硅光電倍增管在日冕研究中的應(yīng)用

日冕是太陽(yáng)最外層的大氣層，由于其比太陽(yáng)表面高出數(shù)百萬(wàn)度的極端溫度，及其對(duì)地球空間天氣（SpaceWeather）的重大影響，從而成為科學(xué)研究的主要焦點(diǎn)之一。日冕由等離子體（一種熾熱的電離氣體，其原子完全或部分失去電子）和塵埃組成，并不斷膨脹進(jìn)入星際空間，形成太陽(yáng)風(fēng)。

耀斑和日冕物質(zhì)拋射（CME）等太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)起源于日冕，可在太陽(yáng)風(fēng)內(nèi)形成大規(guī)模等離子體結(jié)構(gòu)。當(dāng)這種現(xiàn)象到達(dá)地球時(shí)，會(huì)擾亂衛(wèi)星、電網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò)，甚至對(duì)宇航員的健康構(gòu)成威脅。

研究日冕具有挑戰(zhàn)性。傳統(tǒng)的日冕儀使用掩星盤來(lái)遮擋陽(yáng)光，但衍射限制了其效率。日全食雖然能提供觀測(cè)日冕的機(jī)會(huì)，但這種機(jī)會(huì)既短暫又稀少。增進(jìn)我們對(duì)日冕、太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射（CME）的了解，對(duì)于預(yù)測(cè)地磁風(fēng)暴和減輕對(duì)人類技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施的潛在影響至關(guān)重要。

歐洲航天局（ESA）的Proba-3任務(wù)將使人們能夠比以往任何時(shí)候都更靠近太陽(yáng)邊緣去研究太陽(yáng)的稀薄日冕。Proba-3利用兩顆衛(wèi)星模擬日食，從而克服了上述限制。該項(xiàng)目將運(yùn)用前沿技術(shù)對(duì)兩個(gè)航天器進(jìn)行精確定位與操控，為未來(lái)需要協(xié)同配合的太空任務(wù)開(kāi)辟道路。

在接受采訪時(shí)，安森美（onsemi）公司Proba-3 項(xiàng)目首席工程師Steven John Buckley重點(diǎn)介紹了這項(xiàng)先進(jìn)的天基日冕儀任務(wù)，該任務(wù)利用硅光電倍增管（SiPM）傳感器實(shí)現(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)日冕的精確研究。該任務(wù)的獨(dú)特設(shè)計(jì)和傳感器技術(shù)使科學(xué)家們能夠在太空中進(jìn)行高精度測(cè)量，克服環(huán)境挑戰(zhàn)以獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

“這個(gè)項(xiàng)目大約始于七年前，最初由一家名為sensL的初創(chuàng)公司推動(dòng)，該公司后來(lái)被安森美收購(gòu)。因?yàn)槲覀冊(cè)诘凸饷魝鞲衅骱凸韫怆姳对龉芊矫娴募夹g(shù)能力，歐洲航天局找到了我們，"Buckley說(shuō)?！爱?dāng)即將發(fā)生日全食時(shí)，科學(xué)家們非常高興，因?yàn)樗麄兿胍芯咳彰?。然而，挑?zhàn)在于太陽(yáng)比日冕亮100萬(wàn)倍。了解太陽(yáng)耀斑至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈儠?huì)影響地球的空間天氣，甚至有可能影響從電信乃至食品安全的各個(gè)方面?！?/p>

這項(xiàng)任務(wù)將持續(xù)兩年，完成后，衛(wèi)星的軌道將自然衰減，并在五年內(nèi)重返大氣層。首批結(jié)果預(yù)計(jì)將在發(fā)射四個(gè)月后公布，屆時(shí)將揭示對(duì)日冕前所未有的發(fā)現(xiàn)。Proba-3計(jì)劃于12月4日從印度位于斯里赫里戈達(dá)島(Sriharikota)的薩迪什達(dá)萬(wàn)（SatishDhawan）航天中心用PSLV-XL火箭發(fā)射升空。

飛行任務(wù)

在空間科學(xué)領(lǐng)域，編隊(duì)飛行已變得相當(dāng)重要，因?yàn)樗峁┝藬U(kuò)大觀測(cè)能力和改善分辨率限制的可能性。為了實(shí)現(xiàn)不同的科學(xué)目標(biāo)，自20 世紀(jì)末以來(lái)，提出了一些基于多航天器編隊(duì)的飛行任務(wù)設(shè)想。

