基于APD 單光子探測器的光子到達時間標記精度研究

李保權，李帆，曹陽，桑鵬

（1 中國科學院國家空間科學中心，北京 100190）

（2 中國科學院大學，北京 100049）

0 引言

脈沖星是一種具有超穩定自轉周期的中子星［1］，被譽為自然界最穩定的天然時鐘［2-3］。X 射線脈沖星導航技術利用脈沖星作為導航信標，不需要地面系統支持［4］，可以完善航天器的自主導航功能，是目前導航領域的研究熱點［5］。

X 射線計時探測器是導航中的關鍵部件之一，由于脈沖星發射的脈沖光子流量非常低，探測器接收到的光子數目較少，因此對探測器的靈敏度要求很高。在對X 射線脈沖星進行觀測時，準確測量脈沖星的脈沖到達時間（Time of Arrival， TOA）是非常重要的一環，探測器對X 射線單光子到達時間的測量精度將影響脈沖星TOA 的測量精度，是影響導航系統性能的關鍵因素之一［6］。

目前X 射線脈沖星導航方面，應用的X 射線單光子探測器主要有硅偏移探測器（Silicon Drift Detector，SDD）［7］、雪崩光電二極管探測器（Avalanche Photodiode， APD）［8］等。SDD 探測器的能量分辨率很高，但探測器中的電子漂移時間與X 射線光子入射位置有關，影響探測器的光子到達時間標記精度，進而影響到脈沖星TOA 的測量精度。2017 年6 月中子星內部組成探測器（NICER）發射至國際空間站［9］，其內部搭載了X射線定時儀（X-ray Timing Instrument， XTI）［10］，采用SDD 測量光子到達時間標記。麻省理工學院對SDD的計時特性進行了研究，采用紫外線LED 激發X 射線源，信號發生器產生脈寬約20 ns 的激發脈沖，控制X射線源出射X 射線脈沖，用示波器測量激發脈沖與SDD 探測器輸出脈沖的時間間隔，其標準差反映光子到達時間精度［6］。……