Wolter?I型X射線脈沖星探測器的空間環(huán)境本底分析

劉金勝，王博，宋娟，王文叢，李璟璟，徐振華

山東航天電子技術研究所，煙臺 264670

自主導航是未來航天器發(fā)展的核心技術和關鍵技術［1］。目前，基于全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）中低軌道的航天器已基本實現(xiàn)自主導航，但局限于導航衛(wèi)星的軌道高度和電磁信號的輻射角約束，GNSS難應用于深空探測器的自主導航任務［2］。X射線脈沖星導航（X-Ray Pulsar Navigation，XPNAV）是利用脈沖星輻射的X射線信號對航天器進行定位、定姿、授時、測速的一種自主天文導航技術，具有導航精度高、安全性強、可自主運行等特點［3］，且可覆蓋從低地球軌道直至行星際的整個宇宙空間［4］，是一種新興的航天器自主導航技術，具有廣闊的應用前景。

隨著X射線脈沖星導航技術的快速發(fā)展，高效率、高性能的X射線探測器成為航天器自主導航研究的重要內容。由于脈沖星距離遠、輻射的X射線能量偏低、X射線掠入射角小、空間噪聲大、探測器光學系統(tǒng)的加工裝配精度要求高等問題，難以實現(xiàn)空間目標的高效率、高信噪比觀測，因此發(fā)展高聚焦性能的X射線探測器是實現(xiàn)X射線脈沖星導航的關鍵之一［5］。近年來，具有空間本底噪聲小、光學增益大的Wolter-I型X射線脈沖星探測器得到了廣泛的關注與應用［6-7］。Wolter-I型X射線脈沖星探測器光學系統(tǒng)由一個拋物面反射鏡和一個雙曲面反射鏡構成，利用共焦拋物面-雙曲面的內反射面在相同焦距下縮小系統(tǒng)的體積，簡化系統(tǒng)準直裝調，且可實現(xiàn)多層嵌套，有利于增大系統(tǒng)的集光面積［8］。

在聚焦型X射線探測器物理設計和性能評估中，探測器粒子本底水平的估計是一個始終需要關注的重要指標［9］。影響探測器粒子本底水平的因素包括運行軌道的空間輻射環(huán)境、整體結構屏蔽、聚焦鏡響應、傳感器附近區(qū)域結構設計、傳感器及電子學設計等［10］。目前比較普遍的粒子本底水平估計方法主要有兩種：① 將已在軌相似空間輻射環(huán)境及探測器的觀測結果作為輸入，同時考慮自身探測器特征引入修正因子加以估計，該方法由于沒有更多考慮每個載荷的獨特性結果誤差較大［11］；② 通過蒙特卡羅（Monte Carlo， MC）方法使用粒子輸運軟件建立探測器質量模型模擬其對空間輻射環(huán)境的響應［12］，這種方法是國內外空間X射線探測器普遍使用的方法，在很多空間實驗中該方法估算的結果與在軌實測結果具有很好的一致性［13］。

本文基于空間環(huán)境信息系統(tǒng)（Space Envi?ronment Information System，SPENVIS）和GEANT4平臺對一種Wolter-I型X射線脈沖星探測器開展優(yōu)化設計，以盡可能降低空間中輻射粒子對目標脈沖星觀測的影響，減少探測器的空間環(huán)境本底，提升探測器信噪比和靈敏度。首先利用SPENVIS平臺仿真700 km地球圓軌道上的空間輻射環(huán)境，給出地球捕獲輻射帶粒子、太陽宇宙線和銀河宇宙線的分布與能譜特征，作為探測器模擬中入射粒子的依據(jù)；然后利用GEANT4程序包構建由Wolter-I型光學系統(tǒng)、遮光膜、準直器、硅漂移探測器（SDD）組成的X射線脈沖星探測器，基于不同尺寸、形狀、材料的遮光膜和準直器模型模擬不同種類空間輻射粒子（電子、質子及氦）在探測器中的輸運過程和能量響應；最后依據(jù)探測器對不同種類粒子的能量響應分析其對低能粒子屏蔽能力，估算探測器空間環(huán)境本底，實現(xiàn)探測器結構及參數(shù)的優(yōu)化。