盡管其中許多概念曾因價(jià)格昂貴和技術(shù)限制而被擱置，但新世紀(jì)以來(lái)空間技術(shù)的發(fā)展使編隊(duì)飛行任務(wù)變得更加可行。根據(jù)編隊(duì)飛行的理念，各機(jī)構(gòu)已經(jīng)有效地執(zhí)行了諸如CLUSTER、GRACE和 Cosmo-SkyMed等多個(gè)項(xiàng)目，證明了在相似軌道上使用多個(gè)航天器的優(yōu)勢(shì)，提供了迄今為止前所未有的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)編隊(duì)飛行的最佳性能，主動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)于航天器的精確相對(duì)定位和穩(wěn)定至關(guān)重要。這需要復(fù)雜的測(cè)控技術(shù)、先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和強(qiáng)大的控制算法。

作為歐洲航天局在軌演示計(jì)劃的一部分，PROBA-3任務(wù)標(biāo)志著編隊(duì)飛行技術(shù)的重大進(jìn)步。該計(jì)劃使用兩顆衛(wèi)星在軌道上模擬日食，目的是獨(dú)立實(shí)現(xiàn)并維持編隊(duì)飛行，相對(duì)位置控制精度低至毫米級(jí)。

實(shí)驗(yàn)將在距地球6萬(wàn)多公里的高度橢圓的軌道上進(jìn)行。主要工作將在這一軌道的最高點(diǎn)展開(kāi)，那里的重力、磁力和大氣層的干擾最小，操縱衛(wèi)星的燃料消耗也較低。

被稱為日冕儀的衛(wèi)星攜帶照相機(jī)，被稱為掩星器的衛(wèi)星則攜帶太陽(yáng)遮光盤。為了確?？煽康臄?shù)據(jù)采集，校準(zhǔn)機(jī)制必須能夠補(bǔ)償任何偏差，并抵消衛(wèi)星之間的巨大距離。通過(guò)可達(dá)30度的重新定位精度，編隊(duì)距離可以在25米到250米之間調(diào)整。該項(xiàng)目的目標(biāo)是驗(yàn)證精確編隊(duì)飛行測(cè)量的理念，包括制造、數(shù)據(jù)采集、維護(hù)、調(diào)整距離和重新定位。

衛(wèi)星以自由旋轉(zhuǎn)模式進(jìn)入軌道，在這種模式下，衛(wèi)星被動(dòng)地圍繞地球旋轉(zhuǎn)，從而節(jié)省燃料。當(dāng)衛(wèi)星到達(dá)軌道最遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)，它們會(huì)使用對(duì)準(zhǔn)機(jī)制收集四小時(shí)的數(shù)據(jù)，然后恢復(fù)自由旋轉(zhuǎn)模式。

在最近的一次簡(jiǎn)報(bào)會(huì)上，歐洲航天局（ESA）通訊部門的EmmettFletcher介紹了此次任務(wù)及其主要參與者，包括ESA的技術(shù)、工程和質(zhì)量主管DietmarPilz；ESA的Proba-3項(xiàng)目負(fù)責(zé)人DamianGalano；SENER空間與科學(xué)業(yè)務(wù)發(fā)展總經(jīng)理DiegoRodríguez；以及Proba-3任務(wù)科學(xué)家JoeZender。簡(jiǎn)報(bào)會(huì)強(qiáng)調(diào)了任務(wù)的目標(biāo)、技術(shù)挑戰(zhàn)以及來(lái)自14個(gè)ESA成員國(guó)超過(guò)40家公司的合作努力。

“這項(xiàng)任務(wù)代表了歐洲航天局技術(shù)與工程能力的巔峰,”歐洲航天局的技術(shù)、工程和質(zhì)量主管DietmarPilz說(shuō)?！癙roba-3不僅僅是為了挑戰(zhàn)衛(wèi)星的極限，也是為了增進(jìn)我們對(duì)太陽(yáng)系的理解。”

Proba-3的益處不僅限于太陽(yáng)科學(xué)。如上所述，此次飛行任務(wù)還將測(cè)試航天器精確定位的新技術(shù)，利用傳感器和算法保持毫米級(jí)精度的對(duì)準(zhǔn)。這些技術(shù)，以及為這次任務(wù)開(kāi)發(fā)的其他技術(shù)，包括自主導(dǎo)航和先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)，為未來(lái)的太空探索鋪平了道路。這些進(jìn)步對(duì)于實(shí)現(xiàn)大型分布式儀器和多衛(wèi)星任務(wù)至關(guān)重要，這些任務(wù)旨在進(jìn)行更深入的天文研究、系外行星探測(cè)以及地球觀測(cè)。

