【doc】空间太阳X射线成像望远镜技术

【doc】空间太阳X射线成像望远镜技术 空间太阳X射线成像望远镜技术 40 上海航天 AERoSPACESHANGHAl2004年第2期 文章编号:1006—1630(2004)02—0040—05 空间太阳X射线成像望远镜技术 曹志宇,陆国平,李保权. (1上海卫星工程研究所,上海200240;2.北京空间科学与应用研究中 心,北京100080) 摘要:阐述了空间太阳X射线成像望远镜(SXT)g近地环境空间天气 观测中的作用和意义.介绍了国内外 SXT技术的发展和应用情况,分析了仪器的工作原理,主要观测目标 和应具备的基本功能以及关键部件. 关键词:太阳;空间X射线成像;太阳X射线成像望远镜;太阳活动 中图分类号:TH753.19文献标识码:A TheTechniqueofSpaceSolarX-RayTelescope CAOZhi—yu.LUGuo—ping.LIBao—quan. (1.ShanghaiInstituteofSatelliteEngineering,Shanghai200240,China; 2.BeijingSpaceScienceandUsingResearchCenter,Beljing100080,China) Abstract:ThefunctionandmeaningofspacesolarX—raytelescopeinperigee environmentspaceobservationwereput forwardinthispaper.Thedevelopmentandapplicationoftheinstrumentwere presentedTheprincipleofthe instrument,majorobservationobject,essentialfunctionandsomekeypartsw erealsoanalyzed. Keywords:Sun;SpaceX—rayimage;SolarX—raytelescope;Solaractivity 0引言 近地环境空间天气的变化主要取决于太阳活 动.当太阳剧烈爆发时,会产生耀斑,日冕物质抛射 (CME)和高速太阳风等现象.当抛射物质接近地 球时,会使地球产生地磁暴,导致地球表面电流强度 发生剧烈变化,影响全球电路平衡,并且可能引发全 球特别是高纬度地区供电系统故障,从而造成重大 的经济损失.同时,太阳抛射物质携带的大量高能 粒子对在轨航天器的安全运行形成了巨大威胁.因 此,如能及时预报太阳活动,有针对性地对在轨航天 器的工作模式及时进行调整,就可以最大限度地减 小高能粒子对航天器的影响. 太阳x射线成像望远镜可连续观察太阳表面 的活动情况,获取的准实时图像可用于研究太阳扰 动源的起源及其时空变化规律,是进行空间天气预 收稿日期:200307—30;修回日期:200308—28 作者简介:曹志宇(1968一),男,高级工程师,研究方向为地球同 步轨道气象卫星总体技术;陆国平(1963一),男,研究员,上海市宇航 学会会员,研究方向为地球同步轨道气象卫星总体技术;李保权 (1973一),男,助理研究员,博士,研究方向为空间环境科学. 报最重要的资料之一.为此,本文对太阳X射线成 像望远镜及其技术进行了介绍. l发展情况 X射线是在激发到高能态的离子核外电子向低 能级能态跃迁的过程中产生的,而X射线成像反映 的是一种核变化过程,同时也反映发射对象的热过 程.太阳X射线的成像对研究太阳活动的形成,发 生和发展具有重要价值. 由于地球大气层的吸收,对太阳发出的X射线 只能在外部空间而无法在地面进行成像.从20世 纪70年代起,人类就开展了太阳X射线成像的研 究.