红外天文卫星巡天策略晨昏太阳同步轨道;凝视成像课件.ppt

1、2023-1-281 PAH巡天红外小卫星巡天红外小卫星许春许春,王仲翔王仲翔,邓劲松邓劲松 代表上海天文台等项目组代表上海天文台等项目组SITPSITP2023-1-282 报告主要内容报告主要内容 什么是什么是PAHPAH 研究研究PAHPAH的意义的意义 PAHPAH探测的总体指标设计探测的总体指标设计 PAHPAH探测红外天文卫星设计探测红外天文卫星设计 PAHPAH探测的其它空间手段探测的其它空间手段 关键技术关键技术 未来发展未来发展SITPSITP2023-1-283什么是什么是PAHPAH？研究研究PAHPAH的意义的意义I IPAHPAH：多环芳香烃：多环芳香烃 （Polyc

2、yclic Aromatic HydrocarbonPolycyclic Aromatic Hydrocarbon）多个苯环构成的碳氢化合物、含几十多个苯环构成的碳氢化合物、含几十到上百个碳原子到上百个碳原子 广泛存在于星际空间、恒星的星周盘、广泛存在于星际空间、恒星的星周盘、各类星系、彗星等各类星系、彗星等 控制着星际介质的化学和物理演化控制着星际介质的化学和物理演化 锁定锁定10-20%10-20%的宇宙碳元素生命分子形的宇宙碳元素生命分子形成中的可能作用成中的可能作用SITPSITP2023-1-284 研究研究PAHPAH的意义的意义IIIIn尚无尚无PAHPAH的全天观测的全天观测法

3、国法国AROMEAROME气球实验的低分辨率、低灵气球实验的低分辨率、低灵敏度银道巡天（敏度银道巡天（0.50.510Jy 10Jy）日本日本IRTSIRTS的的7 7天区低分辨率光谱天区低分辨率光谱巡天巡天日本日本AkariAkari暖任务期间的选源定点暖任务期间的选源定点观测观测ISOISO、SpitzerSpitzer等都是选源定点观测等都是选源定点观测Arome全天观测数据全天观测数据行星状星云行星状星云 NGC光谱光谱SITPSITP2023-1-285 PAHPAH的光谱特征的光谱特征PAHPAH在在3-123-12m mm m波段内有多组发射线系波段内有多组发射线系,包括包括3.

4、3,6.2,7.7,8.6,11.23.3,6.2,7.7,8.6,11.2m mm m等；等；C-HC-H拉伸拉伸(3.3(3.3 m)m)、C-HC-H弯曲弯曲(8.6(8.6、11.311.3 m)m)、C-CC-C拉伸拉伸(6.2(6.2、7.77.7 m)m)参照法国参照法国AROMEAROME，选择了通过寻找，选择了通过寻找3.33.3m mm m发射线来普查发射线来普查PAHPAH的方法的方法如果有更灵敏探测器和更大望远镜，并如果有更灵敏探测器和更大望远镜，并且能够覆盖到且能够覆盖到1515 m m，光谱探测是更好，光谱探测是更好的方式。不过可以进行光谱试验性探测的方式。不过可以

5、进行光谱试验性探测SITPSITP2023-1-286 如何观测如何观测PAH?PAH?PAHPAH的主要发射带在的主要发射带在3-153-15m m的红外的红外波段波段地球大气在红外波段有强烈吸收，地球大气在红外波段有强烈吸收，即使在所谓的红外窗口，地球大气即使在所谓的红外窗口，地球大气也有很强的背景辐射也有很强的背景辐射地面进行红外天文观测，常温望远地面进行红外天文观测，常温望远镜的红外仪器辐射限制了望远镜的镜的红外仪器辐射限制了望远镜的灵敏度灵敏度红外天文观测一般都要去太空观测，红外天文观测一般都要去太空观测，即使大气窗口，也是空间观测灵敏即使大气窗口，也是空间观测灵敏度高得多度高得多

6、红外天文卫星红外天文卫星SITPSITP2023-1-287 PAHPAH探测的初步考虑探测的初步考虑 国内红外天文观测基础薄弱，探国内红外天文观测基础薄弱，探测灵敏度有限，最好从巡天做起；测灵敏度有限，最好从巡天做起；选择具有较少历史观测数据的波选择具有较少历史观测数据的波段，灵敏度与国际数据有一定交段，灵敏度与国际数据有一定交叉叉 （1010-4-4-10-10-5-5 Jy Jy 或或1717星等）星等）在国内现有技术基础上，通过一在国内现有技术基础上，通过一定的关键技术攻关，就能实现的定的关键技术攻关，就能实现的技术能力作为科学目标确定的依技术能力作为科学目标确定的依据。据。在波段、灵

