一种适用于空间X射线载荷整星的热真空试验方法与流程

本发明涉及一种适用于空间x射线载荷整星的热真空试验方法，适用于空间x射线望远镜卫星整体或单独空间x射线望远镜开展热真空试验过程中性能测试试验方法。

背景技术：

由于x射线无法穿透地球大气层，因此空间x射线实验只能在大气层外的火箭上或卫星轨道上进行。同样问题也出现在空间x射线望远镜的地面性能测试中，为了避免地面空气对x射线吸收，一般开展x射线望远镜的性能，需要使用专用放射源的方法以及特殊的试验系统。对于放射源方法需要专门制作相关的x射线放射源，并需要放在望远镜探测器相对较近的部位，形成特定能量的x射线源，目前此种方法多利用放射性较低(满足豁免源要求)的放射源，作为在轨标定使用。使用x射线放射源开展望远镜的测试，为卫星带来了安全管理和人员安全的技术和安全风险。另一种通用测试方法为在真空系统中利用x光机产生连续x射线，透过晶体衍射产生单色x射线，通过尺寸较长的准直器(一般10米至上百米)形成平行x射线，照射被测探测器。上述两种方法用于对单独探测器性能测试和标定，受到放射源种类和数量的限制以及测试系统空间限制，两种方法无法应用到卫星整体继承测试过程中。另外，对于空间中低能段的x射线望远镜探测器一般选择硅探测器，为了保证良好的信噪比，探测器必须工作在低温环境，这种情况就导致了探测器在卫星长时间的功能、性能测试过程中无法完整测试探测器的性能。为此，需要在卫星热真空试验中实现x射线望远镜低温工作环境工作性能的测试，若按照常规x射线望远镜测试方法，需要放置多颗不同的放射源，或通过建设更大的真空试验系统利用晶体单色器产生单色性好的束线进行测试。

用x射线光管辐照样品，是产生荧光x射线光谱的常用方法。x射线光管产生的x射线光谱，它是由连续谱和特征谱组成。在x射线光管中，当所加的电压很低时，它只产生连续谱。连续光谱是以x射线管作为激发源时，由于其强度以连续分布的形式存在，当x射线管所加电压足够高时，它适用于周期表各个谱系的激发。由于x射线光管的视场大，因此会照射到空间模拟室以及整星，同样会产生不期望的x射线，形成探测器多余的本底，影响卫星的测试结果。在整星热真空试验中，除了x射线源产生，x射线硅探测器对污染要求也比一般卫星高，因此也需要在真空热试验过程中解决探测器防污染问题。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于空间x射线载荷整星的热真空试验方法，针对空间x射线探测卫星需要低温、探测器防污染以及x射线望远镜进行性能测试的特殊需求，需要在卫星热真空试验期间放置多种放射源，导致卫星在热真空试验期间存在安全隐患的情况，提出一种适用于空间x射线载荷整星热真空试验方法，可实现替代多种放射源，可根据需求产生不同能段谱线，并可根据试验需要进行通断控制，既保证了整星状态下x射线载荷的性能测试以及激发x射线本底控制，同时控制了真空热试验过程中的污染，又实现了整星热真空试验过程中的安全可控。

本发明的技术解决方案是：一种适用于空间x射线载荷整星的热真空试验方法，包括如下步骤：

(1)利用x射线光管二次打靶，在真空试验罐中产生x射线；

(2)确定x射线光管二次打靶引起本底；

(3)控制试验过程中污染物；

(4)对载荷进行性能测试及处理。

所述的热真空试验所需的装备包括：空间模拟室、金属靶板、地面测试用x射线接收装置、含x射线有效载荷的被测试卫星、x射线光管、控制及数据处理系统。

所述的利用x射线光管二次打靶，在真空试验罐中产生x射线的方法为：

(1)确定金属靶材及其在空间模拟室的位置；

(2)确定x射线光管的位置；

(3)调节测试系统保证可用性。

所述的确定金属靶材的方法为：

根据x射线载荷所需的能量选择需要的金属靶材，其中，hxmt卫星中能探测器的探测范围为5-30kev，选择钼金属，kα线为17.48kev，在下沿能段选择铜金属，kα线为8.04kev；低能探测器的探测范围1-10kev，选择铝或铜，铝的kα线为1.49kev。

所述的确定金属靶材在空间模拟室的位置的方法为：

根据整星热试验确定的卫星在空间模拟室的位置，得到卫星x射线探测器载荷的位置，将金属靶初步安装在卫星x射线探测器载荷的上方，在卫星x射线探测器位置安装地面测试用x射线接收装置，利用x射线光管对准空间模拟室中的金属靶材，并激发单能x射线，通过地面测试用x射线接收装置确定得到激发出的单能x射线覆盖范围，调节金属靶材的安装位置，最终确定卫星热真空试验时金属靶材的放置位置。

