卢方军
(中国科学院高能物理研究所)
中国“硬X射线调制望远镜”(Hard X-ray Modulation Telescope，简称HXMT)天文卫星将是国际上已知计划中{wy}一台既可以实现宽波段、高灵敏度X射线巡天成像，又能够研究黑洞、中子星等高能天体的短时标光变和宽波段能谱的空间X射线天文观测设备。作为我国第1颗天文卫星，HXMT已被明确列入国家《“十一五”空间科学发展规划》和《航天发展“十一五”规划》。HXMT上天后，不仅将使我国的高能天体物理观测研究达到国际先进水平，还可为提升我国在深空探测等方面的能力作出重要贡献。
1 科学意义
来自于宇宙天体的辐射覆盖了在从射电、红外、光学、紫外、X射线到γ射线的整个电磁波段。波长不同，辐射机制也不一样，因此具有不同物理条件的天体往往会发出不同性质的电磁辐射：太阳光球层的温度约5700°C，辐射主要集中在光学波段；星际热气体和致密双星系统(由一个黑洞或中子星与一颗正常恒星组成)的吸积盘温度可高达几百万至几千万度，辐射以光子能量0.1~10 keV的软X射线热辐射为主；而带电粒子在临近黑洞的极端环境下会被加速到近乎光速，它们与磁场或低能光子作用，会产生强烈的非热软X射线、硬X射线(10~1000 keV)和γ射线(>1000 keV)辐射。和软X射线观测相比，硬X射线观测可以摆脱热辐射的影响；和γ射线观测相比，由于硬X射线光子的流强足够高，所以其观测又可用于详细地研究黑洞附近区域的物理性质及其变化。因此，硬X射线观测已成为研究黑洞性质的关键手段。
由于受地球大气的吸收影响，对天体的X射线观测只能在地球大气之上进行。美国于1970年发射了第1颗X射线天文卫星──自由号(Uhuru，斯瓦希里语)，实现了对X射线的巡天观测，开创了空间高能天文的新领域，打开了人类观测宇宙的新窗口。硬X射线光子难以聚焦，传统方法是采用复杂的编码孔径技术，用位置灵敏的X射线探测器阵列测量码板的投影，实现对某{yt}区的成像观测。但编码孔径成像望远镜的结构和成像算法复杂、本底高，限制了其巡天的灵敏度，迄今为止，还没有灵敏度高且覆盖完备的硬X射线巡天观测设备。
目前，硬X射线天文的另一个重要缺陷是还没有实现对黑洞和中子星双星的高时间分辨率观测。黑洞双星系统的X射线的主要特征之一是其流强存在准周期振荡现象，这很可能起源于黑洞对周围时空的拖曳效应。以往的观测表明，准周期振荡在10keV以上时随着光子能量的增加而迅速增强，但是因为探测灵敏度的限制，在硬X射线能段对这一现象的详细观测研究还是空白。
20世纪90年代初，中国科学院高能物理研究所的李惕碚和吴枚提出和发展了直接解调方法，从而克服了硬X射线成像的技术困难，可以用简单成熟的准直型望远镜实现高分辨率和高灵敏度的硬X射线巡天观测，并在此基础上提出建造和发射HXMT天文卫星。与国外已有或正在研制的硬X射线空间望远镜相比，HXMT在全天巡天观测的灵敏度和高计数率观测的时变研究方面具有明显优势，使得中国有可能在黑洞的寻找和高精度观测这2个方面取得突破性的重大成果。
进入21世纪后，美国航空航天局(NASA)和欧洲航天局(ESA)相继提出了空间天文的“超越爱因斯坦计划”(Beyond Einstein Program)和空间科学的“宇宙全景”(Cosmic Vision)计划，其主要的天体物理目标是研究宇宙大尺度结构和演化、暗物质和暗能量的本质，以及极端条件(如黑洞强引力场)下的物理规律。根据X射线天文学的国际发展趋势，HXMT将把黑洞的寻找和高精度观测2项内容作为其核心科学目标：1 实现宽波段X射线(1~250 keV)巡天观测，发现大批被尘埃遮挡的超大质量黑洞和未知类型天体，研究宇宙硬X射线背景辐射的性质；2通过黑洞、中子星、活动星系核等高能天体的光变性质和光谱，研究致密天体和黑洞强引力场中的动力学和高能辐射过程。在国际上已提出的天文卫星中，HXMT在硬X射线能段具有世界{zg}灵敏度和空间分辨率的全天巡天观测能力，同时具有独特的研究黑洞双星等天体硬X射线快速光变的能力。
