[論文レビュー] In-flight calibration of the Insight-Hard X-ray Modulation Telescope

Xiaobo Li, Xufang Li+20 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2020

Particle Detector Development and Performance参考文献 18被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、放射性核種源、蛍光線および天体標準源（例えばカブスネビュラ）を用いた、インサイト-HXMT衛星の3つのX線望遠鏡（HE、ME、LE）の飛行中キャリブレーションを提示する。HE（28–120 keV）ではスペクトルフィッティングにおける系統誤差が2%未満、ME（10–35 keV）では1.5%未塔、LE（1–7 keV）では1%未塔に達し、ケイ素K端（1.839 keV）を除いてはわずかな例外を除いて良好な結果を得た。

ABSTRACT

We present the calibration of the Insight-Hard X-ray Modulation Telescope (Insight-HXMT) X-ray satellite, which can be used to perform timing and spectral studies of bright X-ray sources. Insight-HXMT carries three main payloads onboard: the High Energy X-ray telescope (HE), the Medium Energy X-ray telescope (ME) and the Low Energy X-ray telescope (LE). In orbit, the radioactive sources, activated lines, the fluorescence lines and celestial sources are used to calibrate the energy scale and energy resolution of the payloads. The Crab nebular is adopted as the primary effective area calibrator and empirical functions are constructed to modify the simulated effective areas of the three payloads respectively. The systematic errors of HE, compared to the model of the Crab nebular, are less than 2% in 28--120 keV and 2%--10% above 120 keV. The systematic errors of ME are less than 1.5% in 10--35 keV. The systematic errors of LE are less than 1% in 1--7 keV except the Si K--edge (1.839 keV, up to 1.5%) and less than 2% in 7--10 keV.

研究の動機と目的

• 打ち上げ後のインサイト-HXMTの3つのX線望遠鏡（HE、ME、LE）の軌道上キャリブレーションを精緻化すること。
• 飛行中の放射性核種源、蛍光線および天体源を用いてエネルギースケールおよびエネルギー分解能のキャリブレーションを向上させること。
• カブスネビュラを主標準源として用い、経験的補正モデルを適用して有効面積応答関数を決定すること。
• 3つの機器がそれぞれのエネルギー帯域でスペクトルフィッティングにおける系統誤差を定量化すること。
• 校正された応答関数を用いて、明るいX線源の高精度な時間測定およびスペクトル解析を確実に行うこと。

提案手法

• HE検出器のエネルギーゲインのずれをモニタリング・補正するために、AGC検出器に埋め込まれた飛行中放射性 241Am ソースを用いた。
• エネルギー分解能およびスケールのキャリブレーションに、活性化材料からの蛍光線および天体源（例：カブスネビュラ）を適用した。
• NuSTARとカブスネビュラの同時観測データを用いて、シミュレートされた有効面積を補正する経験的関数を構築した。
• 全カブス観測データを再処理し、露出時間ごとに機器固有の応答ファイルを生成した。
• 重み付き平均および誤差伝搬を用いて、エネルギーチャンネルごとのデータとモデル（カブスペクトル）の比における系統誤差およびバイアスを計算した。
• 有効面積のキャリブレーションに、単純な吸収付きパワー則モデル（Γ = 2.11、N = 8.76 keV⁻¹cm⁻²s⁻¹、NH = 0.36×10²² cm⁻²）を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HE、ME、LE検出器の飛行中エネルギーゲインおよび分解能の安定性はどの程度か？
• RQ2 カブスネビュラを標準キャンドルとして用いた場合、3機器の有効面積キャリブレーションの精度はどの程度か？
• RQ3 HE、ME、LEがそれぞれのエネルギー帯域でスペクトルフィッティングにおける系統誤差はどの程度か？
• RQ4 キャリブレーション結果は、打ち上げ前の地上キャリブレーションおよび外部観測（例：NuSTAR）とどのように比較できるか？
• RQ5 高エネルギーおよび低エネルギー帯域でキャリブレーション精度に影響を与える主な誤差要因は何か？

主な発見

• 3か月の軌道上運用後、HE検出器のエネルギーゲインは1%以内の精度を維持し、120 keV未満のエネルギー帯でスペクトルフィッティングにおける系統誤差は2%未塔であった。
• 120 keVを超える領域では、背景レベルの上昇とカブス信号カウントの減少により、HEの系統誤差が2%～10%に上昇した。
• MEのエネルギーゲインは時間経過に伴い1%未塔の遅い変化を示し、10–35 keV帯域ではスペクトルフィッティングにおける系統誤差は1.5%未塔であった。
• LEのエネルギーゲイン不確かさは1–9 keV範囲で20 eV未塔であり、1–7 keV帯域ではスペクトルフィッティングにおける系統誤差は1%未塔であったが、ケイ素K端（1.839 keV）では最大1.5%のわずかな上昇を示した。
• LEの系統誤差は7–10 keV帯域でわずかに2%未塔に上昇したが、1–7 keV帯域で最も高い精度が達成された。
• カブスネビュラのパワー則モデル（Γ = 2.11、NH = 0.36×10²² cm⁻²）に基づく有効面積キャリブレーションモデルは、長時間露光においてHEでは2.8%未塔、MEでは1.7%未塔、LEでは0.33%未塔のキャリブレーションバイアスを効果的に低減した。