综述：SMILE任务上的软X射线成像仪（SXI）

《SPACE SCIENCE REVIEWS》：The Soft X-ray Imager (SXI) on the SMILE Mission

本文系统介绍了SMILE（太阳风-磁层-电离层链路探测者）任务的核心载荷——软X射线成像仪（SXI）的整体设计、关键技术及科学目标。SXI作为首台专用于对地球磁层进行大视场软X射线（0.2-2 keV）成像的望远镜，利用龙虾眼式微孔光学（MPO）技术和高性能CCD370探测器，通过探测太阳风电荷交换（SWCX）产生的X射线辐射，实现对磁层顶、磁鞘和极尖区等关键边界结构的高时间分辨率（分钟级）动态监测。文章详尽阐述了SXI的光学系统、探测器平面组件（DPA）、前端电子学（FEE）、后端电子学（EBox）、辐射快门（RS）、热控系统（TCS）及在轨应用软件（IASW）等子系统的设计、集成、测试与性能验证，并通过模拟分析证实其满足在特定太阳风通量（>4.9×108 cm-2 s-1）下，对磁层顶位置进行高精度（优于0.5 RE）追踪的科学需求。

　　

SMILE任务上的软X射线成像仪（SXI）是一项开创性的空间探测仪器，其核心科学目标是首次对地球磁层结构进行大视场、高时间分辨率的软X射线成像。磁层是地球磁场与超音速太阳风相互作用形成的保护性气泡，其边界（如磁层顶）的动态变化直接关系到空间天气效应。传统原位探测只能提供单点测量，而SXI通过探测太阳风重离子与地球外逸层中性原子发生电荷交换（SWCX）过程所辐射的软X射线（0.2-2 keV），能够以成像的方式“看见”大尺度的磁层结构，特别是磁层顶、磁鞘和极尖区的位置和形态变化。

整体设计

SXI的设计驱动力是实现软X射线波段（~0.2至2 keV）的大视场成像。其视场（FOV）达15.5° × 26.5°。在任务质量限制下，这只有通过使用微孔光学（MPO）组件才能实现。光学组件采用龙虾眼几何结构，由32个MPO单元组成两个子阵列，安装在钛合金框架上。其曲率半径（ROC）为600毫米（焦距300毫米），在有效面积和视场之间取得了最佳平衡。

探测器方面，SXI选择了两个大型（8.1 x 8.1 cm）Te2v CCD370器件。这些CCD经过改良，提高了抗辐射能力，并去除了增透膜以优化软X射线探测效率。CCD在软X射线能量下具有高量子效率（~95%@1 keV）和中等能量分辨率，但需要冷却至约-115°C的低温环境。SXI采用被动辐射器结合主动加热的热控系统来维持探测器工作温度。

SXI是一个相对紧凑的仪器，最大高度约85厘米，总质量约32公斤。其设计还充分考虑了SMILE的高度椭圆轨道（远地点120,000公里，近地点5,000公里）所带来的高辐射环境，为此专门设计了辐射快门机制（RSM），在卫星高度低于50,000公里时关闭以保护CCD。此外，仪器还配备了遮光罩和 baffle 结构，以抑制来自亮地球和太阳的光学/紫外杂散光。

主结构

SXI望远镜的主结构是一个框架，所有望远镜子系统都机械连接于其上。它由钛合金双足架和铝合金（AL-6082-T6）制成的堆叠管状结构组成。管状结构分为上、中、下三部分，便于装配、集成和验证（AIV）。主结构不仅提供机械和光学对准接口，还作为杂散光控制系统的一部分，并为CCD提供辐射屏蔽。为了满足遮光要求并最大限度地减少望远镜腔内的杂散光，管状部件接口处设有互锁的迷宫密封。内壁涂有MAP-PU1黑色聚氨酯漆，可见光波段吸收率约为0.90。辐射屏蔽通过管状结构的渐变壁厚实现，并在局部通过粘接铝板进行加强，以消除CCD上的辐射“热点”。

光学系统

SXI采用龙虾眼光学原理，利用数百万个方形微孔（约40微米宽）的球形玻璃板（MPO）对软X射线进行聚焦。MPO由Photonis France SAS提供，经过热压成型和内壁金属化（如铱涂层）以提高X射线反射率。32个MPO被粘合到两个金属框架上，形成完整的光学组件。

光学性能方面，每个MPO的焦距在制造公差内有微小变化，但通过精心排列，确保了在整个视场内点扩散函数（PSF）的半高宽（FWHM）满足科学要求。PSF呈现出典型的十字臂和外围岛屿结构，这是龙虾眼光学的特征。由于名义焦平面是球面而探测器平面是平面，两者之间存在微小偏移，通过将探测器平面向光学组件ROC中心移动2毫米，在视场中心附近保持了最佳聚焦区域。

有效面积受MPO效率、光学阻挡滤光片、框架位置和遮光罩结构等多种因素影响。虽然由于时间和技术限制，未能对组装后的飞行光学组件进行完整的有效面积表征，但对MPO样本的测试表明，其反射效率在Al K（1.49 keV）处达到预测值的95%，为组装级有效面积计算提供了信心。

电子散射器

为了减少环境电子直接到达探测器平面，在每个光学框架组件底部都粘附了一组钐钴（SmCo）磁铁，构成电子散射器（ELD）。这些磁铁的偶极子方向一致，能够将预期能量范围内的入射电子从其自然轨迹偏转到主结构中被吸收或反射。每个框架上的磁偶极子方向相反，理论上可使净磁矩为零，但实际测量存在微小不对称性，其场强经评估与卫星磁强计（MAG）传感器兼容。

