[发明专利]X射线聚焦型成像望远镜及毫秒脉冲星微弱信号观测方法

说明书

本发明为一种X射线聚焦型成像望远镜及毫秒脉冲星微弱信号观测方法，其克服了现有技术中存在的各种非脉冲噪声抑制、脉冲到达时间测量精度受限的问题。本发明包括高角分辨率聚焦型X射线光学系统和高速焦平面探测器，高角分辨率聚焦型X射线光学系统包括依次连接的遮光罩、聚焦镜单元和防污染屏蔽筒，聚焦镜单元和焦平面探测器之间通过防污染屏蔽筒连接。聚焦镜单元包括依次连接的镜片固定装置、聚焦镜片和镜筒、电子偏转器。聚焦镜片粘接在条幅的镜片固定装置中，镜片固定装置与聚焦镜筒连接。

技术领域：

本发明属于X射线探测技术领域，涉及一种X射线聚焦型成像望远镜及毫秒脉冲星微弱信号观测方法。

背景技术：

遥远的毫秒脉冲星可构建类似导航卫星的星座，形成一个服务范围更广的时空基准服务信息系统。脉冲星信号不受人为干扰，安全性高，是深空飞行器极好的天然导航信标。X射线毫秒脉冲星计时观测的用途在于：1)提供一种独立自主的时空基准服务，实现安全自主的全域导航服务。需要指出的是，尽管当前脉冲星导航授时精度在近地空间无法与地基导航或卫星导航精度媲美，但该技术在近地空间的可用性毋庸置疑；2)为高价值卫星提供一种自主导航的冗余手段，提升大范围长航时的自主导航能力和在轨自主运行能力，提高我国控制空间的本领；3)能增强远离地面测控台站作用距离的飞行器自主导航能力，为我国未来的深空探测如太阳系边际探测提供支持，是当前超远距离空间唯一的自主导航手段。随着对自主导航的迫切需求和相关技术的飞速发展，脉冲星导航终究将会变成现实，从而开启全新的深空自主导航时代。

X射线望远镜作为脉冲星导航系统的核心设备，用于获取基本观测量脉冲 TOA(Time of Arrival)。脉冲TOA是通过对X射线光子序列按照脉冲星自转参数折叠得到观测脉冲轮廓，然后与标准轮廓模板比较得到。脉冲TOA精度与X 射线光子时间测量精度和信号信噪比息息相关，也直接影响着脉冲星导航精度。

X射线望远镜主要由聚焦光学系统和探测器两部分组成，前者负责X射线光子的收集，后者再进行光电转换及信号读出。X射线光学系统有聚焦型和准直型两种类型，由于毫秒脉冲星X射线辐射信号微弱，且空间弥散宇宙背景噪声，聚焦型光学系统更有利于背景抑制，提高信噪比，而准直型光学系统常用于强源观测。根据掠入射反射结构的不同，聚焦型望远镜主要有KB型 (Kirkpatrick-Baez)、Wolter型和微孔光学阵列等结构，X射线探测器发展迅速、种类繁多，包括气体探测器、微通道板型探测器、闪烁体探测器和半导体探测器。自Giacconi等人于20世纪六、七十年代开创空间X射线天文观测以来，科学家研制很多不同类型X射线望远镜，已发射许多空间观测卫星，包括 HEAO-2(1978年)、ROSAT(1990年)、XMM-Newton(1999年)、Chandra (1999年)NuSTAR(2012年)和ASTRO-H(2016年)

然而现有绝大多数X射线望远镜的研制是为了天文学研究，而非面向脉冲星深空导航的建立，但后者对探测设备性能的要求高于普通天文学研究的需要。高精度深空导航要求X射线望远镜快速精细地记录每个X射线光子，得到高信噪比观测信号。然而深空导航的X射线毫秒脉冲星的辐射流量弱，一般小于 1×10^-3cts/s/cm²，且脉冲信号常淹没于星云辐射、空间弥散本底等各种噪声中。当前在轨能力最强的X射线望远镜为NICER(Neutronstar Interior Composition Explorer)的XTI(X-ray Timing Instrument)，测得两颗导航脉冲星PSR J1824-2452A和PSR J1939+2134在1-5.5keV的脉冲光子数为0.055cts/s、0.021cts/s，然而接收到的背景噪声强度为0.90cts/s、0.49cts/s，是脉冲信号的 10倍以上，据分析，背景噪声主要源自脉冲星星云和空间弥散本底。因此，如何抑制各种非脉冲噪声是提高脉冲TOA测量精度的关键所在，而后者直接影响脉冲星深空导航精度。

发明内容：