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ASO-S卫星HXI调制定标装置设计与验证

陈灯意 张哲 江贤恺 胡一鸣

陈灯意, 张哲, 江贤恺, 胡一鸣. ASO-S卫星HXI调制定标装置设计与验证[J]. 空间科学学报, 2023, 43(4): 747-757. doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0013
引用本文: 陈灯意, 张哲, 江贤恺, 胡一鸣. ASO-S卫星HXI调制定标装置设计与验证[J]. 空间科学学报, 2023, 43(4): 747-757. doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0013
CHEN Dengyi, ZHANG Zhe, JIANG Xiankai, HU Yiming. Development of an X-ray Modulation Characterization System for HXI Payload Onboard ASO-S Mission (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2023, 43(4): 747-757 doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0013
Citation: CHEN Dengyi, ZHANG Zhe, JIANG Xiankai, HU Yiming. Development of an X-ray Modulation Characterization System for HXI Payload Onboard ASO-S Mission (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2023, 43(4): 747-757 doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0013

ASO-S卫星HXI调制定标装置设计与验证

doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0013 cstr: 32142.14.cjss2023.04.2022-0013
基金项目: 中国科学院科研仪器设备研制项目(YJKYYQ20200077),中国科学院战略性先导科技专项(XDA15320104)和中国科学院青促会项目(2021317, Y2021087)共同资助
详细信息
    作者简介:
    通讯作者:
  • 中图分类号: P172.2X

Development of an X-ray Modulation Characterization System for HXI Payload Onboard ASO-S Mission

  • 摘要: 先进天基太阳天文台卫星(ASO-S)是中国首颗综合性太阳观测任务,太阳硬X射线成像仪(HXI)是ASO-S卫星三大载荷之一,主要负责太阳耀斑观测。HXI采用阵列空间调制间接成像方法,包含91个子准直器单元。发射前,在地面对HXI进行调制参数定标非常必要,但由于没有平行的X射线源而十分困难。本文根据HXI的基本原理与设计方案,提出了基于地面调制功能定标的设备与HXI调制定标的需求。根据所述需求,介绍了研制的X射线束流调制定标装置;利用该装置对HXI飞行件上所有子准直器完成地面调制功能定标。标定试验结果与预期相符,充分证明了准直器与X射线束流定标装置性能优良,该装置还可用于后续类似载荷的定标。

     

  • 图  1  时间调制傅里叶与空间调制傅里叶的成像原理

    Figure  1.  Basic principle of rotational modulation (a) and spatial modulation (b)

    图  2  HXI载荷组成

    Figure  2.  Scheme of HXI

    图  3  HXI调制成像基本原理

    Figure  3.  Basic imaging theory for HXI

    图  4  HXI地面定标基本原理

    Figure  4.  Basic principle of ground calibration HXI

    图  5  调制功能定标装置

    Figure  5.  Diagram of X-ray modulation characterization facility

    图  6  X光机实物

    Figure  6.  Photos of the X-ray generator system

    图  7  X射线束流管道

    Figure  7.  Structure diagram of X-ray beam tube

    图  8  精密指向调整平台设计

    Figure  8.  Layout of the high-accuracy adjusting platform

    图  9  HXI准直器标定用X射线束流系统

    Figure  9.  X-ray beam characterization system for HXI collimator

    图  10  2021年9月利用正样飞行件及新研X射线系统开展测试

    Figure  10.  Beam test with a total new X-ray system for the flight model of HXI in September 2021

    图  11  三次典型的束流测试结果对比。(a) 利用513所X射线系统对HXI鉴定件的测试结果;(b) 利用新采购的X光机对HXI鉴定件的重新测试结果;(c) 利用本调制功能定标装置对HXI飞行件的测试结果

    Figure  11.  Comparison of three typical beam tests. Panel (a) shows results of HXI EQM with X-ray system of No. 513 Institute; panel (b) shows re-test results of HXI EQM with a new X-ray generator; panel (c) shows results of HXI FM with our new facility