“Proba-3是國(guó)際合作與創(chuàng)新的典范,”SENER的空間與科學(xué)部門負(fù)責(zé)人DiegoRodriguez說(shuō)：“它是對(duì)我們?nèi)绾瓮黄瓶臻g技術(shù)界限的一個(gè)證明?！?/p>

對(duì)日冕儀精確對(duì)準(zhǔn)的需求

日冕儀的作用是制造"假日食"，即用一個(gè)圓盤擋住太陽(yáng)光，從而觀測(cè)到日冕。對(duì)準(zhǔn)必須精確到毫米以內(nèi)，以確保日冕觀測(cè)不受陽(yáng)光干擾。

由于太陽(yáng)的亮度比日冕強(qiáng)幾百萬(wàn)倍，即使是微小的偏差也會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)光的影響，使照相機(jī)不堪重負(fù)，妨礙科學(xué)觀測(cè)。

理想的對(duì)準(zhǔn)要求掩星器與日冕儀之間的距離為150米，這帶來(lái)了工程上的挑戰(zhàn)——尤其考慮到衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行時(shí)的距離是變化的，如前所述。這就需要極其精確的定位系統(tǒng)來(lái)確保準(zhǔn)確的相對(duì)位置。

硅光電倍增管在對(duì)準(zhǔn)中的作用

搭載在日冕儀衛(wèi)星上的四個(gè)工作于光伏模式的硅光電倍增管（SiPM）追蹤由掩星器衛(wèi)星產(chǎn)生的陰影。這些傳感器監(jiān)測(cè)光照水平，隨后將數(shù)據(jù)輸入算法中。通過(guò)分析陰影的位置，該方法可以確定衛(wèi)星的對(duì)準(zhǔn)情況。日冕儀衛(wèi)星會(huì)調(diào)整其位置，以確保在X、Y和Z軸上保持精確的對(duì)準(zhǔn)（分別在±1.6毫米、±1.6毫米和±1.5毫米的范圍內(nèi)）。

在對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中起關(guān)鍵作用的SiPM是一種光轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)⒐庾愚D(zhuǎn)化為可量化的電流。在這次任務(wù)中，它們以低偏置模式而非通常的高偏置模式工作。

“它基本上是一個(gè)轉(zhuǎn)換器，但并不是以我們通常使用硅光電倍增管的模式來(lái)運(yùn)行的,”安森美公司Buckley表示。SiPM的一個(gè)關(guān)鍵特性是其較大的表面積（3平方毫米），這使得它非常適合于這個(gè)應(yīng)用。

通常在反向偏置設(shè)置下工作以檢測(cè)單個(gè)光子的SiPM，在這次應(yīng)用中則是無(wú)偏置的。入射光產(chǎn)生的微小電流隨后被放大并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，用于后續(xù)處理。這些傳感器監(jiān)測(cè)由掩星器產(chǎn)生的陰影，并通過(guò)足夠靈敏地檢測(cè)光強(qiáng)度的細(xì)微變化來(lái)調(diào)整日冕儀的位置。

對(duì)準(zhǔn)過(guò)程：從光學(xué)到星軌定位系統(tǒng)

借助由葡萄牙Tekever提供的星間無(wú)線電鏈路，Proba-3雙衛(wèi)星將在軌道上確保實(shí)時(shí)距離更新和持續(xù)通信。利用特制的衛(wèi)星導(dǎo)航接收器，它們還將獨(dú)立確定各自在太空中的絕對(duì)位置。Proba-3的高度偏心軌道將覆蓋衛(wèi)星導(dǎo)航星座，并深入太空。先進(jìn)的相對(duì)導(dǎo)航技術(shù)將在兩顆衛(wèi)星相距約250米時(shí)實(shí)現(xiàn)精確編隊(duì)飛行。

基于視覺(jué)的傳感器初始系統(tǒng)使用廣角相機(jī)追蹤另一顆衛(wèi)星上的LED信號(hào)，從而測(cè)算兩者之間的距離。窄角相機(jī)則鎖定一個(gè)小型LED，以厘米級(jí)精度提供相對(duì)位置數(shù)據(jù)，二者相互補(bǔ)充。