2 卫星及仪器介绍
HXMT采用分舱式设计，有效载荷(科学探测仪器)位于卫星上部，服务舱以资源-2卫星平台为基础，位于卫星下部。卫星总质量2700 kg，将运行在高为550 km、倾角为43°的近地圆轨道，设计寿命4年。
HXMT的主有效载荷包括高能X射线望远镜(简称为HE)、中能X射线望远镜(简称为ME)和低能X射线望远镜(简称为LE)(见图1)。由于不同能量的X射线辐射起源于天体上不同的物理过程，HE、ME、LE在不同的波段同时观测一个天体，可以获得有关天体活动的更全面和准确的数据。
注：图中中心18个探测单体组成HE，左侧3个带遮光罩的机箱为LE，右侧是ME的3个探测器机箱。
图1 HXMT卫星有效载荷结构
HE整体结构为圆柱形，包括18个碘化钠(铊)/碘化铯(钠)[NaI(TI)/CsI(Na)]复合晶体探测器单体(见图2)。
图2 HXMT的HE主探测器(左)及荷电粒子屏蔽探测器(右)
HE的工作原理是：当X射线光子入射到NaI晶体时，晶体发出闪烁光，被后面的光电倍增管(PMT)收集，完成对一个X射线光子事例的探测。但是，除了从被观测天体发出的X射线会在探测器上产生信号外，来自于其他方向的X/γ射线以及荷电粒子入射到NaI晶体上也可能产生信号，构成探测本底。
在HE的设计中，采取了几个方面的措施，以压低本底计数，提高观测灵敏度。①采用被动屏蔽技术，在晶体探测器的上方用高原子序数的钽(Ta)做成准直器，在晶体的周围放置钽屏蔽环，以阻止视场以外的高能光子或荷电粒子入射到晶体上。②采用复合晶体技术，HE主探测器包括NaI和CsI两层晶体，其中上层的NaI晶体为主晶体，用于探测目标天体的X射线，下层CsI则可以记录从背面入射的X射线。虽然NaI和CsI的信号均由后面的同一个PMT读出，但2种信号的时间特性不同，可以甄别。如果一个事例在CsI晶体上产生信号，则可以作为本底事例被排除。③采用荷电粒子反符合屏蔽技术。在18个HE主探测器阵列的顶部和侧面覆盖塑料闪烁体构成荷电粒子屏蔽探测器，当荷电粒子穿过塑料闪烁体时会产生信号，而塑料闪烁体对穿过的X射线基本无反应，因此，当主探测器和反符合屏蔽探测器同时记录到一个事例时，这个事例极可能是荷电粒子引起的，可以作为本底事例被排除掉。为了保证HE能谱响应的正确性，HE还携带有在轨标定探测器。
ME包括3个探测器机箱(见图3)，每个机箱包含3个可独立工作的模块，每个模块由准直器、探测器和前端电子线路3部分构成。ME采用864片硅光二极管(Si-PIN)探测器构成总面积约952 cm^2的阵列，用专用集成电路(ASIC)读出。Si-PIN探测器的工作原理是：能量为E的X射线与Si-PIN探测器发生作用，其能量全部消耗在探测器的有效体积内，并转化成电子空穴对，电子在偏压电场的作用下被收集，通过电子线路读出，形成一个事例，电子空穴对的数目与入射X射线光子的能量成正比，因此根据读出信号的大小可以推算出光子的能量。ME所用Si-PIN探测器为国内自行研制，厚度为1 mm，探测能区5~30 keV，与LE及HE的观测能区之间有很好的交叉覆盖。
图3 HXMT的ME的1个探测器机箱结构
与HE相似，来自于其他方向的X/γ射线和空间带电粒子也会在ME探测器上造成本底事例，因此ME也采取了几项本底屏蔽措施，包括在探测器的前方安装准直器、在探测器机箱内壁贴加薄钽(Ta)片等。此外，部分本底事例是带电粒子和卫星结构相互作用产生的次级效应，会同时在几个探测器面元上产生信号，而入射的源X射线光子只会在1个探测器上产生信号，因此ME还可利用探测器面元之间的交叉反符合，进一步降低ME的本底水平，提高探测灵敏度。
