ASO-S/HXI探测器的空间环境和性能研究

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太阳的爆发是一种能够对人类活动产生影响的高能物理现象,一直备受天文学家关注。当太阳上爆发剧烈活动时,不仅会造成人造卫星和空间站上的设备瘫痪,还会损坏地面通讯和电网系统。为了预防太阳爆发带来的危害,空间天气的预报正变得越加重要。而太阳爆发时的各种极端的物理现象的观测研究也将帮助天文学家更加深刻的认识太阳以及宇宙中的其他极端能量爆发现象。太阳爆发活动主要可分为两类:太阳耀斑和日冕物质抛射。在这两种现象中,存在着高能辐射和高能粒子的产生和传播,但这些高能辐射和粒子因大气层和地磁场的阻挡,几乎无法在地面上进行观测。为了更好的进行太阳爆发活动的观测研究,我们必须进行太阳的空间观测。先进天基太阳天文台(ASO-S)就是为了研究太阳的爆发活动而开展的空间观测任务。作为中国首颗综合性太阳观测卫星,它将在第25个太阳活动极大期对太阳爆发活动展开全面观测。ASO-S科学目标瞄准”一磁两暴“,即实现对全日面矢量磁场、太阳耀斑以及日冕物质抛射的同步观测。作为ASO-S三大载荷之一的硬X射线成像仪(HXI),其科学目标为对太阳耀斑的硬X射线源进行成像和能谱观测。HXI将利用空间调制傅里叶变换技术来实现对太阳耀斑的硬X射线间接成像,获得30keV至200keV硬X射线的空间分布和能量分布以及它们的时变信息。为此,HXI配置了准直器系统来进行X射线的调制,量能器系统来获取调制后的X射线能量和计数,以及电控箱来提供电压和进行数据处理。本文的所有研究都是为了确保HXI能够正确的实现对耀斑硬X射线的成像和能谱。首先是针对HXI的空间环境的研究,主要研究HXI的空间环境中粒子的组成、空间分布和能量分布信息,还通过仿真模拟HXI对空间环境粒子的响应,计算出HXI的在轨本底的组成比例和随时间的变化,然后根据模拟的结果估算出在轨本底对观测的影响和标定源的活度。接着我们研究了 HXI量能器的相关性能,包括对其探测效率的标定、能量分辨率的标定以及能量和ADC道数的对应(E-C)关系的研究。通过对HXI量能器的所有探头探测效率进行标定,确定了它们各自的全能峰探测效率,并发现探测器之间的差异很小。通过HXI量能器的能量分辨率标定,确定了所有探头都是满足设计指标的。而通过HXI量能器的E-C关系研究,得出总体能量线性优于4%,电子学增益随电压稳定变化,不存在突变,能够胜任在轨观测任务。在轨本底的仿真模拟不仅能帮助我们评估在轨本底对实际观测的影响,并据此进行探测器结构的合理优化调整,也有助于评估仪器的辐照损伤量级,还能帮助我们制定合适的在轨观测计划。探测器性能的地面标定是探测器研制过程中的必要工作,不仅能验证正样件是否满足设计要求,还能确定探测器的实际性能参数,而这是探测器能准确实现其科学目标的前提。HXI性能的标定证明了探测器之间的差异很小,重要的性能指标良好,满足设计指标,这为HXI的在轨观测打下了坚实的基础。
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