的x射线光学天文任务测试VZLUSAT-1 Nanosatellite

文摘

VZLUSAT-1 nanosatellite(从印度计划在2017年春季推出)是一个立方体卫星的使命,除了其他仪器,包含x射线桌子x射线光学的执行效率测试。本文的分析潜在的观察候选人VZLUSAT-1 x射线板加上观测模式的建议,提出了实验室测量和估计的曝光设置。

1。介绍

VZLUSAT-1 nanosatellite VZLU开发(http://www.vzlu.cz/学院在布拉格(捷克共和国)和它的发射计划定于2017年4月来自印度。其架构对应立方体卫星任务两个标准单元的大小(1]。这个nanosatellite的目标包括气象和辐射测量、复合材料实验,测试x射线光学的空间环境。x射线板由“龙虾眼”光学(2),这是在太空中进行测试,两个紫外线传感器(指向同一个方向x射线光学),一个红外传感器,TimePix探测器(3)在两种模式来测量x射线光子计数或他们的光谱能量分布。龙虾眼光学在太空研究尚未测试。在空间环境中执行效率测试,一个可以使用的x射线观测太阳,月球反射,地面反射,宇宙背景,优秀的天文x射线源。

2。VZLUSAT-1

VZLUSAT-1是两个nanosatellite(10×10×20厘米)与x射线光学焦距的250毫米。TimePix探测器上VZLUSAT-1有256×256像素各有55的物理尺寸μm。总大小(一边芯片是14.08×14.08毫米)。对于此配置,视野(FOV)广场的一边对角线方向。估计低轨道速度(大约90分钟轨道)的卫星的理论假设零旋转FOV将由每分钟4°。特别是在前几周之前的稳定卫星FOV会依赖,即卫星旋转。卫星从[的布局1图中可以看到1。

探测器的灵敏度是由300μ米厚的硅层。在x射线光谱变化的层可以从给定的数据模拟的国家标准与技术研究所(https://www.nist.gov/pml/data/xraycoef/基于x射线质量衰减系数(4我们可以看到在图2。最高灵敏度的完整的仪器(TimePix探测器+ x射线光学)3 - 8 keV的光谱范围内,同时为更高的能量迅速下降。

精确的轨道参数是未知的,直到成功发射,但轨道的倾角应尽可能接近极地轨道。因为低轨道位置的元素会在不同时间由于大气耗散。电磁稳定应该点卫星沿轨道轨迹。网页http://vzlusat1.cz/en/提供关于技术设置和卫星图像和信息本身。可以找到相应的科学描述(5]。天体物理学的原则x射线从这个立方体卫星监测任务然后解释(6]。

3所示。太阳观测

太阳是最亮的自然常规x射线光子源为我们的卫星。太阳的大小()将大约六分之一的视场和根据观察角度将通过FOV 56 - 75秒。如果理想的极地轨道,没有内部旋转的卫星会赶上太阳与六个月一年两次打破。由于比太阳的大小更大的视场(食的速度每天),可能有最大理论抓住机会完成太阳在这两个时期每天16次在3 - 4天,每次约1分钟。实际轨道参数和旋转将更复杂所以机会将低得多,需要精确计算的旋转和轨道预测。

由于太阳活动的变化,x射线通量变化。GOES-15卫星(https://www.ngdc.noaa.gov/stp/satellite/goes/)的仪器观测光谱范围从0.5到4 (3-25 keV)非常相似的x射线光谱灵敏度,因此传感器的校准是最好的选择,评估他们的初始设置。太阳x射线光变曲线从GOES-15卫星3-25 keV能量范围从2014年1月到2015年5月图中可以看到3。通量不同到W m⁻²的意思是和中值值

