[论文解读] Performance of the X-Calibur Hard X-Ray Polarimetry Mission during its 2018/19 Long-Duration Balloon Flight

Q. Abarr, Banafsheh Beheshtipour+29 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2022

Particle Detector Development and Performance参考文献 39被引用 10

一句话总结

本文报告了X-Calibur硬X射线偏振计在2018/19年从南极洲发射的长航时高空气球任务中的性能评估，成功测量了15–50 keV能量范围内吸积驱动脉冲星GX 301–2的偏振特性。该任务验证了一种创新的聚焦型偏振计设计，采用金属铍散射体与CZT探测器结合，尽管抗 coincidence 系统的阈值和死时间存在轻微问题，但仍实现了优异的指向与调制性能，为后续灵敏度更高的XL-Calibur任务铺平了道路。

ABSTRACT

X-Calibur is a balloon-borne telescope that measures the polarization of high-energy X-rays in the 15--50keV energy range. The instrument makes use of the fact that X-rays scatter preferentially perpendicular to the polarization direction. A beryllium scattering element surrounded by pixellated CZT detectors is located at the focal point of the InFOC{\mu}S hard X-ray mirror. The instrument was launched for a long-duration balloon (LDB) flight from McMurdo (Antarctica) on December 29, 2018, and obtained the first constraints of the hard X-ray polarization of an accretion-powered pulsar. Here, we describe the characterization and calibration of the instrument on the ground and its performance during the flight, as well as simulations of particle backgrounds and a comparison to measured rates. The pointing system and polarimeter achieved the excellent projected performance. The energy detection threshold for the anticoincidence system was found to be higher than expected and it exhibited unanticipated dead time. Both issues will be remedied for future flights. Overall, the mission performance was nominal, and results will inform the design of the follow-up mission XL-Calibur, which is scheduled to be launched in summer 2022.

研究动机与目标

• 在发射前对X-Calibur硬X射线偏振计进行表征与校准。
• 评估X-Calibur在2018/19年从美国麦克默多站（McMurdo）发射的长航时高空气球飞行任务中的仪器性能。
• 模拟粒子背景，并与实测率进行比较，以验证仪器响应。
• 识别性能限制因素，特别是抗 coincidence 系统的问题，并为后续XL-Calibur任务提供改进建议。
• 证明利用像素化CZT探测器与聚焦光学系统结合实现高灵敏度硬X射线偏振测量的可行性。

提出的方法

• X-Calibur仪器在InFOCµS硬X射线镜的焦点处配置了金属铍散射体，周围环绕着像素化CZT探测器，用于探测散射X射线。
• 通过散射光子的方位调制测量偏振，散射光子倾向于垂直于偏振方向散射。
• 通过地面标定和束流测试，表征了CZT探测器的能量响应、探测效率和能量分辨率。
• 利用实时遥测数据、指向系统数据和飞行期间探测器事件率，评估了飞行性能。
• 使用GEANT4模拟粒子相互作用，对背景进行建模，并与实测率进行比较，特别关注抗 coincidence 屏蔽层。
• 通过与Swift XRT数据联合谱拟合，验证了仪器有效面积和调制因子。

实验结果

研究问题

• RQ1 X-Calibur偏振计在平流层长航时高空气球飞行任务中的性能如何？
• RQ2 仪器的能量响应和探测效率与地面标定及模拟预测的匹配程度如何？
• RQ3 主要的背景源是什么？它们与飞行期间实测率的对比情况如何？
• RQ4 抗 coincidence 系统的触发阈值和死时间对仪器灵敏度的影响程度如何？
• RQ5 聚焦光学系统与探测器系统的性能如何支持对GX 301–2等弱源的偏振测量？

主要发现

• X-Calibur成功测量了吸积驱动脉冲星GX 301–2的硬X射线偏振，这是该类天体的首次此类测量。
• 仪器实现了优异的指向与调制性能，15–50 keV能量范围内平均调制因子µ100 = 0.513。
• 抗 coincidence 系统的能量探测阈值高于预期，且存在未预期的死时间，这些将在XL-Calibur任务中予以修正。
• 模拟结果表明，将CsI(Na)屏蔽替换为BGO屏蔽，并采用更低阈值的ASIC，可使背景率降低10–25倍。
• CZT探测器的能量分辨率在20 keV处为3.5 keV FWHM，50 keV处提升至7.4 keV，与预期一致。
• 与Swift XRT数据联合谱拟合证实了X-Calibur有效面积模拟的准确性，验证了仪器响应模型。