LE也包括3个探测器机箱，每个机箱的结构如图4所示，包括遮光罩、准直器、探测器和前端电子线路等几个部分。LE选用扫式电荷器件(SCD)作为探测器，由于LE探测的是低能X射线光子，它们在探测器上产生的信号很弱，为了降低LE的低能探测阈值，提高能量分辨率，SCD必须工作在-80~-40°C的低温状态下以降低系统噪声。LE安装了热管，可以将SCD产生的微小热量传递至遮光罩，再辐射到宇宙空间，以保证探测器的低温工作环境。LE也采用与ME相同的本底抑制措施，带电粒子在LE上产生的1~6 keV之间的本底几乎可以全部屏蔽或反符合掉，大大提高了LE观测宇宙X射线辐射的能力。
图4 HXMT的LE的1个探测器机箱结构
3 对空间探测技术的推动
HXMT采用了多项国际先进水平的载荷技术，在卫星背景型号研究期间，取得多项创新性技术成果，显著提升了我国的空间探测能力。
(1)低噪声、高能量分辨率X射线探测技术
HXMT的LE采用扫式电荷器件SCD，它是一种特殊类型的X射线CCD，具有时间分辨率高、能量分辨率高、探测阈值低等优点。已研制成功的LE样机能量分辨率在6 keV处达到128 eV，接近Si探测器的法诺极限，优于SCD生产厂家探测器测试电路的性能，使我国X射线探测器读出电路的研制能力达到了国际先进水平。
在LE读出电路技术的基础上，利用近年来数字化电路技术的发展成果，项目组还正在研制硅基X射线探测器的“零”噪声读出电路，以便进一步降低X射线探测器的低能探测阈值，提高其在低能段的能量分辨率，推动深空探测和空间天文的发展。
1)长期以来，X射线谱仪是深空元素丰度探测的主要工具，但是，由于系统噪声较高，这些仪器主要探测构成天体岩石的镁、铝、硅、钙、铁等重元素(主要荧光谱线能量高于1keV)，但无法探测碳、氮、氧等轻元素。“零”噪声电路技术使得X射线探测器能够探测并清晰分辨碳、氮、氧等元素发出的α射线(能量分别在0.28、0.39和0.52keV左右)。由于碳、氮、氧是组成有机物的主要成分，该项技术将可以显著提高在深空探索地外生命的能力。
2)由于受大气吸收的影响，太阳X射线不能到达火星、金星、木星等有大气的星体表面；同时，星体表面如存在X射线辐射，则也不能穿越大气到达环星轨道飞行器。但是，当太阳X射线照在大气层的外面，就可以激发大气物质发出X射线荧光，如果外层大气电离度不同，荧光线的中心能量还会有小的差别。由于构成大气的主要元素是碳、氮、氧等，用以往的X射线探测器难以观测，在配备了“零”噪声读出电路后，X射线探测器就可以研究这些星体外层大气的成分和性质。
3)在恒星演化的大部分时间内，都是通过氢聚变为氦来提供辐射的能量并抵抗星体的引力收缩。“碳氮氧循环”是氢聚变合成氦的主要方式之一，即从碳开始不断与氢原子聚变依次生成氮、氧，氧再衰变产生碳和氦，在这一循环中4个氢原子合成1个氦原子，同时释放能量和中微子。“碳氮氧循环”对大质量恒星的演化尤其重要，而大质量恒星又是产生星际高温气体的主要原因。用X射线探测器配备“零”噪声电路观测银河系星际高温气体中的碳、氮、氧等元素，可以提供研究银河系和恒星演化的独特工具。
(2)Si-PIN探测器和读出专用集成电路技术
ME采用864片Si-PIN探测器，但是星上供电能力的限制和高可靠性的要求使得无法采用分立器件搭建864路读出电路。为此，ME采用了ASIC芯片，可以同时读出几十路Si-PIN探测器的信号，大大降低了星上电子线路的规模、系统功耗和温控难度，提高了可靠性。ASIC技术的成功应用，为大型阵列式地面和空间X射线探测器的建造奠定了重要的技术基础。
