面向脉冲星深空基准建立的X射线望远镜及发展设想

doi:10.7527/S1000-6893.2021.26608

Abstract

Abstract:

Deep space reference is the basis for entering and utilizing space. X-ray telescopes are important observation equipment for constructing pulsar deep space reference. Firstly， the role of pulsar timing in the establishment of deep space reference is discussed， and the requirements of millisecond pulsar space observation on X-ray telescopes are qualitatively analyzed. Then the technical status and development trend of X-ray telescopes at home and abroad are systematically summarized. Secondly， considering the fact that the pulse signal is generally weak and the non-pulse signal and spatial dispersion background are strong in X-ray millisecond pulsar observation， a method for suppressing the non-pulse noise by using high-resolution imaging observation is proposed. A high-resolution low-noise X-ray telescope is then preliminarily designed. Finally， the effects of different pulse signal flow， non-pulse signal flow， angular resolution and lens reflection efficiency on the signal-to-noise ratio during the pulsar observation obtained by focusing imaging， focusing non-imaging and collimating non-imaging X-ray telescopes are analyzed. It is found that the focusing imaging X-ray telescope has better detection ability in the flow of weak pulse signal and strong non-pulse signal. The calculation result also shows that the detection sensitivity of the focusing imaging telescope is better than that of the X-ray Timing Instrument （XTI） of the Neutron star Interior Composition Explorer （NICER） under the same conditions during the observation of five navigation pulsars. It can be seen that the designed focusing imaging X-ray telescope can effectively improve the observation ability of millisecond X-ray pulsars， and provide time service for national comprehensive Positioning， Navigation & Timing（PNT）and the construction of deep space reference system.

Key words: deep space reference, pulsar navigation, X-ray telescope, X-ray detector, pulsar timing

CLC Number:

V447⁺.1

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Figures/Tables 11

Table 1

Table 2

Summary of focused X-ray telescope projects

项目	X射线望远镜载荷	发射年份	膜层	焦距/m	能区/keV	有效面积/cm²	角分辨
HEAO-2^{［41，45-46］}	1台4层石英聚焦望远镜	1978	Ni	3.4	0.2~4	400 @ 0.25 keV 30 @ 4 keV	最低至2″
EXOSAT^［47］	2台铍聚焦望远镜	1983	Au	1.1	0.04~2	130@ 0.15 keV	5″
ROSAT^［45］	1台微晶玻璃聚焦望远镜	1990	Au	2.4	0.1~2	1 141	5″
ASCA（ASTRO-D）^［48-49］	4台120层圆锥嵌套望远镜	1993	Au	3.5	0.5~10	1 200 @ 1 keV 600 @ 7 keV	3′
BeppoSAX^［50］	1台30层圆锥嵌套望远镜	1996	Au	1.85	0.1~10	22 @ 0.28 keV 50 @ 6 keV	9.7′@ 0.28 keV 2.1′ @ 6 keV
Chandra^［51］	1台4层嵌套玻璃望远镜	1999	Ir	10	0.2~10	400@5 keV	0.5″
XMM Newton^［52-54］	3台58层嵌套镍镀金望远镜	1999	Au	7.5	0.1~12	4 425 @ 1.5 keV 1 740 @ 8 keV	5″~14″
Swift/JET-X^［55-56］	1台12层嵌套镍镀金望远镜	2004	Au	3.5	0.2~10	164.6@1.5 keV 72.9@8.1 keV	~20″
Suzaku^［57］	4台圆锥嵌套望远镜	2005	Au	4.75	0.2~12	450@1 keV 250@7 keV	2′
NuSTAR^［58-60］	1台133层热弯玻璃望远镜	2012	Pt/C W/Si	10	3~79	847 @9 keV 60 @78 keV	58″
AstroSat^［61］	1台40层圆锥嵌套望远镜	2015	Au	2	0.3~8	128@1.5 keV	2″
Hitomi^［62-63］	2台硬X射线望远镜（HXT） 1台软X射线成像望远镜（SXI） 1台软X射线光谱望远镜（SXS）	2016	Pt/C（HXT）	12（HXT） 5.6（SXI） 5.6（SXS）	5~80（HXT） 0.4~12（SXI） 0.3~12（SXS）	300@30 keV（HXT） 370@1 keV（SXI） 250@1 keV（SXS）	1.9'@30 keV（HXT） 1.3'（SXI） 1.2'（SXS）
XPNAV-01^［64］	1台时变软X射线光谱仪（TSXS）	2016	Au	1.15	0.5~9	2.67@1 keV	15′
NICER^{［19，65］}	56台单次掠射聚焦望远镜	2017	Au	~1.0	0.2~12	1 793@1.5 keV	6' FOV非成像
eROSITA^［66-67］	7台54层嵌套镍镀金望远镜	2019	Au	1.6	0.3~10	~2 700@1.5 keV	16''
ART-XC^［68-69］	7台28层X射线掠入射镜望远镜	2018	Ir	2.7	4~30	~450@8 keV	1'
IXPE^［70-71］	3台24层嵌套X射线望远镜	2021	Ni-Co	4	2~8	200@2.3 keV（每台）	25''
SVOM^［72-73］	1台龙虾眼结构X射线望远镜	2023（预）	Ir	1.15	0.2~10	24@1 keV	不超过6.5'
CubeX^［23］	1台34层X射线成像光谱仪（XIS）	2023（预）	Au	0.5	0.4~7	24@1 keV	1'
Einstein Probe^［74-75］	2台54层后随X射线望远镜	2023（预）	Au	1.6	0.3~10	600@1.25 keV	30″
eXTP^［76-78］	9台能谱测量聚焦望远镜阵列（SFA） 4台偏振测量聚焦望远镜阵列（PFA）	2027（预）	Au	5.25	0.5~10	~820@2 keV（每台） >550@6 keV（每台）	1'（SFA） 30'' （goal 15''）（PFA）