    图  12  束流(计数)稳定性记录(515 min的结果,每5 min记录一次辅助监测探测器的计数)

    Figure  12.  X-ray beam (counts) stability record (This chart presents 515 minutes of X-ray beam. The assistant monitor detector records counts of incident X-rays every 5 minutes)

    图  13  对108 μm节距光栅间隔一个月时间的重复测量结果(红线拟合节距为108.3 μm,蓝线拟合节距为110.1 μm)

    Figure  13.  Repeated characterization for the same grid with pitch 108 μm after a month (Fitted value of the red line is 108.3 μm, and the blue line is 110.1 μm)

    图  14  224 μm节距光栅调制因子曲线

    Figure  14.  Modulation index curve for the grid with pitch 224 μm

    表  1  主要同类载荷性能对比

    Table  1.   Comparison on main characteristics of similar X-ray detectors

    HXT/YOHKOHRHESSISTIX/Solar OrbiterHXI/ASO-S
    发射时间 1991 2002 2020 2022.10
    子准直器数量 64 9 32 91
    光栅节距/μm Finest 105 34~2750 38~1000 36~1224
    成像方式 SMC RMC SMC SMC
    空间角分辨 7.7″ 2.3″ 7″ 3.2″
    探测器 NaI (Tl) Ge CdTe LaBr3
    能量范围/keV 20~100 3~17000 4~150 30~200
    时间分辨(最快)/s 0.5 2 0.1 0.125
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    表  2  地面定标设备对比

    Table  2.   Comparison of different ground calibration facilities

    设备放射源同步辐射X射线源X射线系统
    能量单能可调可调
    流强固定,无法调整根据需要调整根据需要可调
    平行度无法保证通过长管道保证准直通过长管道配合光阑准直
    稳定性稳定稳定稳定
    应用方便性随时可用需要提前申请
    应用时间受限
    定制,随时可用
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    表  3  HXI地面调制功能定标装置之X光机与束流管道需求

    Table  3.   Modulation characterization requirements of X-ray generator and beam tube for HXI

    X光机X束流管道
    管电流高压范围流强稳定性/计数光斑直径光阑直径激光瞄准精度
    ≥10 mA≥100 kV5 h内优于5‰≤0.5 mm,越小越好100 pD≤5位置精度优于10 mm
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    表  4  HXI地面调制功能定标装置之精密指向调整平台需求

    Table  4.   Modulation characterization requirements of high-accuracy adjusting platform for HXI

    位移测量精度竖直行程平移行程角分辨率最低台面高度承重平台稳定性
    优于0.05 mm≥500 mm≥600 mm优于0.05″不大于500 mm≥1000 kg位置变化0.2 mm/12 h
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    表  5  X射线光机主要性能指标

    Table  5.   Major characteristic of X-ray generator (MGI 225)

    特性高压范围/kV高压调整步距/kV管电流范围/mA管电流调整步距/mA焦斑直径/mm靶材功率/kW
    参数10~2250.10~150.010.4/1.0可选2.25
     稳定性测试结果为8 h内优于2‰。该数据为利用自研的溴化镧探测单元,在26 m距离处监测出射粒子计数所得。
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    表  6  精密指向调整平台主要技术指标测试结果

    Table  6.   Major results of the high-accuracy adjusting platform

    指标位移测量
    精度/mm
    竖直行程/mm平移行程/mm角分辨率/(″ )最低台面
    高度/mm
    承重/kg稳定性
    设计值优于0.05≥500≥600优于0.05不大于500≥1000位置变化≤0.2 mm/8 h
    实测结果优于0.02≥820≥720优于0.05最低可至460≥1500优于0.1 mm/12 h
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-29
  • 录用日期:  2023-06-25
  • 修回日期:  2022-11-25
  • 网络出版日期:  2022-11-28

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