所述的确定x射线光管的位置的方法为：

使得x射线光管发出的x射线覆盖金属靶，且从卫星载荷探测器下面穿过卫星。

所述的调节测试系统保证可用性的方法为：

调节x射线光管的电压及电流，通过地面测试用x射线谱仪测量不同电压、不同电流下钼靶和铜靶产生x射线在探测器位置的计数率，选择计数率稳定的x射线光管电压和电流状态，用于后期测试。

所述的确定x射线光管二次打靶引起本底的方法为：

在没有金属靶材的条件下，将计数率稳定的x射线光管电压和电流状态对应的x射线光管开机，通过地面测试用x射线谱仪，测量在探测器位置的x射线光子计数率，获得空间模拟室的背景本底能谱。

所述的控制试验过程中污染物的方法为：

(1)在空间模拟室常温且真空度达到5×10^-2pa后，整星断电，卫星红外笼开启小功率加热，监视并控制卫星结构温度不大于30℃，在此状态下保持空间模拟室真空度优于5×10^-2pa，且保持24h；

(2)关闭红外笼加热，令整星加电，探测器防污染功能开启，整星降温并继续抽真空，整星达到低温工况后，继续保持探测器防污染功能开启24h，然后望远镜开机工作。

所述的对载荷进行性能测试及处理的方法为：

(1)进行探测器性能测试和数据处理，包括：

(11)根据计数率稳定的x射线光管电压和电流状态控制x射线光管工作，记录并分析单能x射线在空间x射线载荷上产生的响应谱，得到道址i及在此道址上的光子计数ci，进而得到单能x射线响应谱的峰位道址k、不同道址i对应的的x射线光子计数ci；

(12)根据峰位道址k、金属靶激发的x射线谱线、卫星x射线载荷上标定源发出的能谱得到道址与能量的关系，进而得到空间x射线望远镜对单能x射线的响应能谱；

(13)根据空间x射线望远镜对单能x射线的响应能谱得到全能峰半高宽fwhm、空间x射线载荷能量分辨率r；

(2)进行充氮气回温过程防污染，包括：在热沉回温到0℃、充入高纯氮气前，将探测器温度保持在露点上，且充入高纯氮气至2000pa以上，当热沉温度高于露点温度后且充入空气前，将低能探测器上机箱热管测温点和中能探测器机箱探测器阵列测温点遥测值保持在+25℃，在容器复压过程中，控制罐内复压至常压的过程不小于12小时。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明利用x射线光管辐照样品产生所需要的x射线谱线，可以解决整星热真空试验过程中多放射源的安全和管理问题，同时在整星热真空试验过程中确定x射线本底以及探测器防污染问题；

(2)本发明可实现替代多种放射源，可根据需求产生不同能段谱线，并可根据试验需要进行通断控制，既保证了整星状态下x射线载荷的性能测试以及激发x射线本底控制，同时控制了真空热试验过程中的污染，又实现了整星热真空试验过程中的安全可控。

附图说明

图1为空间x射线载荷整星热真空试验示意图；

图2为本方法的逻辑流程图；

图3为x光管指向及上方钼靶安装高度示意图。

具体实施方式

本专发明针对现有技术的不足，提出一种适用于空间x射线载荷整星的热真空试验方法是利用x射线光管辐照样品产生所需要的x射线谱线，可以解决整星热真空试验过程中多放射源的安全和管理问题，同时在整星热真空试验过程中确定x射线本底以及探测器防污染问题。

本方法利用x射线光管照射不同材料产生单能x射线特点，提出的整星热真空试验x射线载荷热试验方法，可实现整星无放射源状态下x射线探测载荷的试验和污染控制。方法主要分四个部分：

(1)利用x射线光管二次打靶，在真空试验罐中产生x射线

在卫星热真空试验过程中，通过在热真空试验空间模拟室壁安装x射线光管，在卫星x射线探测设备视场内适当的距离处安装试验所需要金属材料，包括实验设备空间模拟室的金属材料。

(2)x射线光管二次打靶引起本底的确定

在卫星热真空试验前，在x射线产生系统工作的状态下(不安装试验用靶材)，通过x射线谱仪，测量出真空试验系统响应谱n(c,e)。

(3)试验过程中污染物的控制

在真空热试验状态建立初期，通过高温烘烤并抽真空的方法；以及在试验后期充氮气回温静置等措施实现污染灵敏探测器的防污染。

(4)载荷的性能测试及处理

在x射线光管加电并将电子束发射到实验所需的金属材料上，激发出试验所需能量的x射线光子，被卫星x射线探测器所接收，获得探测数据，经地面数据处理获得x射线探测器的能谱、能量分辨率、时间分辨率等性能。