外几个太阳耀斑活动的x射线强度的太阳光谱范围3-25 keV仍然是一般程度之间nW / m²和μW / m²。

3.1。太阳紫外线狩猎

可能的狩猎的太阳位置展出和快速移动的低轨道卫星一个广角和一个窄视场紫外线(UV)传感器纳入x射线。这两个传感器SG01LB18 231 nm和309 nm之间的光谱响应率与峰值在280海里(UVB /短波紫外线)。这个传感器的有效芯片面积是1毫米²。数据(http://lasp.colorado.edu/sorce/)采取的SORCE(太阳辐射与气候实验)7]显示相当稳定通量(学位与x射线数据相比)的平均值在 同一时期作为x射线的调查。紫外线数据从SORCE卫星(7图中可以看到3。假设垂直观察紫外线传感器及其有效集地区太阳能被传感器将ca。18μW。

4所示。月球的观察

月球不是产生x射线,尽管它是反映一些比率在阳光下生成的。伦琴卫星任务(伦琴卫星(8)测量月球x射线谱第一季度的总功率测量月球x射线在1991年出版的=erg年代⁻¹(9]。假设月球的距离m(低轨道可以忽略不计),那么x射线通量在卫星在满月阶段(乘法因子2)可以估计 也就是4订单低于前一节太阳x射线通量计算中值;因此月球观测应配置了一万次博览会超过太阳观测提供类似的信噪比。虽然这估计可能错误的另一个学位伦琴卫星任务的光谱范围是0.1 - 2凯文。

紫外探测器在船上可用于快速检测太阳能领域的存在的观点,尽管虚假反射从月球也可以被抓。国美电器(全球臭氧监测实验10)于1995年推出,并观察一些陆地和外星现象包括月球的反射率光谱范围覆盖近紫外和可见光。VZLUSAT-1紫外线传感器设置下限是至关重要的积极的检测在太阳和月亮之间避免混淆。平均几何月亮反照率衡量国美1995年和1996年之间的光谱范围231 - 309 nm从3 - 5% (11]。假设反照率最高的光谱范围和满月反射月亮的通量在紫外线将最大限度 的有效收集面积VZLUSAT-1紫外线传感器对应0.9的力量吗μW。

月球观测相比,太阳观测的一个缺点是它的非点源的空间反映了x射线。即使光学仪器提供一维源(进线)的焦点,月亮将覆盖约六分之一的视场在满月期间,中必须考虑在实际的观察和分析。

5。天文观测

许多天文x射线源软x射线瞬变(SXT)的x射线双星系统增生中子星或黑洞。像其他高能伽马射线天文现象,这些SXT只是偶尔(通常是单)耀斑通常持续数小时或数天。是极不VZLUSAT-1能赶上这些来源不小心,虽然有些亮的星系常规x射线源必须检查如果他们可能观察候选人。相似的x射线光谱范围VZLUSAT-1 x射线探测器空间仪器xmm -牛顿(12)(x射线Multi-Mirror任务)的欧洲太空总署,0.2 -12 keV。表1展示了几个潜在的天文候选人的质量检测龙虾眼光学(2]VZLUSAT-1。平均通量、中值,最大流量,最小流量在表1被转换的。这个表中的数据来自3 xmms-dr5目录(http://heasarc.gsfc.nasa.gov/W3Browse/xmm-newton/xmmssc.html)的xmm -牛顿项目,扩展从标准2 xmms目录(13]。

以外天体表中列出1,还有一个x射线源,不能直接观察到的xmm -牛顿由于其高亮度:上海合作组织x - 1(或V818 Sco) (14]。这种低质量x射线双星是天空中最明亮的x射线源除了太阳或x射线背景辐射和扩散估计范围2 - 10 keV的xmm -牛顿仪器是根据15] 老测量RXTE做卫星(罗西x射线时机Explorer)从1999年(16)估计在2 - 20有点宽光谱范围keV通量 也就是1 - 2订单低于中位数太阳能通量计算在以前的部分。