由于受加工技术和传感器性能的限制,最初的 成像质量并不理想,也未引起足够的重视.1991年 YOHKOH卫星的成功运行,真正将太阳X射线成 像观测研究推向高潮.YOHKOH星上X射线成像 望远镜的角分辨率较以往有了很大提高,并变胶片 记录为CCD数字成像,从而大大提高了望远镜的在 轨运行效率.通过YOHKOH星的SXT观测结果, 人们对太阳有了新的认识.空间天气学的问世,又 2004年第2期曹志字,等:空间太阳X射线成像望远镜技术41 进一步促进了太阳成像观测的发展,一些专门用于 太阳成像的x射线望远镜相继升空,如SOHO星的 极紫外成像仪(EIT),TRACE,GOES—M的太阳x 射线成像仪(SXI)等, 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 中的还有SOLAR—B的 XRT,GOES—N等….各类空间太阳x射线成像望 远镜的主要技术指标见表1. 目前,国内正在研制一种适合地球同步轨道观 测的太阳x射线成像望远镜.与国外同类仪器相 比,它增加了一台极紫外望远镜,同时进行了一体化 设计,设计指标较高,技术难度较大.首台原理样机 可望在2005年左右问世.预计在我国新一代地球 同步气象卫星上,将装载我国自行研制的,具有先进 水平的太阳x射线成像望远镜.同时,低轨道太阳 望远镜的预先研究也在进行.预期在不远的将来, 我国将同时拥有运行于地球静止轨道和低轨道的两 种太阳望远镜. 2观测目标 空间气象源于被称为日冕的太阳大气层.日冕 是一层极热,极稀薄的电离气体,温度超过2× 10?.太阳磁场延伸至日冕,与太阳大气层中的电 离粒子相互作用,其作用场形成了独特的环状结构. 在这个环中,作用场不断产生,扩散和衰减.不断变 化的作用场产生了日冕洞,而日冕洞正是高速太阳 风的源头.高速太阳风作用到地球产生了地磁暴. 作用场的重组过程有时是爆炸.爆炸造成了日冕物 质的大量抛射,这也是电磁能量的大爆发,它产生的 大量电磁辐射是高速太阳风高能粒子的主要来源. 日冕辐射的软x射线的光谱波长范围主要在 0.4×109,10×10m之间,只有工作在此波段 的望远镜才能有效观测到日冕物质的抛射.抛射出 的日冕物质温度相对较低,辐射波长较长,因此在观 测图像中呈深色. 各种SXT的应用目的不同,所观测的目标和仪 器的功能也不相同.一般而言,SXT应具备的基本 功能是:对全日面进行成像;辨认耀斑,活动区的位 置;获得日冕特性图,尤其是活动区和冕洞的图像; 探测CME及其过程J. 2.1冕洞观测 产生于冕洞的高速太阳风与周期性爆发的地磁 暴密切相关,因而冕洞观测对周期性地磁扰动的预 报非常重要.尤其在太阳活动极小年,太阳粒子事 件明显减少,冕洞的作用显得更为突出.冕洞的寿 命相对较长,可以持续数月之久,在每个太阳自转周 内,冕洞在日面上大约出现两个星期. 地面观测者曾经利用氦1083nm波长观测冕 洞,因大气层折射,吸收和波动的影响,得到的图像 并不理想.YOHKOH卫星发射升空后,从它传回 的图像发现,在一个太阳周的大部分时间里,SXT 表1各类空间太阳x射线成像望远镜的主要技术指标 Tab.1PerformancefordifferentspacesolarX-raytelescope 卫星/仪器Skylab/AS&ESMM/FCSYohkoh/SXTS0Ho/.EITGoes—M/sXTSolarB/xRT 发射日期 1973—05—141980—02—1419910830199512—02199912—15预计2004 轨道近地轨道近地轨道近地轨道近地轨道地球同步近地轨道 WolterlRithey—CretienWolterIWolterI 镜厩结构准直器双曲/双曲抛物 /双曲正入射抛物/双曲抛物/双曲 焦距213m1m准直器1.54m1.65m0657m2.7m 探测器胶片气体比例计数器x一射线CcDBI—CCD增强CCDCCD 