7、敏度、天区覆盖方面在波段、灵敏度、天区覆盖方面做了初步选择（右图做了初步选择（右图 NICENICE）（Near-Infrared Chinese ExplorerNear-Infrared Chinese Explorer）SITPSITP2023-1-288 PAHPAH搜寻与载荷设计搜寻与载荷设计同时对同时对PAH 3.3PAH 3.3m mm m 发射线及其两翼进行成发射线及其两翼进行成像，两者对比寻找发射线；像，两者对比寻找发射线；成像灵敏度成像灵敏度1717星等星等 (约约0.05mJy)0.05mJy)；进行全天区巡天，巡天时间进行全天区巡天，巡天时间 3 3年；年；望远镜观测视

8、场约望远镜观测视场约 1 1度，度，像元分辨率像元分辨率3 3；望远镜口径望远镜口径30cm30cm，能够利用，能够利用小卫星小卫星SITPSITP2023-1-289 望远镜探测灵敏度计算望远镜探测灵敏度计算对望远镜口径、工作温度、探测对望远镜口径、工作温度、探测器噪声、暗电流、天光背景、工器噪声、暗电流、天光背景、工作寿命、系统灵敏度等进行了组作寿命、系统灵敏度等进行了组合优化设计合优化设计望远镜口径望远镜口径30cm30cm、积分、积分600s600s、PSFPSF占占4 4个像元个像元3.33.3m m窄带窄带0.1mJy0.1mJy、3.33.3 m m 宽带宽带 0.03-0.04

9、mJy0.03-0.04mJy比较：比较：WISEWISE口径口径40cm40cm，温，温度度12K12K，积分，积分8 88.8s8.8s，RN 19RN 19电电子，子，PSFPSF占占9 9个像元个像元3.43.4 m m宽宽0.4mJy0.4mJySITPSITP2023-1-2810 红外卫星详细设计指标红外卫星详细设计指标3 3年内获得全天的近红外星表与星图；年内获得全天的近红外星表与星图；获得获得PAHPAH源的光度、空间分布特性；源的光度、空间分布特性；望远镜灵敏度（望远镜灵敏度（1010 minmin总曝光时间、总曝光时间、5 5s s信噪比）：信噪比）：l16.0 Vega

10、16.0 Vega星等或星等或0.0.1212mJymJy（3.23.23.43.4m mm m）、）、l17.5 Vega17.5 Vega星等或星等或0.03mJy0.03mJy（2.72.74.04.0m mm m）；）；望远镜口径望远镜口径30cm30cm，视场，视场1x11x1，像元分辨率，像元分辨率 3.5 3.5 （约（约3 3m mm m处）；处）；指向稳定度：单次曝光时间内优于指向稳定度：单次曝光时间内优于11；卫星总重量：卫星总重量：350kg350kg（含载荷（含载荷150kg150kg）。）。光学系统工作温度光学系统工作温度120K120K；探测器：探测器：1k1k1k

11、,1k,噪声噪声200e,200e,暗电流暗电流30e/s,44m mm,m,工作温度工作温度50K1010分钟）保持稳定（分钟）保持稳定（11）天文应用红外探测器天文应用红外探测器:读出噪声低于读出噪声低于200200电子，多次非破坏性阅读能力，暗电流低于电子，多次非破坏性阅读能力，暗电流低于3030电子电子/秒，波段覆盖到秒，波段覆盖到4.04.0m mm m，规模，规模1k 1k 1k 1k（注：这个指标远低注：这个指标远低于国际水平于国际水平）SITPSITP2023-1-2814空间制冷空间制冷利用晨昏太阳同步轨道良好的热环利用晨昏太阳同步轨道良好的热环境，加上机械制冷，能够将光学系

12、境，加上机械制冷，能够将光学系统制冷至统制冷至150K150K以下，日本的红外望以下，日本的红外望远镜远镜AKARIAKARI是个很好的例子是个很好的例子(加上自加上自身制冷机制冷可以将光学系统温度身制冷机制冷可以将光学系统温度降到降到50K50K以下以下)；初步热分析确认，在晨昏太阳同步初步热分析确认，在晨昏太阳同步轨道上，辐射制冷可以将光学系统轨道上，辐射制冷可以将光学系统制冷到制冷到120K120K左右，一个轨道内温度左右，一个轨道内温度波动波动0.5K0.5K；加上望远镜的多级制冷机，可以将加上望远镜的多级制冷机，可以将光学系统温度进一步降低光学系统温度进一步降低降低漏热设计是热设计的

13、关键降低漏热设计是热设计的关键目前国内（技物所）基本有空间制目前国内（技物所）基本有空间制冷能力，研发过几个空间局部制冷冷能力，研发过几个空间局部制冷卫星卫星SITPSITP2023-1-2815低温光学低温光学I I 国内低温光学系统研制能力较弱，只有过小口径国内低温光学系统研制能力较弱，只有过小口径全铝低温光学系统，不适用于天文卫星全铝低温光学系统，不适用于天文卫星 低温光学系统的技术核心在材料、低温光学系统的技术核心在材料、设计、加工、设计、加工、检测、装调检测、装调技术技术 按照天文应用，主要的空间低温光学系统一般采按照天文应用，主要的空间低温光学系统一般采用铍镜（美国）和碳化硅（用铍

