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低能X射线望远镜(LE)

LE包括3个可独立工作的探测器组件,并由一个电控箱控制。每个组件包括8个探测器模块,每个探测模块包含4片CCD236,一个组件的探测面积为128 cm2,总面积为384 cm2,见 1


图 1  LE一个探测器机箱结构示意图。

上部灰色部分为准直器,半透明部分所示为遮光罩。

在每个低能探测器上机箱上共安装8个准直器,包括7个长准直器和1个短准直器。每个长准直器包含4个准直单元,短准直器包含2个准直单元,共30个准直单元。每个长准直器的高度为53.5mm,包含3个(1.6°×6.0°)单元和1个(4.0°×6.0°)单元。每个低能探测器单机各有2个长准直器单元被全遮挡,其中一个为(1.6°×6.0°)单元,另一个为(4.0°×6.0°)单元;每个短准直器最高处为27.5mm,包含2个视场为50~60° × 2~6°的单元。

软X射线遮光膜的主要功能是使空间环境中的软X射线透过,并去除空间中的可见光和紫外线信号对LE探测器的影响,降低LE探测数据的噪声。为了满足卫星升空时的振动以及噪声环境要求,需要在使遮光膜对软X射线的透过率尽量高的前提下,提高遮光膜的力学性能,并尽可能提高遮光膜的抗辐照能力。根据这一需求,遮光膜设计为“铝/聚酰亚胺/镍网”三层结构。其中,铝膜厚度大约在200 nm左右,用于阻挡可见光;聚酰亚胺膜厚度在400 nm左右,主要作用是加强软X射线遮光膜的力学性能;镍网的主要作用是对整个遮光膜起支撑固定作用。

LE选用扫式电荷器件(Swept Charge Device,简称SCD)作为探测器。SCD是一种特殊的CCD器件,它工作时可舍弃入射X射线光子的位置信息,以较快的速度读出,时间分辨率可以达到1msSCD暗电流较小,读出电容小,噪声也相应较低,所以SCD既有较好的能量分辨和时间分辨,同时探测能段低端可扩展至1 keVCCD236是我们和英国e2v公司专门为LE项目联合研制的SCD型探测器(见 2),每片探测器的面积可达4 cm2,它采用空实双输出以减小共模噪声。CCD236器件内部有很多小电极,当低能(1-15 keV)X射线光子入射到CCD236探测器时,会产生电子空穴对,其中电子会聚集在电极附近。产生电子的数量正比于入射光子的能量,当电极加特定驱动时钟时,电荷会逐电极转移至输出端,并通过内置电荷灵敏前置放大器转换成电压信号输出。

 2 CCD236的结构示意图和读出部分(位于探测器中心)。

SCD在空间运行时会因带电粒子的辐射损伤而致暗电流增大。为了在4年寿命的末期仍能具有较低的噪声水平,SCD需要工作在-80 ~ -30℃的低温状态。实现SCD低温工作环境的措施是将探测器和电子学部分隔热,同时通过热管将探测器产生的热量传送到遮光罩,再辐射到宇宙空间。辐照实验表明,由于带电粒子的辐照,LE的能量分辨率将从上天时的140eV@5.9keV@-50℃的水平下降到约220eV@5.9keV@-50℃。