探测波长/nm02,6018,20.3,6EUV线0.6,60.2,6 171nm.19.5nm.9个过滤片5个过滤片波段选择 6个过滤片7条线5个过滤片(两轮) 28.4nm,30.4nm(12个位置)(两轮) 视场角487×742×4245×4542×4230 像素尺寸114×1425(18”m)2.65(19”m)1”(13.5m) 曝光时间156ms,265S0.077ms,242S1ms,65s2ms,10s 时间分辨率2.5s4.5rain2rain1rain2s 成像数每天30,300幅每天5幅每天3幅(每条波长)每分钟1幅 上海航天 AEROSPACESHANGHAI2004年第2期 图像能清楚地显示冕洞的位置(冕洞温度较低,X射 线的发射强度也小,在望远镜CCD获取的图像上显 示为较暗的区域).但在太阳活动极小年,太阳发出 的x射线通量较低,冕洞图像的位置就不易确认. 1996年发射的SoHo卫星解决了这一问题,其EIT 的温度响应范围(0.06,3MK)小于YoHKoH星 的SXT,在太阳极小年仍能清晰地显示冕洞图像. 2.2耀斑观测 耀斑是太阳活动预报关注的重点.因为耀斑爆 发总是伴随着巨大的能量释放,它所引发的粒子事 件对人类活动的影响也最为严重.但并不是所有的 耀斑粒子事件都能影响地球环境.粒子事件能否到 达地球,取决于耀斑发生位置的磁力线是否连接到 地球.因此,耀斑在日面的爆发位置是个非常重要 的信息,它是预报太阳粒子事件强度,到达地球时间 和粒子能谱的一个重要参数.太阳发出的x射线 主要来自日冕的高温等离子体,用软x射线可探测 到日面及其边缘发生的耀斑. 2.3活动区观测 活动区是耀斑爆发的潜在位置,通过观测活动 区,能够对耀斑的出现提前作出判断.另外,软x 射线的成像能够显示活动区之上的日冕磁场结构和 强度,可以用来定性地估计活动区的耀斑势能. 位于日面东翼的活动区是空间天气预报关注的 重点.因为这些活动区将在未来1,2d内转入日 面,通过对它的观测,预报者可提前得到相关信息. 该活动区将影响10.7cm射电波的通量(该波段容 易引发日地波动). 2.4CME观测 CME与地磁扰动相关,一般认为,CME发生地 的磁场方向朝向地球磁层,就容易引发扰动 来自Skylab的早期观测结果表明,x射线成像能 够提供太阳物质抛射的证据.近年来YOHKOH/ SXT的成像结果显示,当CME开始爆发时,会沿着丝 状的磁力线形成明亮的拱环.在时间分辨率适当的 情况下,SXT可以观测到这些征兆. 3工作原理 SXT的基本成像过程为:太阳发出的X射线经 镜面反射之后,通过波长选择装置汇聚到焦平面上 的CCD,由CCD相机对其进行成像. 典型SXT的基本结构如图1所示.SXT的关 键部件包括掠入射反射镜窗及聚焦镜面,正入射入 射窗,x射线传感器,以及望远镜筒等. —— ? 蚤曩器墓鐾口 NIr—,n N0-— 正型———一一—一二七u —— ‘ 图1SXT基本结构 Fig.1ThebasicframeofaSXT 3.1掠入射入射窗(软x射线初级过滤) 掠入射入射窗的主要功能是反射太阳辐射热, 阻止极紫外和可见光进入望远镜系统. SXT掠入射的入射窗采用A1和Ti两种材料组 合制成.A1主要用于反射太阳辐射热和阻止部分 干扰光线.但Al在波长20×10,80X10,m范 围内的透射率较高(如图2所示),太阳发出的强线 30.4×10m正好处于这一波段范围内.为了屏 蔽这一强线,在100X10,m的Al之后又加了一层 厚度为1O0×10m的Ti.Ti在波段0,20X 10m内的透射率较高,但波长20×10一,80× 10m的光线却不能透过.因此,采用A1Ti入射 窗之后,波长大于20X10m的光线进入掠入射系 统的强度就可忽略.另外,为增加强度,入射窗采用 三明治结构,在A1和Ti层之间加入厚度为100X 10m的高强度聚酰亚胺材料.