[论文解读] Timing with the EPIC pn Camera of XMM-Newton

M. Kuster, E. Kendziorra+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2002

Calibration and Measurement Techniques被引用 4

一句话总结

本文评估了XMM-牛顿卫星上EPIC pn相机的高时间分辨率性能，展示了对X射线脉冲星实现毫秒级时间精度的能力。研究识别出由探测器读出模式、电子斩波器和计数模式引起的若干关键限制，这些因素引入混叠效应并降低时间分辨率，尤其在爆发模式和明亮源观测中更为显著。

ABSTRACT

The EPIC pn CCD camera on board of XMM-Newton is designed to perform high throughput imaging and spectroscopy as well as high resolution timing observations in the energy range of 0.1-15 keV. A temporal resolution of milliseconds or microseconds, depending on the instrument mode and detector, is outstanding for CCD based X-ray cameras. In order to calibrate the different observing modes of the EPIC pn CCD, XMM-Newton observations of the pulsars PSR B1509-58, PSR B0540-69 and the Crab were performed during the calibration and performance verification phase. To determine the accuracy of the on board clock against Coordinated Universal Time (UTC), PSR B1509-58 was observed simultaneously with XMM-Newton and RXTE in addition. The paper summarizes the current status of the clock calibration.

研究动机与目标

• 评估XMM-牛顿性能验证阶段EPIC pn相机的时间分辨率和定时精度。
• 通过与RXTE的同步观测，利用PSR B1509-58对星载时钟进行UTC校准。
• 识别影响高时间分辨率模式下时间分辨率的仪器和观测限制。
• 量化探测器配置（如电子斩波器、计数模式）对功率谱密度（PSD）和QPO可探测性的影响。
• 为观测者提供在实际限制条件下优化EPIC pn相机定时观测的指导。

提出的方法

• 利用快速读出模式——定时模式（时间分辨率29.56 μs）和爆发模式（时间分辨率7.2 μs），实现X射线定时的高时间分辨率。
• 通过XMM-牛顿与RXTE对毫秒脉冲星（PSR B1509-58、PSR B0540-69、蟹状星云）进行同步观测，实现交叉校准。
• 利用OBT到UTC的多项式拟合进行时间戳校正，并通过SAS工具'barycen'进行质心校正，转换为TDB时间。
• 通过泊松噪声和AR[2]过程的模拟功率谱，建立QPO模型并评估读出采样引起的混叠效应。
• 分析真实观测数据的PSD（如第0056次指向中的蟹状星云），检测电子斩波器（设置为N=25）和计数模式引起的失真。
• 使用XMM科学分析系统（SAS）根据源在CCD上的位置和读出模式校正事件时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 EPIC pn相机在其快速读出模式下的可实现时间分辨率是多少？其与源在CCD上的位置有何关系？
• RQ2 XMM-牛顿星载时钟相对于UTC的定时精度如何？当前的定时校准不确定性是多少？
• RQ3 探测器读出模式（如爆发模式）在多大程度上因采样效应而抑制准周期振荡（QPO）的可探测性？
• RQ4 电子斩波器设置和计数模式如何降低时间分辨率并扭曲高计数率观测中的功率谱？
• RQ5 EPIC pn相机在高精度定时观测中存在哪些实际限制？如何加以缓解？

主要发现

• 在爆发模式下，EPIC pn相机可实现7.2 μs的时间分辨率，在定时模式下为29.56 μs，最优时间分辨率取决于源在CCD上的位置。
• EPIC pn和MOS相机的内部定时功能表现正常，但当前定时精度受限于ΔP/P ≈ 10⁻⁶，未达到目标ΔP/P ≈ 10⁻⁸。
• 在爆发模式下，采样率完全掩盖了高于临界频率的QPO，导致其因严重混叠而无法探测。
• 电子斩波器（设置为N=25）在功率谱中10 Hz以上产生强烈的噪声主导，严重损害高频定时分析。
• 计数模式引入了准周期性的死时间窗口，导致低频段PSD失真，在0.2 Hz以下观察到宽峰。
• 重采样可缓解时间分辨率损失，但本质上会降低有效时间分辨率，因此对高精度定时而言并非最优解决方案。