用于X射线脉冲星导航的探测系统关键技术研究

X射线脉冲星导航是通过探测深空脉冲星的周期性X射线脉冲，来确定航天器的位置、速度和姿态等的新型自主导航技术。基于X射线脉冲星的自主导航技术尤其适用于深空探测和各类军事卫星，是近年来美国和欧盟以及日本等国家的研究热点。脉冲星导航的核心之一是X射线脉冲的探测技术，X射线探测系统的灵敏度（探测效率）和时间分辨精度决定了整个导航系统的精度，也是信号解算和导航算法的基础。.本项目针对用于X射线脉冲星导航的探测系统，提出基于微通道板（MCP）的X射线探测器和相应的电子学读出系统，以测量X射线脉冲的到达时间（TOA）。方案采用碘化铯光阴极和MCP进行光电转换、电子倍增、电荷收集，以及快速电流灵敏前置放大、恒比定时和时间数字转换进行光子时间测量，从而获得X射线脉冲的到达时间。该项目的研究可以解决深空X射线脉冲的探测关键技术，为未来脉冲星导航的可持续性发展和工程化需要奠定基础。

随着卫星导航技术的发展和对自主导航日益迫切的要求，近几年各航天大国都在X射线脉冲星导航研究领域开展了大量研究工作，该方法的可行性已经得到了国际导航届的认可。本项目在调研国内外探测器研究与应用发展的基础上，对应用于X射线脉冲星导航系统的探测器性能需求进行了分析，提出基于MCP的X射线探测器方案，对其关键技术进行攻关，取得了如下成果：（1）理论分析并建立了MCP探测器时间响应机理，优化了探测器设计以减小系统时间弥散；（2）研究并建立了CsI光电阴极材料、结构、厚度与量子效率的关系，提出复合式光电阴极方案，制备了复合式光电阴极，实验验证了该方案对探测效率的提升；（3）设计研制了微带线接收阳极，提高系统时间分辨；（4）设计研制了探测器读出电子学，并研制了20cm2探测器原理样机，测试了其性能指标；（5）研究了工程化应用的大面积MCP探测器拼接方案，研制了2×2阵列的探测器样机，设计研制了共享阳极并实验验证了其可行性；（6）针对X射线脉冲探测器测试标定的需求，研制了探测器测试标定光源，用以实验验证探测器的探测效率、时间分辨、能谱响应、脉冲轮廓提取能力等性能，对该光源进行了科技成果鉴定，鉴定委员会认为该成果技术先进，具有原创性，已得到实际应用，其整体性能指标处于国际先进水平。本项目的研究解决了我国脉冲星导航发展的部分探测器技术及相关的电子学技术、脉冲星模拟源技术，为未来脉冲星导航的可持续性发展和工程化奠定了技术基础。