聚酰亚胺的主要 成分是C,H,对光子的吸收截面较小,透射率较高, 不会造成x射线通量大幅度衰减. 图2Al,Ti透射率与波长的关系曲线 Fig.2Therelationshipoftransmissionratioto wavelengthaboutAlandTi 2004年第2期曹志宇,等:空间太阳x射线成像望远镜技术43 3.2掠入射聚焦镜面 一 般而言,对波长大于4.4×10m的软X射 线,正入射成像有较高的反射率;对波长小于4.4× 10m的波段,只能采用掠入射的全反射聚焦.掠 入射的基本原理就是X光线经共焦的抛物双曲镜 面反射之后,汇聚到双曲线的一个焦点上.这种成 像技术成熟,有WolterI,Wolter?和WolterllI三 种实现形式,其中WolterI型的焦距相对较短,在 分辨率相同的情况下,望远镜总体尺寸最小.目前, 国际上航天器携带的x射线天体成像望远镜多采 用这种方式.镜面聚焦的基本原理如图3所示. -_ :!:::!::’i;’--- -’<’__一.--.. —一一 ,一 图3掠入射聚焦原理示意图 Fig.3Theprincipleofincidencefocus 镜面衬底材料对成像质量有着至关重要的作 用.玻璃陶瓷(Zerodur)作为一种新型的理想材料, 目前已在各种空间望远镜上得到广泛应用.这种材 料具有高强度,零膨胀系数,宽工作温度范围和高稳 定性等良好的物理特性. 3.3正入射入射窗 正入射的入射窗也采用三明治结构.前层和后 层分别为150×10m厚的Al层,中间夹层为70 ×10m厚的聚酰亚胺.前层Al高度抛光,以反 射太阳光,减少射入望远镜的热能. 在这种入射窗情况下,虽然波段20×10,,80 ×10叫m的光线透射率较高,但正入射望远镜有很 好的波长选择性,这些光线也将被反射镜面吸收. 3.4波长选择装置 a)工作波段及过滤片 为增大望远镜的动态响应范围和获取日冕活动 的一些诊断参数,在CCD相机前方需放置波长选择 装置.波长选择装置由步进电机和旋转铝盘构成. 铝盘上放置供选择的过滤片,成像观测时,步进电机 驱动铝盘,将所需的过滤片转入光路. 过滤片和波段的选择应满足太阳活动爆发前高 低温诊断的需要,同时能调节x射线的流量,控制 CCD的曝光时间.另外,通过比较不同过滤片的辐 射强度,还能获得观测对象的温度,发射量等参数. 如果某一过滤片损坏,不同厚度的过滤片还可起到 备份的作用.这些过滤片采用较为易得的材料,且 材料的强度高,设计和制作相对容易,可以满足发射 和在轨运行的可靠性要求. b)铝盘控制装置 铝盘需要精确的位置控制和位置反馈信息.位 置精确控制由步进电机实现;位置信息通过光电二 极管和光学解码器获取.光学解码器获取每个过滤 片的位置信息,而光电二极管获取过滤片之间的位 置信息. 3.5辐照时间控制装置 计算表明,不同观测对象及其不同的发展阶段, 内部温度不同,它们的x射线通量往往也差别较 大.因此,对不同观测对象的曝光时间也不相同. 如冕洞观测一般需要几十秒才能获得足够的信号强 度,而x级以上的耀斑成像,几个毫秒就可能导致 CCD饱和.所以为了实现成像仪的观测目的,要求 设计变化范围从毫秒到秒量级的辐照时间控制.具 体实现途径有:采用旋转带有不同孔径圆盘的机械 快门;使用帧转移CCD的电子快门. a)机械快门 无刷直流电机因转速均匀,转向快,寿命长和定 位能力较好而被广泛采用.SOHO星的EIT, TRACE,YOHKOH星的SXT,GOES—M星的SXI 和SOLAR—B星的XRT上的快门都采用了这种形 式. SXT辐照时间控制铝盘上开有两个扇形孔,孔 径分别为3.和60..若曝光时间小于20ms,则多次 来回旋转3.的扇形孔,每旋转一次,光路从孔中通 过1ms;如果曝光时间大于20ms,就使用60.的扇 形孔,其工作方式不同于3.的扇形孔.