嫦娥一号X射线谱仪定标

　　我国第一颗月球探测卫星—嫦娥一号于2007年10月24日成功发射,并于11月7号顺利进入高度200km,周期127分钟的极月轨道。嫦娥一号卫星将在绕月一年时间内获取月球表面三维影像、分析月球表面有关物质元素的分布、探测月壤厚度、探测地月空间环境等。

　　X射线谱仪是嫦娥一号有效载荷之一,主要科学目标是在一年时间内通过对月表X射线荧光的探测,获得Mg、Al、Si等元素的绝对丰度分布,通过研究这些元素的分布,可以获得月面岩石的组成,为检验月球形成与演化模型提供重要的信息。

　　在交付卫星之前,X射线谱仪经过了定标和地面验证试验。本文给出的X射线谱仪正样发射件定标结果,反映了仪器在发射前的性能状态,也是进行在轨测量数据反演的重要依据。

　　1　X射线谱仪构成

　　X射线谱仪由太阳X射线监测器(SXM)、月球X射线探测器组成(图1)。月球X射线探测器有4路低能X射线探测单元(SXD)和16路高能X射线探测单元(HXD),分布在两个相互垂直的准直器内形成两个独立探测阵列(图2)。

　　包括太阳监测器在内的21路探测单元采用的都是Si-PIN半导体探测器。其中SXD单元灵敏面积为0. 25cm2,探测能区为1 -10keV;HXD单元灵敏面积为1cm2,探测能区为10-60keV;而太阳监测器灵敏面积仅为0.2mm2,探测能区为1-10keV。

　　2　X射线谱仪定标

　　要反演和分析X射线谱仪测量数据,就必须充分了解探测器的响应。一般探测器的响应表现为:探测效率、能量与脉冲幅度(能道)关系、能量分辨率随能量变化关系、角度响应等。

　　2·1　X射线探测效率

　　SXD和SXM采用带制冷的Si-PIN探测单元,其耗尽厚度为500μm,前端有12.5μm厚的铍窗可以遮蔽可见光。而HXD采用的室温Si-PIN探测单元,耗尽厚度为380μm,前端遮光铝膜为12μm。图3给出两种探测器单元对X射线的全能峰探测效率理论计算曲线(X射线沿探测器法线入射)。由于铍窗的吸收,SXD对Mg(1.25keV)、Al(1.48keV)、Si(1.74keV)的Kα特征X射线探测效率分别为:0.50、0.65、0.78。

　　2·2　能量与脉冲幅度(能道)关系

　　在进行能谱测量时,探测器输出脉冲幅度与入射粒子能损成正比。脉冲幅度通过ADC转换成能道,能量E与能道Ch有线性关系:

　　其中G为增益,E0为截距。

　　对于SXD和SXM,采用X射线光管产生X射线轰击单元素金属靶产生特征X射线,并测量其能谱;然后对能量Ei的特征线进行高斯拟合,获取特征线峰位能道Chi和半高全宽FWHMi;最后对每组(Chi,Ei)数据点进行线性拟合,得到G和E0。表1给出用于测量和拟合的7种元素的特征线能量值。图4为SXD单元1111-9测量各元素特征线能谱。