Table 2

Table 3

Table 4

Fig.1

Fig. 2

Fig. 3

Fig. 4

Fig. 5

Fig. 6

Table 5

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望远镜结构		优点	缺点
Wolter-I 型	同轴共焦、旋转对称的抛物-双曲面组成	成像分辨率高探测效率高	制作难度大，面密度大，焦距大
圆锥近似Wolter-I型	同轴共焦、旋转对称的圆锥面组成		相对于Wolter-I型结构，损失分辨率，降低制作难度与成本
KB型	由一对正交的抛物柱面镜组成	成像分辨率中等视场较大	集光而积较小，杂散光较多
微孔光学阵列	由很多微小方孔或圆孔通道组成	视场大，制作较简单，面密度低，焦距短	成像分辨率低，效率低（约5%），杂散光较多

类型	主要原理	技术特点	部分卫星应用
正比计数器	气体电离正比放大	技术成熟度高，较好的时间分辨率（约1 μs）和良好探测效率，体积较大，噪声信号抑制甄别能力较差，适合1~30 keV能段测量，高压工作，气体容易泄露，结构要求高	Uhuru（1970）、HEAO-1（1977）、Einstein（1978）、EXOSAT（1983）、Ariel-5（1974）、ROSAT（1990）、ARGOS（1999）
微通道板	光电转换及通道电子倍增	技术成熟，室温工作，最高的时间分辨率，10 ps。量化效率较低，适合0.1~10 keV的软X射线，本底噪声强，高压工作	ROSAT（1990）、Chandra/HRC （1999）、XPNAV-1（2016）等
CCD型半导体	位阱效应	功耗低，易于小型化，位置分辨优于100 μm，适合0.1~10 keV的软X射线探测，低温工作	Astro-E（2005）、Chandra/ACIS（1999）、XMM-Newton（1999）、Suzaku（2005）和HXMT/LE（2015）
硅Pin、SDD	电子空穴对效应	探测效率较高，能量分辨好，体积小，功耗低，易于大面积实现，低温工作	XPNAV-1（2016）、HXMT/ME（2017）、SEXTANT（2017）
闪烁体	原子激发退激发光	探测效率高，结构较为灵活，部分闪烁体材料时间分辨率较高，便于符合或反符合测量，通常用于硬X射线能段	Vela-5B（1969）、OSO-7（1971）、OSO-8（1975）、HEAO-1（A4）（1977）、CGRO（1991）、BeppoSAX（1996）、RXTE（1995）、HXMT/HE（2017）等
量热计	能量沉积温度变化	技术难度大，探测面积小，时间分辨可达1 ns，超低温工作，难以用于弱信号测量，支撑结构复杂	ASTRO-H（2016）

脉冲星名称	理论估计值/（cts·s^-1）					实际观测结果/（cts·s^-1）			SNR估计
脉冲星名称	探测本底	弥散本底	星源直流信号	非脉冲计数	脉冲计数	总计数	非脉冲计数	脉冲计数	SNR估计
J0534+2200	0.05	0.15	13 860.0	13 860.2	660	11 009.0	10 348.8	660.2	629.21
J1939+2134	0.05	0.15	0.04	0.24	0.029	0.946	0.920	0.026	2.67
J1824-2452A	0.05	0.15	0	0.22	0.093	1.403	1.333	0.070	5.91
J0030+0451	0.05	0.15		0.20	0.193	1.398	1.227	0.171	14.46
J0437-4715	0.05	0.15	0.42	0.62	0.283	2.313	1.997	0.316	20.78

PSR	SNR
PSR	XTI	FIT	CXT
J0534+2200	65.47	200.57	73.09
J1937+2134	0.60	1.53	0.06
J1824-2452A	1.81	3.07	0.20
J0030+0451	3.41	4.57	0.41
J0437-4715	3.44	5.42	0.60

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X-ray telescope for pulsar deep space reference and its development vision

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