硬X射线调制望远镜卫星中能望远镜电子学可靠性预计

硬X射线望远镜卫星(HXMT)采用我国学者发展的直接解调成像方法,将实现宽波段X射线(1~250 keV)成像巡天,其中20~250keV的巡天具有世界最高的灵敏度和空间分辨率。HXMT巡天将发现大批超大质量黑洞和其它高能天体,分解宇宙X射线背景。HXMT也具有独特的观测黑洞双星等天体硬X射线快速光变的能力,可用以研究黑洞附近强引力场中的物质的动力学、粒子加速和辐射过程。根据HXMT科学目标需求,中国科学家为HXMT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,它们的能区相互重叠,构成一个从1~250 keV的宽波段覆盖,同时又可以彼此交叉标定,HXMT上还有一台可以测量卫星周围高能带电粒子种类、能谱和方向的小型空间环境监测器(SEM),这有利于更好地理解和模拟高能带电粒子对高能探测器本底造成的影响,也可用于星上设备的故障诊断。

中能望远镜ME基本功能是进行5~30keV能区的巡天以及定点观测。对高能望远镜HE在巡天观测中新发现源在中能X射线波段的性质给出限制,在定点观测中可以与HE、LE一起测量天体的全波段X射线能谱和多波段时变特性。

1　中能望远镜电子学概述

根据电子学的功能要求,划分电子学部分分为前端电子学,数据采集电子学,数据管理电子学三个主要的部分。其中前端电子学功能上包括放大成型、触发判选和峰值保持等,主要由ASIC芯片构成;数据采集电子学实现信号的控制与模数转换,主要由FPGA和ADC转换芯片构成。数据管理电子学的主要功能是完成数据的存储、在线分析和通讯传输,同样使用FPGA控制,由相应的接口芯片实现通讯功能,与载荷平台之间的接口采用LVDS与1553B两种规范。另外在数据管理电路与数据采集电路之间也采用LVDS规范完成数据交换。整个系统的电原理框图如图1所示。

硬X射线望远镜卫星(HXMT)有效载荷总体给出的中能望远镜ME可靠性指标是四年寿命末期,75%以上Si-PIN探测器单体能正常工作,可靠性指标为0.97。

2　保守的可靠性预计

系统的可靠性框图如图2所示。为了保证75%以上Si-PIN探测器单体能正常工作的目的,所有的数据处理、数据接口、数据管理和电源等模块必须能够正常工作,因此从可靠性角度来看,它们是串联的关系。而18个探测器模块是相互冗余的关系,每2个探测器模块由一个S9090模块提供高压电源,为了保证有14个探测器模块能够正常工作,必须保证9个高压模块中有7个正常工作,才可以使有效面积达到79%。通过公式(1)可以计算出模块的可靠度[1]。

n-冗余单元数;

K-要求正常工作的单元数字;

Rs-系统可靠度;

R-系统组成单元(各单元相同)的可靠度。