探测器

SXI焦平面阵列由两个Teledyne e2v制造的CCD370探测器组成。每个CCD有4510x4510个原生像素（18微米），有效面积8.12x8.12 cm。CCD370源自PLATO任务的光学CCD，但进行了优化以探测低通量软X射线，包括采用窄串行通道和补充埋沟（SBC）来减轻辐射引起的电荷转移效率（CTI）下降。CCD将在6x6像素合并的帧转移读出模式下工作，这有助于减轻电荷拖尾并提高能量分辨率。

辐射损伤是CCD性能退化的主要因素。SXI采用了电荷注入行技术来缓解CTI。在轨期间，还将使用陷阱泵浦（trap pumping）技术来测量晶格损伤的演变。通过质子辐照活动对工程模型（EM）和飞行模型（FM）CCD进行了测试，验证了其在任务寿命末期（EOL）的性能，结果表明，通过注入适量电荷，可以维持探测300 eV X射线所需的能力。

探测器平面组件（DPA）

DPA用于将CCD精确定位在光学组件焦点的特定距离处，同时为CCD提供适宜的热和机械环境。DPA通过一组薄截面钛合金双足架和柔性片与主结构连接，以最大限度地减少热传导。CCD通过金镀铜热 strap 连接到辐射器，实现被动冷却。DPA的整体对准通过定位销和槽口对来控制，确保与光学组件的精确对准。

前端电子学（FEE）

FEE控制CCD的读出并将数据传输至后端电子学（DPU）。它采用大型现场可编程门阵列（FPGA）作为事件检测单元（EDU），执行相关双采样读出和事件检测算法。FEE具有四路视频链冗余，功耗约12瓦。其关键功能是只将高于阈值的“感兴趣”事件（及其周围像素）发送给DPU，极大节省了星上资源。事件检测算法通过获取5x5像素掩模，检查中心像素是否高于单像素阈值，并与最近邻像素及中值背景进行比较，从而确认X射线事件。

后端电子学（EBox）

EBox是SXI与航天器的接口单元，包含电源单元（PSU）、仪器控制器（数字处理单元，DPU）和辐射快门电子学（RSE）。EBox采用完全冷冗余设计，两个链路由独立的PCB板构成，无交叉连接。DPU基于LEON3双核处理器，其启动软件（DBS）存储在磁阻随机存取存储器（MRAM）中，负责初始化、关闭辐射快门并启动更高级的仪器应用软件（IASW）。IASW运行在DPU上，负责科学操作控制、数据处理和遥测生成。

热控系统（TCS）

为实现低噪声探测，SXI CCD需工作在约-115°C的低温环境。热控系统采用被动冷却方式，通过一个朝向深空的大型辐射面板散热。TCS包含操作热控系统（由DPU基于PI控制算法精确控制加热器功率）和生存热控系统（由平台控制的简单开关式恒温器），共同确保CCD在任务各阶段处于安全温度范围内。热分析模型经过多次热平衡试验验证，包括结构热模型（STM）和飞行模型（PFM）测试，确保了设计的可靠性。

辐射快门（RS）

辐射快门子系统包括辐射快门机构（RSM）和辐射快门电子学（RSE）。RSM由一个可旋转的门叶、一个旋转执行器（步进电机和齿轮箱）、一个保持释放机构（HDRM）和端部开关组成。其主要功能是在卫星穿越范艾伦辐射带或遇到强太阳高能粒子（SEP）事件时关闭，保护CCD免受辐射损伤。RSM经过严格测试，包括3377次开合循环的生命测试，验证了其在高低温（-145°C至-65°C）真空环境下的可靠性。

杂散光系统

SXI采用沉积在MPO上表面的约100纳米厚铝膜作为光学/紫外阻挡滤光片。此外，光学平面上方的baffle结构包含一系列垂直于光学组件的叶片，用于吸收或散射来自亮地球的光线。ZEMAX建模表明，这些措施能将到达光学平面的地球光光子比例降至约3.2%，并结合MPO的角度选择性，使得有效杂散光透射分数极低，对科学性能影响可忽略不计。

仪器应用软件（IASW）

IASW是SXI在轨运行的主要飞行软件，提供多种操作模式（如待机、预科学、科学模式），并包含故障检测、隔离与恢复（FDIR）程序，用于自主保护仪器。IASW的热控制算法（TCA）采用比例-积分（PI）控制逻辑，根据CCD温度传感器的读数，精确控制辐射器加热器的功率输出，以维持CCD的目标温度。

SXI性能与科学验证

SXI的性能通过广泛的模拟进行验证。模拟流程包括使用磁流体动力学（MHD）代码生成地球空间等离子体分布，结合SWCX发射率模型计算三维X射线发射率，再通过仪器模拟器生成预期的二维观测图像和光谱。

模拟结果表明，在太阳风通量 > 4.9×10⁸ cm^-2 s^-1 的条件下，SXI能够在5分钟积分时间内，以优于0.5 R_E的精度确定日下点磁层顶的位置，满足Level-1科学要求。通过前向建模等技术，可以从观测到的SWCX发射图中反演磁层顶和极尖区边界的位置。

仪器有效面积（ARF）的总体不确定度估计约为±16%，主要来源于光学组件。在轨校准将利用天体标准源和机载Fe⁵⁵校准源，不断修正响应矩阵，降低不确定度。

总之，SXI是SMILE任务的核心科学载荷，其成功运行将开创软X射线遥感探测地球磁层的新纪元，为理解太阳风-磁层耦合及其在空间天气中的作用提供前所未有的全球视角和动态信息。