HXMT使用的Si-PIN探测器为国内自行研制，其暗电流、能量分辨率等指标与国际先进产品相当，说明通过HXMT等项目的实施，已经掌握了生产Si-PIN探测器的技术。目前，国内市场上大多数元素成分X射线荧光分析仪广泛使用的探测器即为Si-PIN，但基本都是进口产品，ME和电子技术的推广将可以实现该类X射线荧光分析仪的国产化。
(3) 硬X射线探测器技术
HXMT的HE所使用的闪烁晶体探测器主要探测硬X射线辐射，将这种探测器用于对地观测，可有效监视地面的核爆炸以及来自于地球大气上层的γ射线(terrestrial gamma-ray flash，简称TGF)等。
从1963年10月起，美国空军发射了“维拉”(Vela)系列卫星，来监视美英苏禁止核试验条约的执行情况。Vela从西班牙语词Velar而来，意为“放哨”。Vela卫星主探测器具有与HXMT的HE探测器相似的结构，也由准直器、NaI闪烁晶体和光电倍增管组成，2颗Vela卫星在空中能完成对X射线爆发现象的粗略定位。其中，1967年7月2日，Vela-4a、4b就探测到了来自于地球和太阳之外的宇宙γ射线暴，这是迄今人类所知除宇宙大爆炸之外{zg}能量的爆发。空中较高能量的xx爆炸也会出现X射线闪，从而被闪烁晶体探测器卫星发现。因此，HXMT所应用的探测技术能够监测来自人类的核试验和其他空中剧烈爆炸事件。
地球雷暴区的上空也可能出现γ射线爆发现象(即TGF)，辐射功率可达百万至千万瓦，持续时间仅为百毫秒甚至几毫秒。TGF的产生区极可能存在几十到百万伏的高电压、大量的高速电子流等，当航天器进入这些区域时很可能遭到破坏。近年来，NASA发现空间确实存在高速电子流，这被认为很可能是破坏航天器的主要原因，但是，由于这类研究的结果与军事有密切关系，一直处于保密或半保密状态。随着我国空间活动的不断增加，航天器的安全研究越来越重要，HXMT的HE硬件技术及其对TGF的观测研究对我国航天器的安全有着越来越高的价值。
4 项目现状
1994年，中国科学院高能物理研究所提出建造HXMT的建议。2000年，以HXMT预研为主要内容的973项目“天体高能辐射的空间观测与研究”立项，在随后的5年里，高能物理研究所与清华大学等单位合作进行HXMT预研，建成HXMT地面样机。2005年，原国防科工委对“十一五”民用航天空间科学项目进行评审，这是中国首次对空间科学卫星项目进行全面的评审，HXMT被遴选为空间科学卫星项目。同年10月，HXMT背景型号研究启动。
2007年3月，国防科工委发布《“十一五”空间科学发展规划》，HXMT被列为主要的科学卫星项目。该规划明确提出“自主研制‘硬X射线调制望远镜’，计划2010年发射上天，实现我国天文卫星零的突破，在黑洞物理研究等领域取得突破”。2007年9月，完成HXMT立项技术可行性论证。2008年4月，原国防科工委委托中咨公司完成HXMT立项可行性评估。
2008年7月，中国航天科技集团完成HXMT背景型号研究任务的验收。在背景型号研究期间，完成了HE主要部件工程样机的研制和环境试验，完成ME和LE原理样机的研制，所有仪器均达到或超过设计技术指标。背景型号研究任务完成后，在没有经费支持的情况下，为了保证卫星研制不中断，项目承担单位继续借款进行了卫星方案和有效载荷的研制，先后完成了LE和ME模型样机的研制，并将在数月内完成工程样机的研制。虽然HXMT有效载荷使用了大量新的前沿技术，但通过前一段时间的工作，已经攻克了所有的关键技术，积累了大量的经验，一旦工程立项，就可以在短时间内完成卫星研制，实现中国人的空间望远镜之梦。
收稿日期：2009-09-25
原载《国际太空》2009年12月号
(中国科学院高能物理研究所)