无刷电机预 先驱动60.扇形孔转入光路,停留预定时间后,再将 其转出光路. b)电子快门 采用帧转移CCD.这种CCD可在光辐照的同 时,将CCD像素里积累的电子空穴对快速转移到存 储区,起到机械快门的作用.它可以避免复杂的机 械结构和控制,并且辐照时间可近似于无级变化. 但是到目前为止,最快的转移速度也在10ms以上, 而对耀斑成像,CCD的曝光时间都在10ms以下, 上海航天 AER0SPA(,ESHAN(jHAl2004年第2期 所以这种帧转移CCD目前还不能应用到X射线成 像望远镜上. 3.6x射线传感器 X射线传感器是SXT的关键部件.它不同于 可见光响应的CCD,而要求对软X射线有较高的量 子效率.目前英国的EEV公司能生产航天级从软 X波段到极紫外波段的响应CCD产品.它也是 GOES—N下一代SXT中CCD的定点生产商,其价 格十分昂贵. 3.7望远镜镜筒 望远镜简用于固定SXT光学部件,其物理特性 稳定与否直接影响望远镜的成像质量.尤其是在轨 工作温度变化引起的系统结构形变,会导致焦平面 偏离原来的位置,使产生的图像变形或模糊.因此 对望远镜筒的设计要求十分严格.望远镜筒的材料 应具备高强度,高热导率,低密度,近似为零的热膨 胀系数等特性.碳纤维增强塑料(CFRP)能够满足 这些要求,因而在星载望远镜系统中得到广泛应用. CFRP与其他材料的特性比较见表2. 4结束语 太阳X射线成像望远镜的成功研制和应用,增 加了人们对太阳活动规律的了解,为地球外层空间 表2材料特性比较 Tab.2Thecharacteristiccomparisonofdifferentmaterials 【,TE强度稳定度 材料相对强度相对稳定度 /(10X12)综合比较 (,FRP0.11.00l001.00 Al240.430.003700.00l60 Ti9.50.400009430.00377 不锈钢l80.380.005050.00l94 环境的研究提供了大量有用的观测数据,可以用来 提高空间天气预报的准确性,也有利于其他航天工 程的发展.国内同类仪器的研制,将对我国空间天 气预报和航天工程的发展产生积极的作用. 参考文献 llJBORNMANNPL,SPEICHD,HIRMANJ,eta1. TheGOESsolarX—rayimager:overviewandoperational goals[C]NOAA/SpaceEnvironmentCenter325Broad— way,Boulder,CO80303. 12JDAVISJM,BAGDIGIAND,BUSCHMANNS.et a1.ThesolarX—rayimagerforthegeostationaryopera— tionalenvironmentalsatellite(GOES)[R],AIAASpace ProgramsandTechnologiesConference.94.4645.I2. [3]SM1THERSME,Z1SSADE.SolarX,rayimager (SXI)opticalperformanceanalysis[C],MSFCDocu. ment,SX1022.1994. 2所示).当卫星轨道偏心率增大时,俯仰方向稳态参考文献 姿态角度偏差增大,其原因是轨道偏心率使卫星在[: . 四元数法及其应用[M]?长沙:国防科技大 俯仰方向存在一个干扰力矩班:(对比图1,3).[2]::现代小卫星的重力梯度姿态稳定系 5结束{吾[33林来兴.小卫星的重力梯度控制方法[J].宇航, 妻詈篓曼竺竽-~-,LJJ制篓 , :号稳态妻,而且姿态[s]屠善澄.(‘,)[.北京:宇航捕获迅速,能满足编队飞行对卫星姿态控制的要求,临科Iqqq’…,………. 是一个可行的控制律.不足之处是微小卫星本身质[6]李太玉. 微小卫星姿态磁控制及三轴被动稳定研究