14、镜（美国）和碳化硅（SiCSiC）（其他国家）（其他国家）本团队针对本团队针对PAHPAH红外卫星和其他空间低温光学需求，红外卫星和其他空间低温光学需求，研制了碳化硅光学系统研制了碳化硅光学系统 SiCSiC光学系统口径光学系统口径300mm300mm，采用了背部柔性支撑，采用了背部柔性支撑，多元材料消热结构、消热设计。技术可以直接推多元材料消热结构、消热设计。技术可以直接推广到广到1 1米级口径望远镜米级口径望远镜SITPSITP2023-1-2816低温光学低温光学IIII 建立了立式真空罐，避免装调过程中的重力变形建立了立式真空罐，避免装调过程中的重力变形 采用了采用了4D4D动态干涉仪

15、进行干涉图采集动态干涉仪进行干涉图采集 低温光学系统低温光学系统达到了在达到了在133K133K温度下系统波前误差温度下系统波前误差优于优于0.1250.125m m的性能，接近工作波段（的性能，接近工作波段（3.33.3m m）波长的波长的1/301/30。完全满足完全满足PAHPAH空间望远镜需求空间望远镜需求SITPSITP2023-1-2817 长时间稳定成像长时间稳定成像星敏感器卫星姿态测量精度较低，星敏感器卫星姿态测量精度较低，无法将卫星控制到天文观测需要无法将卫星控制到天文观测需要的稳定度，需要依靠导星仪，即的稳定度，需要依靠导星仪，即利用主光路星像来测量卫星指向利用主光路星像来

16、测量卫星指向研究团队进行了导星仪能力的研研究团队进行了导星仪能力的研究分析，确定方案可行究分析，确定方案可行国内已有能力进行红外卫星高稳国内已有能力进行红外卫星高稳定导航，如定导航，如SVOMSVOM等等长时间稳定导航能力国内基本已解决长时间稳定导航能力国内基本已解决SITPSITP2023-1-2818红外天文探测器红外天文探测器I I国际上天文红外探测器主要由美国国际上天文红外探测器主要由美国TeledyneTeledyne 、RaytheonsRaytheons ，法国，法国SofradirSofradir/LETI/LETI，英国，英国LeonardoLeonardo公司公司研发研发美

17、国与欧盟的顶级红外探测器对中国美国与欧盟的顶级红外探测器对中国禁运禁运中国从事红外探测器的主要单位有：中国从事红外探测器的主要单位有：上海技术物理研究所、中电上海技术物理研究所、中电1111所、兵所、兵器器211211所所 国产探测器不能用于天文探测的主要国产探测器不能用于天文探测的主要原因是两个噪声：读出噪声大、暗电原因是两个噪声：读出噪声大、暗电流大流大SITPSITP2023-1-2819红外天文探测器红外天文探测器IIII美国美国TeledyneTeledyne的的 HAWAII HAWAII 探测器系列探测器系列 国内外红外探测器最核心国内外红外探测器最核心指标比较（指标比较（MCT

18、MCT探测器）探测器）读出噪声：读出噪声：国外，国外，30-1030-10电子，电子，APDAPD探测器探测器0.20.2电子电子 国内（技物所），国内（技物所），500-100500-100电子电子暗电流：暗电流：国外：国外：0.1 e/s/pix 0.1 e/s/pix国内：国内：10000-1000-5010000-1000-50（计划）（计划）e/s/pix e/s/pix最关键的是暗电流最关键的是暗电流SITPSITP2023-1-2820红外天文探测器红外天文探测器IIIIII国内红外探测器研制发展：国内红外探测器研制发展：20052005年：暗电流年：暗电流10000-15000

19、 10000-15000 电子电子/秒秒/像元像元 读出噪声：读出噪声：1000 1000 电子电子目前：目前：暗电流暗电流1000 1000 电子电子/秒秒/像元像元 读出噪声读出噪声100-200 100-200 电子电子以上截止波长以上截止波长 2.5 um2.5 um专项（计划专项（计划20202020年）：年）：截止波长截止波长 1.7um1.7um，针对空间站，针对空间站满足满足J J，H H波段天文观测波段天文观测天文用红外探测器未来触手可及天文用红外探测器未来触手可及 SITPSITP2023-1-2821展望展望PAHPAH红外巡天目标明确，国内技术基本能够达到红外巡天目标明确，国内技术基本能够达到低温光学等关键技术问题已经解决低温光学等关键技术问题已经解决红外探测器进步可观，希望近年有所突破！红外探测器进步可观，希望近年有所突破！谢谢！谢谢！