1 空間輻射環(huán)境仿真

以高度700 km、傾角60°的地球圓軌道為例，采用SPENVIS［14］平臺開展空間輻射環(huán)境仿真及探測器仿真中入射粒子的生成。

1.1 基于SPENVIS平臺的空間輻射粒子仿真

空間輻射環(huán)境中輻射粒子主要分為地球捕獲輻 射帶粒 子［15-16］、太陽 宇宙線［17］和 銀河宇宙線［18］。衛(wèi)星軌道不同時空間輻射環(huán)境中輻射粒子的分布與能譜差異很大，其對Wolter-I型X射線脈沖星探測器造成的空間輻射環(huán)境本底也不同，尤其是經過南大西洋異常區(qū)（The South At?lantic Anomaly，SAA）［19］區(qū)和高磁緯區(qū)時。

1.1.1 軌道參數(shù)設置

空間輻射粒子仿真時先在SPENVIS平臺中設置航天器軌道信息。仿真中衛(wèi)星軌道采用700 km的圓軌道，任務周期為2023年1月1日—2024年1月1日，具體參數(shù)設置見表1。

表1 軌道參數(shù)Table 1 Parameters of orbit

1.1.2 空間輻射粒子分布與能譜

在SPENVIS仿真中地球捕獲輻射帶電子采用AE8模型，質子采用AP8模型［20］。通過仿真給出了能量E>0.04 MeV的電子和E>0.10 MeV的質子在運行軌道上的流強分布，如圖1和圖2所示?？梢婋娮又饕植荚诟叽啪晠^(qū)和SAA區(qū)；質子主要分布在SAA區(qū)，在高磁緯區(qū)也有少量分布。

圖1 E>0.04 MeV電子在軌道面上的分布Fig.1 Distribution of electrons （E>0.04 MeV） on orbit

圖2 E>0.10 MeV質子在軌道面上的分布Fig.2 Distribution of protons （E>0.10 MeV） on orbit

太陽宇宙線采用CREME-96（worst week）模型，銀河宇宙線采用CREME-96 Sol. Min（1977）模型［21-22］，其仿真的粒子種類都是氫-鈾。

通過SPENVIS仿真可知在700 km的圓軌道地球捕獲輻射帶中能量大于0.04 MeV電子的積 分 流 強 為5.31×105cts/（cm2·s）；能 量 大 于0.10 MeV質子的積分流強為6.95×103cts/（cm2·s）。太陽宇宙線和銀河宇宙線中質子和氦的占比大于99%，所以太陽宇宙線和銀河宇宙線僅選取質子和氦的積分能譜作為代表。

地球捕獲輻射帶中電子與質子、太陽宇宙線中質子與氦、銀河宇宙線中質子與氦的積分能譜如圖3所示。根據(jù)Wolter-I型X射線脈沖星探測器的結構與位置，從SDD傳感器后方到達的空間輻射粒子會被衛(wèi)星阻攔，所以僅統(tǒng)計SDD傳感器前方半球空間（立體角為2π）內的空間輻射粒子。

從圖3可知700 km地球圓軌道的空間輻射環(huán)境中電子來自地球捕獲輻射帶，低能量的質子和氦主要來自太陽宇宙線，高能量的質子和氦來自銀河宇宙線。

圖3 空間輻射粒子的積分能譜Fig.3 Integral spectrum of space radiation particles

1.2 空間輻射粒子生成

依據(jù)空間輻射粒子SPENVIS仿真中得到的電子、質子、氦的積分能譜通過插值、差分、隨機函數(shù)生成等方法生成契合積分能譜的隨機電子、質子和氦，其能譜如圖4所示。

圖4 隨機生成的電子、質子與氦的能譜Fig.4 Spectrum of random generated electrons， protons and helium

隨機生成的空間輻射粒子的位置均勻分布在半徑為3.85 mm的SDD傳感器上、天頂角范圍為0～π/2、方位角范圍為0～2π。為既保證低通量能段粒子數(shù)目滿足仿真要求，而又不導致高通量能段粒子數(shù)目過多影響仿真效率，產生隨機粒子時按能譜分為兩段。仿真產生的粒子數(shù)目見表2。

表2 隨機粒子數(shù)量Table 2 Number of random particles

依據(jù)隨機輻射粒子的能量、入射方向及與SDD傳感器接觸的位置設置GEANT4仿真中入射粒子參數(shù)，實現(xiàn)空間環(huán)境中輻射粒子與Wolter-I型X射線脈沖星探測器相互作用的模擬。

