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HXMT标定的实现

    HXMT卫星设计了高能X射线望远镜(HE)、中能X射线望远镜(ME)和低能X射线望远镜(LE)三种载荷,其中HE有18个单体,每个单体一个准直器,准直器包含15个小视场,2个大视场,1个盲视场;ME包括3个机箱,共计54个ASIC,小视场的ASIC有45个,大视场的ASIC有6个,盲视场的ASIC有3个;LE包括3个机箱,共计96个CCD,小视场的CCD有60个,大视场的CCD有18个,盲视场的CCD有6个,超大视场的CCD有12个。各个载荷的视场分布如图1所示,准直器用来限制入射X射线的视场。每个载荷除了有大视场,小视场,盲探测器外,还有三组视场方向(0度视场,60度视场,-60度视场)。

HXMT卫星三个载荷及其视场分布

图1, HXMT卫星上的三个载荷及其分布

    当源光子在某个方向入射到我们的探测器后,各个载荷上的响应如下公式所示,首先,该方向上的源光子,会受到准直器的调制,使得到达准直器底部的原初光子个数与垂直入射时不同,其次,到达探测器底部的光子由于能量不同,探测效率和响应函数也会有所差异,最后,再考虑探测器在探测源光子的同时,还有本底成分的贡献,这两者的贡献就形成了最后的观测能谱S(C)。这个过程可以用下面的公式简单描述:

f(E,α,β)×(PSF(α,β,E)*ARF(E)*RMF(E,C))*T+B(C)=S(C)

其中f(E,α,β)为源光子的理论模型,表示单位时间,单位面积,单位能量上的光子从(α,β)的方向入射到探测器上,PSF(α,β,E)为准直器的响应,ARF为有效面积,RMF为能量响应矩阵,T为考虑死时间修正后的有效观测时间,B(C)为该次观测的本底能谱。

    HXMT的标定是将观测数据转化为科学成果的关键步骤,标定的难点在于标定模型和算法的研究上,体现在:各载荷的探测器单元众多(HE:18个,ME:1728个,LE:96个),视场复杂(大视场,小视场,盲探测器,摆放角度0度,±60度,±90度等),ME和LE在轨温度跨度很大,每个探测器之间存在不一致性(包括能标、能量分辨,探测效率,温度效应等)。这些为HXMT的标定数据库,用户标定软件的设计提出了很大的挑战。我们不能为每个探测器在每个温度范围内都提供一个能量响应矩阵,否则能量响应矩阵个数之庞大是不能接受的,而且会影响用户检索标定数据库的速度(HXMT的标定数据库采用了HEASARC提供的CALDB,它是一个文件系统)。因此这里我们将每个探测器在不同温度下的ADC道数都转换到PI空间(该空间严格和能量成线性关系PI=a*E+b),这样就可以修正不同探测器的能标、同一探测器在不同温度下的能标差异。然后关注每个探测器的能量分辨是否一致,根据能量分辨的差异为每个载荷提供几种能量响应矩阵,最后根据用户选择的探测器的个数提供一个带权重的响应矩阵。因此HXMT标定的两个核心功能是PHA到PI的转换及探测器响应文件RSP的产生,如图 2所示。这两个核心功能的实现所需要的输入来自标定数据库CALDB,如图 3所示。

 标定的核心问题及实现

图2 HXMT标定的核心问题及实现

 

 CALDB的主要内容

图3 HXMT标定数据库的设计

    两个核心功能的实现依赖于载荷地面标定实验的结果及各载荷的性能模拟结果。实验结果和模拟结果为核心功能的设计和实现,为CALDB的设计提供强有力的依据。实验结果告诉我们各载荷的探测器单元在不同条件下的性能,体现在不同温度下的E-C关系,能量分辨,探测效率,能谱形状上。然而实验的能量点个数是有限的,必须依赖于MC模拟提供所有能量点的响应。为了验证MC模拟的可靠性,必须将MC 模拟的结果与实验结果进行比对,因此需要开发HXMT三个载荷单体及整星质量模型下的性能模拟软件,并与实验的数据进行比较,从而对模拟的输入参数进行优化后提供各载荷的PSF,RMF和ARF。