掩星器衛(wèi)星上搭載的精細(xì)橫向和縱向傳感器使用激光照射日冕儀衛(wèi)星上的反射器，以實(shí)現(xiàn)更高的精度。通過(guò)反射回來(lái)的激光，可以得到毫米級(jí)精度的相對(duì)位置測(cè)量數(shù)據(jù)。

最后，陰影定位傳感器通過(guò)日冕儀衛(wèi)星主儀器鏡頭周圍的SiPM監(jiān)測(cè)日冕。如果陰影與日冕儀衛(wèi)星完全對(duì)準(zhǔn)，光照就會(huì)保持平衡；一旦出現(xiàn)偏差，則需要即時(shí)調(diào)整。

“這種定位系統(tǒng)包括多個(gè)傳感器以確保冗余。在理想情況下，僅需使用四個(gè)傳感器，但在太空環(huán)境中，保持冗余非常關(guān)鍵,”安森美公司Buckley表示。這些SiPM以非常高的分辨率檢測(cè)光線，并將光線轉(zhuǎn)換為納安級(jí)別的電流。

兩個(gè)航天器的對(duì)準(zhǔn)是由三種不同的技術(shù)驅(qū)動(dòng)的。日冕儀衛(wèi)星和掩星器衛(wèi)星的相對(duì)位置首先通過(guò)手動(dòng)或使用基礎(chǔ)設(shè)備進(jìn)行粗略的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)調(diào)整。隨后，利用激光進(jìn)一步校正兩顆衛(wèi)星的位置，從而提高對(duì)準(zhǔn)的精度。

在最后的對(duì)準(zhǔn)階段，SiPM傳感器追蹤來(lái)自太陽(yáng)日冕的光強(qiáng)度。通過(guò)測(cè)量均勻分布于360度的四個(gè)傳感器上的亮度——例如，北、南、東、西——該系統(tǒng)可以將日冕儀衛(wèi)星的位置調(diào)整到毫米級(jí)精度。通過(guò)調(diào)節(jié)衛(wèi)星的位置，以確保對(duì)準(zhǔn)保持在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。

太空環(huán)境中的技術(shù)考量

SiPM傳感器和相關(guān)電子設(shè)備中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)必須能夠承受惡劣的太空環(huán)境。元器件都經(jīng)過(guò)抗輻射加固處理，并經(jīng)過(guò)精心挑選，以承受極端溫度、輻射和機(jī)械應(yīng)力。

據(jù)Buckley 稱，用于地面測(cè)試的商業(yè)ADC 的太空認(rèn)證版本將取代其最初版本。這些元器件必須滿足溫度穩(wěn)定性和輻射耐久性的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。

天基日冕儀衛(wèi)星項(xiàng)目是空間技術(shù)和我們對(duì)太陽(yáng)現(xiàn)象理解的重大進(jìn)步。在對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)中使用SiPM，使研究人員能夠精確控制掩星器和日冕儀衛(wèi)星之間的對(duì)準(zhǔn)，從而獲得不受干擾的清晰日冕圖像，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。

科學(xué)家們指出，現(xiàn)有的模型在預(yù)測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)方面存在較大挑戰(zhàn)，顯然需要加以改進(jìn)。更精確的預(yù)測(cè)將幫助研究人員提前預(yù)見(jiàn)并減輕太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)衛(wèi)星、電網(wǎng)乃至航空交通的潛在影響。這些領(lǐng)域都對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)高度敏感。

“通過(guò)更深入的理解物理現(xiàn)象，我們可以改進(jìn)我們的建模，而隨著建模的改進(jìn)，我們可以改善衛(wèi)星的預(yù)測(cè)結(jié)果，減少對(duì)地球本身的影響?！盓SA專家在會(huì)議上說(shuō)。

Proba-3還將攜帶兩臺(tái)額外的科學(xué)儀器。第一個(gè)是DARA（達(dá)沃斯絕對(duì)輻射計(jì)），一種設(shè)計(jì)用來(lái)測(cè)量總太陽(yáng)輻照度的絕對(duì)輻射計(jì)。第二個(gè)是3DEES（三維高能電子光譜儀），這是一個(gè)技術(shù)演示儀器，用于測(cè)量VanAllen輻射帶中電子光譜的一款高精度科學(xué)儀器。