2 Wolter?I型X射線脈沖星探測器模型

Wolter-I型X射線脈沖星探測器由Wolter-I型光學系統(tǒng)、遮光膜、準直器、SDD傳感器及相應電子學系統(tǒng)組成。其中Wolter-I型光學系統(tǒng)由同軸共焦的環(huán)形拋物面和雙曲面構成，采用掠入射光學聚焦原理；遮光膜覆蓋在準直器前端面，SDD傳感器放置于準直器后端。X射線脈沖星探測器的MC模擬涉及入射粒子源生成、探測器構建及兩者之間的相互作用。帶電粒子與探測器之間的相互作用主要是電磁相互作用，包括康普頓散射、電離過程等，這些相互作用過程由GEANT4內部定義的類描述。入射粒子源的能量、種類、入射方向、入射位置及探測器各部分的尺寸、形狀、材料、相對位置等參數(shù)均可通過外部設置調控。

2.1 脈沖星探測器工作原理

聚焦鏡頭采用掠入射光學聚焦原理將目標脈沖星輻射的X光子聚焦到SDD傳感器上，同樣空間輻射粒子及其在探測器中產生的次級粒子也會入射到SDD傳感器上。此時入射的X射線光子和輻射粒子會在SDD中沉積能量并轉換為與沉積能量相對應的電子-空穴，在外加電場的作用下電子被SDD傳感器的陽極收集形成電荷信號，經電子學系統(tǒng)放大、成形得到快慢兩路電壓信號，其分別代表X光子與輻射粒子的時間信息和能量信息。

使用GEANT4軟件包模擬X射線脈沖星探測器的前端部分，主要過程為粒子與探測器相互作用后在SDD中的能量沉積。通過模擬分析探測器尺寸、形狀、材料等參數(shù)對X射線脈沖星探測器空間環(huán)境本底的影響，進而進行探測器優(yōu)化。

2.2 GEANT4中脈沖星探測器的定義

GEANT4程序是由歐洲核子研究中心（CERN）的IT、API小組開發(fā)的對粒子物理和核物理探測器進行蒙特卡羅模擬的工具包［23-24］。Wolter-I型X射線脈沖星探測器的模擬程序結構如圖5所示，主要包含RunManager、PrimaryGen?eratorAction、PhysicsList、DetectorConstruction、EventAction、RunAction、TrackerSD等派生類［25-26］。

圖5 Wolter-I型X射線脈沖星探測器的模擬程序結構Fig.5 Analog program framework of Wolter-I X-ray pulsar detector

在DetectorConstruction中定義的Wolter-I型X射線脈沖星探測器，如圖6所示，主要由Wolter-I型光學系統(tǒng)、遮光膜、準直器和SDD 傳感器構成。遮光膜、準直器和SDD傳感器如圖7所示。

圖6 GEANT4中定義的Wolter-I型X射線脈沖星探測器結構Fig.6 Structure of Wolter-I X-ray pulsar detector de?fined in GEANT4

圖7 GEANT4中定義的遮光膜、準直器和SDD傳感器結構Fig.7 Structures of shading film， collimator and SDD sensor defined in GEANT4

Wolter-I型光學鏡頭由固定架、鏡片、鍍膜組成；遮光膜由聚酰亞胺與鋁膜構成；準直器是內徑14 mm的鋁筒，內表面刻有螺紋；SDD傳感器由鎳外殼、鈹窗和敏感區(qū)組成。GEANT4模型中僅構建SDD敏感區(qū)及以上部分，鈹窗厚度 為12.5 μm，SDD敏 感 區(qū) 厚 度 為450 μm。GEANT4模型中Wolter-I型X射線脈沖星探測器的尺寸、形狀、材料均與實際設計的探測器一致，僅在光學鏡頭處簡化了標準件和鏡片固定柵格。

3 探測器優(yōu)化與空間輻射環(huán)境本底分析

基于1.2節(jié)中生成的空間輻射粒子在GEANT4中生成帶有種類、能量、入射方向、入射位置等信息的粒子源。將粒子源入射到X射線脈沖星探測器模型中，入射方式為在天頂角95°～180°內所有粒子均對準SDD傳感器入射，如圖8和圖9所示，可見：① 在165°～180°視場內入射粒子距SDD傳感器高度為1700 mm，能覆蓋光學鏡頭；② 在95°～165°視場內入射粒子距SDD傳感器高度為60 mm，以保證大視場范圍。

