睁开“慧眼” 十个问题全方位解构HXMT卫星非凡智慧

来源:北京晨报 作者: 发表时间:2017-06-17 08:30

Q什么是硬X射线?

X射线,相信大家一定都不陌生,科学家针对探测手段的不同,把X射线分成了硬X射线和软X射线。能量在20千电子伏(keV)以上的X射线,传统上被称为硬X射线;能量在10keV以下的,就被称作软X射线。以前的天文仪器主要在上述两个能段工作,中间这一段天文观测得比较少。

Q中国科学家有啥妙招?

西方的X射线探测器,我们既做不起,也做不了,那该怎么办?“这就逼着我们去创造新的成像方法。”“慧眼”背后的“灵魂人物”、中科院高能物理研究所李惕碚院士说。上世纪90年代初,李惕碚院士和他的同事吴枚研究员在不断探索中找到了一种新的算法,利用技术成熟、造价便宜的准直探测器(非成像探测器)的扫描数据,就能实现成像,被称作直接解调成像法。

Q“慧眼”只看硬X射线吗?

HXMT卫星首席科学家张双南解释说,“慧眼”早已不再局限于硬X射线这一能段,研制团队后来为它加上了低能和中能X射线探测器,使它的能区覆盖范围扩大到1-250keV。张双南又创造性地添加了观测伽马暴的任务,使卫星的能量覆盖范围在原来的基础上又扩大了十倍。

Q三种望远镜各有啥特点?

如前所述,“慧眼”安装了高、中、低能三种望远镜。虽然这三种望远镜各有特点,但它们都是准直型望远镜,大体上都由三个部分构成:准直器、探测器和电子学系统。准直器可以限制X射线的入射方向,以便进一步确定天体源的方位;探测器会逐个对光子进行探测,过来一个光子,产生一个信号,其中包含入射光子的能量和时间等信息;电子学系统则把探测器产生的信号转化成普通仪器可以读懂的电信号,也就是脉冲信号。

Q为什么要打“遮阳伞”?

中国航天科技集团公司第五研究院的研制人员在将各种X射线探测器安装到卫星平台上时,特别为中低能探测器设计了一把“遮阳伞”。“高能探测器的温度要在18℃左右,而中能和低能探测器的工作温度却可能低到-80℃或-40℃。这就好比一个人只有一件衣服,却要在南极和赤道都能生存下来。我们用这把‘遮阳伞’挡住阳光,实现低温工作环境,同时为高能探测器加热,并在高低温设备之间采取了隔热措施。”卫星热控副主任设计师、载荷热控主任设计师周宇鹏博士说。

Q硬X射线如何探测?

因为在X射线能段成像十分困难,西方科学家发明了编码孔径成像技术和掠射式镜面技术,但运用这两种方法制造的望远镜都十分复杂和昂贵。尤其是后者,要求镜面的表面粗糙度达到原子直径量级,目前国内尚不能制造这种适用空间X射线观测的镜面。

Q为啥探测面积越大越好?

镜面望远镜由于受到制造工艺的限制,一般面积比较小。而“慧眼”的探测面积很大,探测到的信号就会更多。信号越多,就越有可能发现其他望远镜看不到的现象。如果探测器面积较大,一秒钟能探测到大约100个光子,误差就会变小,结构就更明显。“对于同样能被观测到的源,我探测到的光子数比你多,我就会比你发现更多的特性。”中科院高能所青年科学家熊少林解释说。

Q为啥视场越大越好?

“慧眼”还具有视场很大的优势,可以在两天左右时间内完成对银道面的扫描。“我们知道,天空中有很多暂现源,毫无征兆地就爆发了,又会毫无征兆地消失,扫描观测可以进行有效监测,比较容易发现这些暂现源。”熊少林说,“对于一个已知源,当然也有可能取得新发现,但对于一个新的源,新发现的概率更大,甚至是全新的闻所未闻的现象。”

Q太亮的源会晃瞎眼吗?

X射线有一个特性:能量越高,光子数量越少;能量越低,光子数量越多。所以,观测低能段X射线,往往会遇到光子堆积的问题。而“慧眼”上的低能望远镜不会碰到这个问题。“聚焦型望远镜不适合观测强源,因为它会把所有X射线的光子都聚到一点上,曝光量过大,所以一看太亮的源,就白茫茫一片。我们是准直型望远镜,可以把光子分散开,堆积率很低,所以看多亮的源,都不会晃瞎眼。”HXMT卫星有效载荷低能望远镜主任设计师陈勇说。

Q如何观测伽马射线暴?

“慧眼”并没有为观测伽马射线暴增加和更改软硬件,使用的其实是高能望远镜主探测器中原本用于屏蔽本底X射线光子(特别是从望远镜后方入射的本底X射线光子)的碘化铯晶体。HXMT卫星监测伽马射线暴的有效观测面积相比以往的设备可提高十倍左右。

编辑: 杰
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