下面结合附图对本发明做进一步说明。实施例结合图1和图2给出了空间x射线载荷整星热真空试验系统和试验方法的实施流程，具体如下：

空间x射线载荷整星热真空试验系统包括空间模拟室1，金属靶板2，地面测试用x射线接收装置3，被测试卫星(含x射线有效载荷)4，x射线光管5，以及控制及数据处理系统6，如图1所示。

1、确定金属靶材及其在空间模拟室的位置

针对x射线载荷所需的能量，以及不同金属kα线，选择需要的金属靶材。如hxmt卫星中能探测器的探测范围为5-30kev，可以选择钼(mo)金属，其kα线为17.48kev，在下沿能段选择铜(cu)金属，其kα线为8.04kev；低能探测器的探测范围1-10kev，可以选择铝和铜，其中铝的kα线为1.49kev；由于在空间模拟室中铜和铝金属大量存在因此除了布置钼金属靶材，不需要布置其他金属靶材。

根据整星热试验确定的卫星在空间模拟室的位置，确定卫星x射线探测器载荷的位置，并将金属靶初步安装在卫星x射线探测器载荷的上方，并远离探测器，防止对探测器热试验结果产生不利影响。在卫星x射线探测器位置安装地面测试用x射线接收装置，利用x射线光管对准空间模拟室中安装的金属靶材，并激发的单能x射线，通过地面测试用x射线接收装置，确定激发出的单能x射线覆盖范围，必要的时候调节金属靶材的安装位置，最终确定卫星热真空试验时金属靶材的放置位置；

2、确定x射线光管的位置

由于x光管的视场较大，因此对x射线光管的位置要求不严格，只需要x射线光管在空间模拟室的位置h2以及偏角φ确定覆盖金属靶和所需的其他金属，同时要保证x光管发出的x射线从卫星载荷探测器下面穿过卫星，不允许从卫星载荷探测器上方穿过卫星，保证x光管与卫星的散射x射线对探测器本底无影响。如图3所示为为x光管指向及上方钼靶安装高度示意图。

3、调节测试系统，保证系统可用性

调节x射线光管的电压及电流，通过地面测试用x射线谱仪，测量不同电压、不同电流下钼靶和铜靶产生x射线在探测器位置的计数率，选择计数率稳定的x射线光管电压和电流状态，用于后期测试；

4、测量空间模拟室x射线本底

x射线载荷测试中本底控制直接影响探测器测试结果，由于地面测试空间模拟室内金属材料多，在x射线光管发出的x射线激发下，会发出不同能量的x射线，形成测试本底。为测试本底，在没有靶材的条件下，按照步骤3确定的x射线光管状态开机，通过地面测试用x射线谱仪，测量在探测器位置的x射线光子计数率，获得空间模拟室的背景本底能谱n(c,e)；

5、真空静置除污

在空间模拟室常温下真空度达到5×10^-2pa后，整星断电，卫星红外笼均匀开启小功率加热，监视并控制卫星结构温度不大于30℃，在此状态下保持空间模拟室真空度优于5×10^-2pa，并保持24h。之后，关闭红外笼加热，整星加电，探测器防污染功能开启，整星进入降温及继续抽真空，整星在达到低温工况后，继续保持探测器防污染功能开启24h，之后望远镜开机工作。

6、探测器性能测试和数据处理

按照步骤3确定的x射线光管系统设置参数开启x射线发生系统，记录并分析单能x射线在空间x射线载荷上产生的响应谱，得到道址i及其在此道址上的光子计数ci，在感兴趣的道址宽度内对道址进行加权平均，得到单能x射线响应谱的峰位道址k。同时也得到了不同道址i的x射线光子计数ci。

其中，k为峰位道址，i为道址，ci为第i道计数

获得道址x射线响应谱的峰位道址后，根据金属靶激发的x射线谱线以及卫星x射线载荷上标定源发出的能谱可以得到道址与能量的关系。

将能量—道数关系转化为能谱。利用道－能量关系，将道址转化为能量，将相应的道－计数谱转化为能谱，得到空间x射线望远镜对单能x射线的响应能谱。

通过单能x射线能谱，得到全能峰半高宽fwhm，得到空间x射线载荷能量分辨率r。

其中，r为能量分辨率，k2、k1为信号半高全宽对应的道址，k0为信号峰值对应的道址。

7、充氮气回温过程防污染

热真空试验结束时，在热沉回温到0℃、充入高纯氮气之前，将探测器温度保持在露点之上；充入高纯氮气至2000pa以上，当热沉温度高于露点温度后，在充入空气之前，将低能探测器上机箱热管测温点和中能探测器机箱探测器阵列测温点遥测值保持在+25℃左右，在容器复压过程中，罐内复压至常压的过程不小于12小时。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。