慧眼卫星在轨运行五年回顾

以下文章来源于现代物理知识杂志 ，作者刘聪展

现代物理知识杂志.

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导读：

慧眼-HXMT 卫星已经在轨科学运行五年多，Radiation Detection Technology and Methods 邀请慧眼团队对慧眼卫星低能、中能和高能望远镜的性能、本底模型和在轨标定情况进行了综述，结果表明慧眼卫星整体性能稳定，通过持续、高精度的在轨标定，仍能满足科学观测和数据分析的需要。期刊文章请点击页末原文链接。

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我国第一颗空间X射线天文卫星 / 慧眼

硬X射线调制望远镜（HXMT）于 2017 年 6 月 15 日成功发射，进入高度 550 千米、倾角 43 度的预定轨道，命名为“慧眼”卫星，以纪念我国高能天体物理领域的开拓者何泽慧先生。

慧眼卫星是我国第一颗空间X射线天文卫星，使我国在高能天体物理领域实现了跨越式发展，显著提升了我国在该领域的国际地位和影响力。至 2023 年 6 月 15 日，慧眼卫星将在轨运行6 周年整，远超其四年的设计寿命，表明我国已跻身国际上少数能够自主研制并有效运行长寿命 X 射线天文卫星的国家。

图1: 慧眼观测到双中子星合并艺术图

慧眼卫星的主要科学目标是：(1) 实现宽波段搜寻银盘面上新的暂现源，监测已知变源；(2) 观测X射线双星以研究强引力场或强磁场中物质的运动和辐射机制；(3) 监测研究伽马射线暴和引力波电磁对应体。

为此慧眼卫星配置了三台准直型望远镜，分别是高能 X 射线望远镜(简称 HE，NaI(Tl)/CsI(Na )复合晶体探测器，20-250

, 5100

)、中能 X 射线望远镜(简称 ME，Si-PIN探测器，5-30

, 952

)和低能 X 射线望远镜(简称 LE，SCD探测器，1-15

, 384

)，从而实现1-250

能区的扫描巡天和高时间分辨率、高能谱分辨率的定点观测。

慧眼卫星开启了黑洞、中子星硬X射线快速光变和能谱研究的新窗口，同时在 HE 低增益工作模式下，利用其 CsI(Na) 晶体的高能探测能力，可以监测超过一半天空在0.2-3

的暴发现象。

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延寿的慧眼可靠吗？/ 可靠

慧眼卫星入轨近 6 年以来，获取的大量高质量观测数据产出了一大批原创性科研成果，这得益于载荷工作的稳定和对载荷性能的充分了解。利用慧眼在轨前 5 年的数据，我们研究了载荷自身性能及望远镜本底的长期演化，形成了一组文章发表在RDTM 上，结果表明慧眼卫星整体性能稳定，个别参数受空间环境影响表现出退行性演化特征，但通过良好的在轨标定仍能满足科学观测和数据分析的需要。

图2: 慧眼三个载荷的示意图

HE 的 NaI(Tl) 探测器在发射前有轻微潮解，入轨后，真空环境使得局部潮解的晶体缓慢恢复，表现为前三个月系统增益有较明显增大，随后趋于稳定。得益于在轨自动增益控制系统（AGC）的设计，HE/NaI(Tl) 探测器系统增益 5 年间的变化小于 1%，而 HE/CsI(Na) 探测器无 AGC 设计，其增益持续缓慢增大，需每个月对其增益进行高精度在轨定标。

ME 的 Si-PIN 探测器受空间辐照影响，部分探测器性能退化被关闭，经 5 年在轨运行仍有 742

的探测器性能良好，其系统增益变化约 1.43%，能量分辨率退化约 0.91%。

相对于 HE 和 ME，LE 采用的 SCD 探测器更易受到空间辐照的影响，表现在器件损坏和性能退化，5 年间，96 片探测器中只有 7 片损坏，其他探测器的噪声和增益性能持续缓慢退化，导致 LE 在 6

处的能量分辨约以每年 50

的速度变差，2

以下有效面积显著减小，但是我们对LE性能进行了精确的在轨标定，可使其能谱测量系统误差小于 1.5%。

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慧眼的本底背景 / 稳定

准直型望远镜的本底通常较高，但是利用慧眼卫星三个望远镜独特的小视场、大视场和盲视场组合设计，可对带电粒子和宇宙弥散 X/γ 射线造成的本底进行参数化，使得在轨本底估计在过去 5 年间保持在误差约2%的高精度水平。LE 和 ME 的本底并未表现出明显随时间演化的特征，其少量变化主要是由于空间辐照引起的探测器性能退化造成的，为保持准确性，我们仍然每年定期修正其本底模型参数。

图3：慧眼观测到磁星艺术图

与 LE 和 ME 不同，HE 的本底呈现出逐步增加并趋于稳定的演化趋势，主要是空间高能粒子引起的 HE 探测器及周边材料的活化本底的贡献，需要在本底模型中加以修正。过去 5 年间，慧眼卫星各望远镜本底模型有效且保持了较高精度，本底演化符合我们对载荷性能及空间环境理解的预期。

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慧眼对蟹状星云脉冲星的追踪 / 检验

利用慧眼卫星对蟹状星云脉冲星四年的标定观测数据，结合国外天文卫星 NICER、RXTE 的观测结果，对 HXMT 卫星高能望远镜的性能进行了长期监测，结果表明HE载荷工作正常，性能稳定。科研人员利用这些标定观测开展了蟹状星云脉冲星长期演化性质的研究，检验并确认了X射线流量与脉冲星自转能损演化的相关性，并发现该相关性与脉冲相位、能段关系不大，为蟹状星云脉冲星的长期演化研究提供了 30-250

能段的观测结果。

图4: 慧眼追踪蟹状脉冲星艺术图

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慧眼团队 / 自豪

慧眼卫星由李惕碚院士提出，在 2011 年正式进入工程研制阶段，2017 年 6 月15 日成功发射，开展科学观测。张双南研究员任首席科学家，卢方军研究员任有效载荷总师，徐玉朋研究员任有效载荷副总师，宋黎明研究员任地面应用系统副总师，刘聪展任高能望远镜主任设计师，曹学蕾和姜维春分别任中能望远镜主任设计师和副主任设计师，陈勇和崔苇苇分别任低能望远镜主任设计师和副主任设计师。此次专辑中论文一作李旭芳、谭颖、李小波、廖进元、赵海升及其他作者均是慧眼载荷研制团队及地面科学中心团队骨干成员。

图5: 慧眼团队与载荷合影

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慧眼稳定运行 / 未来可期

作为中国首个空间X射线天文卫星，慧眼卫星所有载荷设备都是新研产品，多项关键技术是国内首次空间应用，高可靠性设计是其长期在轨稳定运行的基础，恶劣空间环境尤其是空间辐照是造成望远镜探测器性能退化的主要原因。慧眼卫星的成功表明，利用高精度的地面标定及定期在轨标定建立准确的望远镜物理模型和修正在轨性能变化，是准确反演观测数据得到正确科学结果的有效手段。

END

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原标题：《慧眼卫星在轨运行五年回顾》

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