中国“硬X射线调制望远镜”(Hard X-ray Modulation Telescope，简称HXMT)天文卫星将是国际上已知计划中{wy}一台既可以实现宽波段、高灵敏度X射线巡天成像，又能够研究黑洞、中子星等高能天体的短时标光变和宽波段能谱的空间X射线天文观测设备。作为我国第1颗天文卫星，HXMT已被明确列入国家《“十一五”空间科学发展规划》和《航天发展“十一五”规划》。HXMT上天后，不仅将使我国的高能天体物理观测研究达到国际先进水平，还可为提升我国在深空探测等方面的能力作出重要贡献。
1 科学意义
来自于宇宙天体的辐射覆盖了在从射电、红外、光学、紫外、X射线到γ射线的整个电磁波段。波长不同，辐射机制也不一样，因此具有不同物理条件的天体往往会发出不同性质的电磁辐射：太阳光球层的温度约5700°C，辐射主要集中在光学波段；星际热气体和致密双星系统(由一个黑洞或中子星与一颗正常恒星组成)的吸积盘温度可高达几百万至几千万度，辐射以光子能量0.1~10 keV的软X射线热辐射为主；而带电粒子在临近黑洞的极端环境下会被加速到近乎光速，它们与磁场或低能光子作用，会产生强烈的非热软X射线、硬X射线(10~1000 keV)和γ射线(>1000 keV)辐射。和软X射线观测相比，硬X射线观测可以摆脱热辐射的影响；和γ射线观测相比，由于硬X射线光子的流强足够高，所以其观测又可用于详细地研究黑洞附近区域的物理性质及其变化。因此，硬X射线观测已成为研究黑洞性质的关键手段。
由于受地球大气的吸收影响，对天体的X射线观测只能在地球大气之上进行。美国于1970年发射了第1颗X射线天文卫星──自由号(Uhuru，斯瓦希里语)，实现了对X射线的巡天观测，开创了空间高能天文的新领域，打开了人类观测宇宙的新窗口。硬X射线光子难以聚焦，传统方法是采用复杂的编码孔径技术，用位置灵敏的X射线探测器阵列测量码板的投影，实现对某{yt}区的成像观测。但编码孔径成像望远镜的结构和成像算法复杂、本底高，限制了其巡天的灵敏度，迄今为止，还没有灵敏度高且覆盖完备的硬X射线巡天观测设备。
目前，硬X射线天文的另一个重要缺陷是还没有实现对黑洞和中子星双星的高时间分辨率观测。黑洞双星系统的X射线的主要特征之一是其流强存在准周期振荡现象，这很可能起源于黑洞对周围时空的拖曳效应。以往的观测表明，准周期振荡在10keV以上时随着光子能量的增加而迅速增强，但是因为探测灵敏度的限制，在硬X射线能段对这一现象的详细观测研究还是空白。
20世纪90年代初，中国科学院高能物理研究所的李惕碚和吴枚提出和发展了直接解调方法，从而克服了硬X射线成像的技术困难，可以用简单成熟的准直型望远镜实现高分辨率和高灵敏度的硬X射线巡天观测，并在此基础上提出建造和发射HXMT天文卫星。与国外已有或正在研制的硬X射线空间望远镜相比，HXMT在全天巡天观测的灵敏度和高计数率观测的时变研究方面具有明显优势，使得中国有可能在黑洞的寻找和高精度观测这2个方面取得突破性的重大成果。
进入21世纪后，美国航空航天局(NASA)和欧洲航天局(ESA)相继提出了空间天文的“超越爱因斯坦计划”(Beyond Einstein Program)和空间科学的“宇宙全景”(Cosmic Vision)计划，其主要的天体物理目标是研究宇宙大尺度结构和演化、暗物质和暗能量的本质，以及极端条件(如黑洞强引力场)下的物理规律。根据X射线天文学的国际发展趋势，HXMT将把黑洞的寻找和高精度观测2项内容作为其核心科学目标：1 实现宽波段X射线(1~250 keV)巡天观测，发现大批被尘埃遮挡的超大质量黑洞和未知类型天体，研究宇宙硬X射线背景辐射的性质；2通过黑洞、中子星、活动星系核等高能天体的光变性质和光谱，研究致密天体和黑洞强引力场中的动力学和高能辐射过程。在国际上已提出的天文卫星中，HXMT在硬X射线能段具有世界{zg}灵敏度和空间分辨率的全天巡天观测能力，同时具有独特的研究黑洞双星等天体硬X射线快速光变的能力。