6。校准过程和过滤

得到可检测的通量估算的潜在观察候选人,实验室测量是必要的。龙虾眼光学(2)连同TimePix探测器(3]在x射线检测隧道与钛源4.5 keV的x射线辐射。光模块是由182年玻璃楔形的平均厚度150μ米和90反射双面镀金衬托。x射线测试实现了真空室在科罗拉多大学博尔德分校,美国。Ti的x射线管阳极(能量4.5 keV)作为x射线的来源。source-to-detector距离是18米。隧道内的仪器的设置如图5。

图4显示探测器的计数之和为4.5 keV能量三种不同的模式:darkframe包括辐射背景,模式只是TimePix探测器没有光学,和全套包括光学模式。图像中的十字架代表原始测量数据,而每个模式的实线(不含基本darkframe)代表数学结果后过滤。

总大小的芯片使用14.08×14.08毫米,检测器的面积米²。入射通量探测器可以表示为 在哪里光子的能量,他们的数量,曝光时间,已经提到了光圈。的count-rates对于这些测试可以转化为通量根据(7)。测量count-rates和转换通量1和20秒(图之间的接触4)都是在表2。从这个表可以看出,光学上的散射减少探测器的总通量的比例(之间的比例计数率的情况下没有和光学)。

空间背景模拟是困难的,但nanosatellite PROBA-V [17)携带类似的检测器(Medipix)。从结果我们可以估计,大部分的背景噪音不重粒子(质子、中子,粒子)。这些粒子产生的痕迹在我们的成像系统远远大于一个像素区域。图像处理空间条件过滤的概念是基于保持只有一个像素光子事件过滤宇宙背景包括重粒子(如粒子或质子)。8-neighbour像素过滤稀疏事件的作品充分而密集的地区由长时间曝光甚至过滤掉隐藏一个像素x射线光子事件。由于低立即广播下行速率过滤处理卫星。

7所示。预计Count-Rates

估计count-rates选择天文观测通量候选人从图1,需要一个光子的能量TimePix光谱敏感性这种能量的仪器探测器的有效面积,包括光学仪器的透射系数:@ 4.5 keV(参见前面章节)。

当假设简化平坦光谱排放的候选人对应的光子能量为特定的光谱范围可以很容易地估计这个光谱范围的平均值。的概述分析了目录表3。包括适当的光谱范围,意味着能量,TimePix光谱敏感性。估计count-rates会因此

表4总结了count-rates由(8)。估计这张桌子前面计算的通量,和相应的平均能量和TimePix光谱敏感性从表3。在结果表4,平均每秒计数率,中值,最大的价值。估计只有观察候选人的机会抓住每一分钟在表选择一个光子4。原因是在预期的领域来看,这将从一边到另一边在大约50秒(根据实际卫星轨道几何)。其他候选人从表1可以根据计算(8)。

8。观察的模式

由于前面讨论的条件和限制我们建议后观察模式对x射线的办公桌VZLUSAT-1使命:(我)简单的成像:对于给定参数(曝光、过滤、装箱和光谱/计数TimePix模式)仪器将提供个人数据。对每个观察一个命令是必要的。(2)肾上腺素模式:最重要的光学测试候选人是太阳。因此几个红外和紫外探测器与更广泛的视野安装提醒主要TimePix探测器如果有消息值较高的交叉的路径视图。(3)同时监控模式:当其他仪器和任务上VZLUSAT-1定期关闭x射线的桌子可能重复观测只有一个临界参数(例如,总额)影响是否很有趣的数据被保存供以后下载到地球。板载内存容量超过上行和下行体积估计的平均寿命卫星。这种监控方式可以继续即使没有直接与地面指挥站无线电连接(预计一天两次)更长一段时间。对于这样一个长期监测在内存中只有一个命令(相对于简单的成像模式)是必要的。

9。结论

这篇文章显示了测试的选项龙虾眼科光学空间机载VZLUSAT-1 nanosatellite使命。天文观察候选人的调查,估算技术设置了必要的实验室x射线测量和分析。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由捷克科学基金(批准号ga14 - 25251),在布拉格捷克技术大学的资助机构(批准号SGS13/212 OHK3/3T / 13)。

引用

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