通過圖8和圖9可知在GEANT4仿真中空間粒子入射的位置與入射方向在設定范圍內是隨機的，能較真實地反映Wolter-I型X射線脈沖星探測器在軌時空間粒子輻照情況。

圖8 GEANT4中粒子入射位置Fig.8 Incidence positions of particles in GEANT4

圖9 GEANT4中粒子入射角度Fig.9 Incidence angle of particles in GEANT4

在GEANT4仿真中完成入射粒子源的能量、種類、入射方向、入射位置設定后調整探測器模型的尺寸、形狀、材料等參數(shù)開展不同狀態(tài)下仿真，實現(xiàn)探測器的優(yōu)化設計。以遮光膜的材料、尺寸參數(shù)優(yōu)化為例開展簡要介紹。

3.1 遮光膜參數(shù)優(yōu)化仿真

Wolter-I型X射線脈沖星探測器的遮光膜由聚酰亞胺與鋁膜構成，在GEANT4仿真中參數(shù)設置如表3所示

表3 GEANT4仿真中遮光膜編號及參數(shù)Table 3 Numbers and parameters of shading film in GEANT4 simulation

通過計算不同遮光膜對X射線、電子及質子的阻擋能力（穿過不同遮光膜的X射線、電子及質子數(shù)目與入射總數(shù)目的比例）實現(xiàn)遮光膜材料與尺寸的優(yōu)化。不同遮光膜對X射線、電子、質子的阻擋能力如圖10～圖12所示?？芍诠饽Φ湍茈娮拥淖钃跣Ч黠@，通過綜合考慮不同遮光膜對X射線、電子、質子的阻擋效果，基于盡量減少遮光膜對X射線阻擋，又盡可能提升遮光膜對電子、質子的阻擋能力原則，最終遮光膜采用1500 nm厚度的聚酰亞胺與100 nm厚度的鍍鋁膜。

圖10 不同遮光膜對X射線的阻擋能力Fig.10 X-ray shielding capability of different shading films

圖11 不同遮光膜對電子的阻擋能力Fig.11 Electron shielding capability of different shad?ing films

圖12 不同遮光膜對質子的阻擋能力Fig.12 Proton shielding capability of different shading films

3.2 空間輻射環(huán)境本底分析

在GEANT4中模擬入射粒子在X射線脈沖星探測器（具有不同尺寸、形狀、材料的遮光膜和準直器）中的相互作用過程，得到入射粒子在SDD傳感器中的沉積能量。通過沉積能量閾值選擇分析探測器空間環(huán)境本底差異，篩選出最優(yōu)的遮光膜和準直器參數(shù)并給出優(yōu)化后Wolter-I型X射線脈沖星探測器的空間環(huán)境本底，如表4所示。700 km地球圓軌道中不同粒子產生的空間輻射環(huán)境本底不一致，這主要是由電子引起的，其會導致X射線探測的信噪比及靈敏度下降。主要通過屏蔽和能量閾值設置抑制空間環(huán)境本底，大部分低能空間輻射粒子不能穿透遮光膜和準直器，穿透遮光膜和準直器而又在SDD傳感器中觸發(fā)的空間輻射粒子則通過設置能量閾值（0.5～10.0 keV）排除。

表4 優(yōu)化后X射線脈沖星探測器的空間環(huán)境本底Table 4 Space envrionment background of optimized X-ray pulsar detector

4 結 論

利用SPENVIS平臺、GEANT4軟件包對空間環(huán)境和Wolter-I型X射線脈沖星探測器開展了仿真模擬研究，簡述了空間環(huán)境及其相應模型、探測器工作原理、模擬程序構成、參數(shù)設置及結構?；诓煌目臻g輻射環(huán)境模型采用隨機函數(shù)生成了契合能譜的隨機電子、質子和氦等粒子，并將其入射到X射線脈沖星探測器模型中實現(xiàn)了空間環(huán)境模型和探測器模型的結合，給出了不同種類、不同能量的空間輻射粒子在SDD傳感器上產生的本底。通過分析可知探測器通過屏蔽、準直、沉積能量閾值等手段可有效抑制空間環(huán)境中帶電粒子本底，提高探測器的信噪比。下一步計劃引入反符合探測器進一步實現(xiàn)X射線脈沖星探測器空間環(huán)境本底抑制。