2 卫星及仪器介绍
HXMT采用分舱式设计，有效载荷(科学探测仪器)位于卫星上部，服务舱以资源-2卫星平台为基础，位于卫星下部。卫星总质量2700 kg，将运行在高为550 km、倾角为43°的近地圆轨道，设计寿命4年。
HXMT的主有效载荷包括高能X射线望远镜(简称为HE)、中能X射线望远镜(简称为ME)和低能X射线望远镜(简称为LE)(见图1)。由于不同能量的X射线辐射起源于天体上不同的物理过程，HE、ME、LE在不同的波段同时观测一个天体，可以获得有关天体活动的更全面和准确的数据。
注：图中中心18个探测单体组成HE，左侧3个带遮光罩的机箱为LE，右侧是ME的3个探测器机箱。
图1 HXMT卫星有效载荷结构
HE整体结构为圆柱形，包括18个碘化钠(铊)/碘化铯(钠)[NaI(TI)/CsI(Na)]复合晶体探测器单体(见图2)。
图2 HXMT的HE主探测器(左)及荷电粒子屏蔽探测器(右)
HE的工作原理是：当X射线光子入射到NaI晶体时，晶体发出闪烁光，被后面的光电倍增管(PMT)收集，完成对一个X射线光子事例的探测。但是，除了从被观测天体发出的X射线会在探测器上产生信号外，来自于其他方向的X/γ射线以及荷电粒子入射到NaI晶体上也可能产生信号，构成探测本底。
在HE的设计中，采取了几个方面的措施，以压低本底计数，提高观测灵敏度。①采用被动屏蔽技术，在晶体探测器的上方用高原子序数的钽(Ta)做成准直器，在晶体的周围放置钽屏蔽环，以阻止视场以外的高能光子或荷电粒子入射到晶体上。②采用复合晶体技术，HE主探测器包括NaI和CsI两层晶体，其中上层的NaI晶体为主晶体，用于探测目标天体的X射线，下层CsI则可以记录从背面入射的X射线。虽然NaI和CsI的信号均由后面的同一个PMT读出，但2种信号的时间特性不同，可以甄别。如果一个事例在CsI晶体上产生信号，则可以作为本底事例被排除。③采用荷电粒子反符合屏蔽技术。在18个HE主探测器阵列的顶部和侧面覆盖塑料闪烁体构成荷电粒子屏蔽探测器，当荷电粒子穿过塑料闪烁体时会产生信号，而塑料闪烁体对穿过的X射线基本无反应，因此，当主探测器和反符合屏蔽探测器同时记录到一个事例时，这个事例极可能是荷电粒子引起的，可以作为本底事例被排除掉。为了保证HE能谱响应的正确性，HE还携带有在轨标定探测器。
ME包括3个探测器机箱(见图3)，每个机箱包含3个可独立工作的模块，每个模块由准直器、探测器和前端电子线路3部分构成。ME采用864片硅光二极管(Si-PIN)探测器构成总面积约952 cm^2的阵列，用专用集成电路(ASIC)读出。Si-PIN探测器的工作原理是：能量为E的X射线与Si-PIN探测器发生作用，其能量全部消耗在探测器的有效体积内，并转化成电子空穴对，电子在偏压电场的作用下被收集，通过电子线路读出，形成一个事例，电子空穴对的数目与入射X射线光子的能量成正比，因此根据读出信号的大小可以推算出光子的能量。ME所用Si-PIN探测器为国内自行研制，厚度为1 mm，探测能区5~30 keV，与LE及HE的观测能区之间有很好的交叉覆盖。
图3 HXMT的ME的1个探测器机箱结构
与HE相似，来自于其他方向的X/γ射线和空间带电粒子也会在ME探测器上造成本底事例，因此ME也采取了几项本底屏蔽措施，包括在探测器的前方安装准直器、在探测器机箱内壁贴加薄钽(Ta)片等。此外，部分本底事例是带电粒子和卫星结构相互作用产生的次级效应，会同时在几个探测器面元上产生信号，而入射的源X射线光子只会在1个探测器上产生信号，因此ME还可利用探测器面元之间的交叉反符合，进一步降低ME的本底水平，提高探测灵敏度。
