàn)形式更多、表現(xiàn)更豐富的活動性，從而解決脈沖星（尤其是磁星）的能量來源之謎。

（4）監(jiān)測研究γ射線暴，尋找引力波暴的電磁對應(yīng)體

γ射線暴是來自天空中某一方向的γ射線強(qiáng)度在短時間內(nèi)突然增強(qiáng)，隨后又迅速減弱的現(xiàn)象，持續(xù)時間在0.1～1000s，輻射主要集中在0.1～100MeV的能段。γ射線暴發(fā)現(xiàn)于1967年，是目前已知能量僅次于宇宙大爆炸的爆發(fā)現(xiàn)象，可能是巨大恒星在燃料耗盡時塌縮爆炸或者兩顆鄰近的致密星體（黑洞或中子星）并合而產(chǎn)生的。在γ射線暴工作模式下，高能主探測器可以監(jiān)測（未受地球遮擋的）超過一半天區(qū)的γ射線暴發(fā)現(xiàn)象。模擬分析表明，一年可以看到近200個γ射線暴，將為研究它們在300keV～3MeV能區(qū)的能譜和光變提供珍貴的樣本。由于兩個致密天體的并合除了可能發(fā)生γ射線暴，也會產(chǎn)生較強(qiáng)的引力波，因此，觀測γ射線暴是探測和研究引力波電磁對應(yīng)體的重要方式。

4 “慧眼”運(yùn)行展望

“慧眼”在幾個月的在軌測試階段結(jié)束后，將正式開始科學(xué)觀測。為了充分發(fā)揮它的科學(xué)能力，2016年6月，我們向全國公開征集“慧眼”的首輪核心觀測提案，即征集科學(xué)意義重大、需要大量觀測時間的觀測提案。提案征集得到了天文界的熱烈反應(yīng)，共征集到大小提案90份，來自中國科學(xué)院6個研究所和包括香港大學(xué)和臺灣清華大學(xué)在內(nèi)的全國10所高校，提出的總觀測時間需求差不多7年。經(jīng)過科學(xué)和技術(shù)評估，最終從90份觀測提案中優(yōu)選了一定數(shù)量的核心提案，并在此基礎(chǔ)上制定了第一年的觀測規(guī)劃。在第一年的觀測規(guī)劃中，有近1/3的時間將進(jìn)行銀道面的掃描觀測，其余的時間用于對X射線雙星、孤立脈沖星的定點(diǎn)觀測。此外，還留出了部分機(jī)動時間，用于在特殊天象出現(xiàn)時進(jìn)行機(jī)遇觀測。

今后，根據(jù)“慧眼”的運(yùn)行和觀測開展情況，還將適時進(jìn)行后續(xù)的提案征集。參照國際空間望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)管理的慣例，如果提案獲得批準(zhǔn)，提案人及其合作者將可以在第一時間拿到相關(guān)的觀測數(shù)據(jù)，并將在1年左右的時間段內(nèi)專享這部分科學(xué)數(shù)據(jù)的使用。數(shù)據(jù)專享期結(jié)束后，大部分?jǐn)?shù)據(jù)將對國內(nèi)外開放，以方便更多的研究人員利用“慧眼”的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究工作。