LE也包括3个探测器机箱，每个机箱的结构如图4所示，包括遮光罩、准直器、探测器和前端电子线路等几个部分。LE选用扫式电荷器件(SCD)作为探测器，由于LE探测的是低能X射线光子，它们在探测器上产生的信号很弱，为了降低LE的低能探测阈值，提高能量分辨率，SCD必须工作在-80~-40°C的低温状态下以降低系统噪声。LE安装了热管，可以将SCD产生的微小热量传递至遮光罩，再辐射到宇宙空间，以保证探测器的低温工作环境。LE也采用与ME相同的本底抑制措施，带电粒子在LE上产生的1~6 keV之间的本底几乎可以全部屏蔽或反符合掉，大大提高了LE观测宇宙X射线辐射的能力。
图4 HXMT的LE的1个探测器机箱结构
3 对空间探测技术的推动
HXMT采用了多项国际先进水平的载荷技术，在卫星背景型号研究期间，取得多项创新性技术成果，显著提升了我国的空间探测能力。
(1)低噪声、高能量分辨率X射线探测技术
HXMT的LE采用扫式电荷器件SCD，它是一种特殊类型的X射线CCD，具有时间分辨率高、能量分辨率高、探测阈值低等优点。已研制成功的LE样机能量分辨率在6 keV处达到128 eV，接近Si探测器的法诺极限，优于SCD生产厂家探测器测试电路的性能，使我国X射线探测器读出电路的研制能力达到了国际先进水平。
在LE读出电路技术的基础上，利用近年来数字化电路技术的发展成果，项目组还正在研制硅基X射线探测器的“零”噪声读出电路，以便进一步降低X射线探测器的低能探测阈值，提高其在低能段的能量分辨率，推动深空探测和空间天文的发展。
1)长期以来，X射线谱仪是深空元素丰度探测的主要工具，但是，由于系统噪声较高，这些仪器主要探测构成天体岩石的镁、铝、硅、钙、铁等重元素(主要荧光谱线能量高于1keV)，但无法探测碳、氮、氧等轻元素。“零”噪声电路技术使得X射线探测器能够探测并清晰分辨碳、氮、氧等元素发出的α射线(能量分别在0.28、0.39和0.52keV左右)。由于碳、氮、氧是组成有机物的主要成分，该项技术将可以显著提高在深空探索地外生命的能力。
2)由于受大气吸收的影响，太阳X射线不能到达火星、金星、木星等有大气的星体表面；同时，星体表面如存在X射线辐射，则也不能穿越大气到达环星轨道飞行器。但是，当太阳X射线照在大气层的外面，就可以激发大气物质发出X射线荧光，如果外层大气电离度不同，荧光线的中心能量还会有小的差别。由于构成大气的主要元素是碳、氮、氧等，用以往的X射线探测器难以观测，在配备了“零”噪声读出电路后，X射线探测器就可以研究这些星体外层大气的成分和性质。
3)在恒星演化的大部分时间内，都是通过氢聚变为氦来提供辐射的能量并抵抗星体的引力收缩。“碳氮氧循环”是氢聚变合成氦的主要方式之一，即从碳开始不断与氢原子聚变依次生成氮、氧，氧再衰变产生碳和氦，在这一循环中4个氢原子合成1个氦原子，同时释放能量和中微子。“碳氮氧循环”对大质量恒星的演化尤其重要，而大质量恒星又是产生星际高温气体的主要原因。用X射线探测器配备“零”噪声电路观测银河系星际高温气体中的碳、氮、氧等元素，可以提供研究银河系和恒星演化的独特工具。
(2)Si-PIN探测器和读出专用集成电路技术
ME采用864片Si-PIN探测器，但是星上供电能力的限制和高可靠性的要求使得无法采用分立器件搭建864路读出电路。为此，ME采用了ASIC芯片，可以同时读出几十路Si-PIN探测器的信号，大大降低了星上电子线路的规模、系统功耗和温控难度，提高了可靠性。ASIC技术的成功应用，为大型阵列式地面和空间X射线探测器的建造奠定了重要的技术基础。
HXMT使用的Si-PIN探测器为国内自行研制，其暗电流、能量分辨率等指标与国际先进产品相当，说明通过HXMT等项目的实施，已经掌握了生产Si-PIN探测器的技术。目前，国内市场上大多数元素成分X射线荧光分析仪广泛使用的探测器即为Si-PIN，但基本都是进口产品，ME和电子技术的推广将可以实现该类X射线荧光分析仪的国产化。
(3) 硬X射线探测器技术
HXMT的HE所使用的闪烁晶体探测器主要探测硬X射线辐射，将这种探测器用于对地观测，可有效监视地面的核爆炸以及来自于地球大气上层的γ射线(terrestrial gamma-ray flash，简称TGF)等。
从1963年10月起，美国空军发射了“维拉”(Vela)系列卫星，来监视美英苏禁止核试验条约的执行情况。Vela从西班牙语词Velar而来，意为“放哨”。Vela卫星主探测器具有与HXMT的HE探测器相似的结构，也由准直器、NaI闪烁晶体和光电倍增管组成，2颗Vela卫星在空中能完成对X射线爆发现象的粗略定位。其中，1967年7月2日，Vela-4a、4b就探测到了来自于地球和太阳之外的宇宙γ射线暴，这是迄今人类所知除宇宙大爆炸之外{zg}能量的爆发。空中较高能量的xx爆炸也会出现X射线闪，从而被闪烁晶体探测器卫星发现。因此，HXMT所应用的探测技术能够监测来自人类的核试验和其他空中剧烈爆炸事件。
地球雷暴区的上空也可能出现γ射线爆发现象(即TGF)，辐射功率可达百万至千万瓦，持续时间仅为百毫秒甚至几毫秒。TGF的产生区极可能存在几十到百万伏的高电压、大量的高速电子流等，当航天器进入这些区域时很可能遭到破坏。近年来，NASA发现空间确实存在高速电子流，这被认为很可能是破坏航天器的主要原因，但是，由于这类研究的结果与军事有密切关系，一直处于保密或半保密状态。随着我国空间活动的不断增加，航天器的安全研究越来越重要，HXMT的HE硬件技术及其对TGF的观测研究对我国航天器的安全有着越来越高的价值。
4 项目现状
1994年，中国科学院高能物理研究所提出建造HXMT的建议。2000年，以HXMT预研为主要内容的973项目“天体高能辐射的空间观测与研究”立项，在随后的5年里，高能物理研究所与清华大学等单位合作进行HXMT预研，建成HXMT地面样机。2005年，原国防科工委对“十一五”民用航天空间科学项目进行评审，这是中国首次对空间科学卫星项目进行全面的评审，HXMT被遴选为空间科学卫星项目。同年10月，HXMT背景型号研究启动。
2007年3月，国防科工委发布《“十一五”空间科学发展规划》，HXMT被列为主要的科学卫星项目。该规划明确提出“自主研制‘硬X射线调制望远镜’，计划2010年发射上天，实现我国天文卫星零的突破，在黑洞物理研究等领域取得突破”。2007年9月，完成HXMT立项技术可行性论证。2008年4月，原国防科工委委托中咨公司完成HXMT立项可行性评估。
2008年7月，中国航天科技集团完成HXMT背景型号研究任务的验收。在背景型号研究期间，完成了HE主要部件工程样机的研制和环境试验，完成ME和LE原理样机的研制，所有仪器均达到或超过设计技术指标。背景型号研究任务完成后，在没有经费支持的情况下，为了保证卫星研制不中断，项目承担单位继续借款进行了卫星方案和有效载荷的研制，先后完成了LE和ME模型样机的研制，并将在数月内完成工程样机的研制。虽然HXMT有效载荷使用了大量新的前沿技术，但通过前一段时间的工作，已经攻克了所有的关键技术，积累了大量的经验，一旦工程立项，就可以在短时间内完成卫星研制，实现中国人的空间望远镜之梦。
收稿日期：2009-09-25
原载《国际太空》2009年12月号
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