硅光电倍增管在日冕研究中的应用

日冕是太阳最外层的大气层，由于其比太阳表面高出数百万度的极端温度，及其对地球空间天气（SpaceWeather）的重大影响，从而成为科学研究的主要焦点之一。日冕由等离子体（一种炽热的电离气体，其原子完全或部分失去电子）和尘埃组成，并不断膨胀进入星际空间，形成太阳风。

耀斑和日冕物质抛射（CME）等太阳爆发活动起源于日冕，可在太阳风内形成大规模等离子体结构。当这种现象到达地球时，会扰乱卫星、电网和通信网络，甚至对宇航员的健康构成威胁。

研究日冕具有挑战性。传统的日冕仪使用掩星盘来遮挡阳光，但衍射限制了其效率。日全食虽然能提供观测日冕的机会，但这种机会既短暂又稀少。增进我们对日冕、太阳耀斑和日冕物质抛射（CME）的了解，对于预测地磁风暴和减轻对人类技术和基础设施的潜在影响至关重要。

欧洲航天局（ESA）的Proba-3任务将使人们能够比以往任何时候都更靠近太阳边缘去研究太阳的稀薄日冕。Proba-3利用两颗卫星模拟日食，从而克服了上述限制。该项目将运用前沿技术对两个航天器进行精确定位与操控，为未来需要协同配合的太空任务开辟道路。

在接受采访时，安森美（onsemi）公司Proba-3 项目首席工程师Steven John Buckley重点介绍了这项先进的天基日冕仪任务，该任务利用硅光电倍增管（SiPM）传感器实现精确对准，从而实现对日冕的精确研究。该任务的独特设计和传感器技术使科学家们能够在太空中进行高精度测量，克服环境挑战以获取关键数据。

“这个项目大约始于七年前，最初由一家名为sensL的初创公司推动，该公司后来被安森美收购。因为我们在低光敏传感器和硅光电倍增管方面的技术能力，欧洲航天局找到了我们，"Buckley说。“当即将发生日全食时，科学家们非常高兴，因为他们想要研究日冕。然而，挑战在于太阳比日冕亮100万倍。了解太阳耀斑至关重要，因为它们会影响地球的空间天气，甚至有可能影响从电信乃至食品安全的各个方面。”

这项任务将持续两年，完成后，卫星的轨道将自然衰减，并在五年内重返大气层。首批结果预计将在发射四个月后公布，届时将揭示对日冕前所未有的发现。Proba-3计划于12月4日从印度位于斯里赫里戈达岛(Sriharikota)的萨迪什达万（SatishDhawan）航天中心用PSLV-XL火箭发射升空。

飞行任务

在空间科学领域，编队飞行已变得相当重要，因为它提供了扩大观测能力和改善分辨率限制的可能性。为了实现不同的科学目标，自20 世纪末以来，提出了一些基于多航天器编队的飞行任务设想。

尽管其中许多概念曾因价格昂贵和技术限制而被搁置，但新世纪以来空间技术的发展使编队飞行任务变得更加可行。根据编队飞行的理念，各机构已经有效地执行了诸如CLUSTER、GRACE和 Cosmo-SkyMed等多个项目，证明了在相似轨道上使用多个航天器的优势，提供了迄今为止前所未有的科学发现。

为了实现编队飞行的最佳性能，主动控制系统对于航天器的精确相对定位和稳定至关重要。这需要复杂的测控技术、先进的驱动系统和强大的控制算法。

作为欧洲航天局在轨演示计划的一部分，PROBA-3任务标志着编队飞行技术的重大进步。该计划使用两颗卫星在轨道上模拟日食，目的是独立实现并维持编队飞行，相对位置控制精度低至毫米级。

实验将在距地球6万多公里的高度椭圆的轨道上进行。主要工作将在这一轨道的最高点展开，那里的重力、磁力和大气层的干扰最小，操纵卫星的燃料消耗也较低。

被称为日冕仪的卫星携带照相机，被称为掩星器的卫星则携带太阳遮光盘。为了确保可靠的数据采集，校准机制必须能够补偿任何偏差，并抵消卫星之间的巨大距离。通过可达30度的重新定位精度，编队距离可以在25米到250米之间调整。该项目的目标是验证精确编队飞行测量的理念，包括制造、数据采集、维护、调整距离和重新定位。

卫星以自由旋转模式进入轨道，在这种模式下，卫星被动地围绕地球旋转，从而节省燃料。当卫星到达轨道最远点时，它们会使用对准机制收集四小时的数据，然后恢复自由旋转模式。

在最近的一次简报会上，欧洲航天局（ESA）通讯部门的EmmettFletcher介绍了此次任务及其主要参与者，包括ESA的技术、工程和质量主管DietmarPilz；ESA的Proba-3项目负责人DamianGalano；SENER空间与科学业务发展总经理DiegoRodríguez；以及Proba-3任务科学家JoeZender。简报会强调了任务的目标、技术挑战以及来自14个ESA成员国超过40家公司的合作努力。

“这项任务代表了欧洲航天局技术与工程能力的巅峰,”欧洲航天局的技术、工程和质量主管DietmarPilz说。“Proba-3不仅仅是为了挑战卫星的极限，也是为了增进我们对太阳系的理解。”

Proba-3的益处不仅限于太阳科学。如上所述，此次飞行任务还将测试航天器精确定位的新技术，利用传感器和算法保持毫米级精度的对准。这些技术，以及为这次任务开发的其他技术，包括自主导航和先进推进系统，为未来的太空探索铺平了道路。这些进步对于实现大型分布式仪器和多卫星任务至关重要，这些任务旨在进行更深入的天文研究、系外行星探测以及地球观测。

“Proba-3是国际合作与创新的典范,”SENER的空间与科学部门负责人DiegoRodriguez说：“它是对我们如何突破空间技术界限的一个证明。”

对日冕仪精确对准的需求

日冕仪的作用是制造"假日食"，即用一个圆盘挡住太阳光，从而观测到日冕。对准必须精确到毫米以内，以确保日冕观测不受阳光干扰。

由于太阳的亮度比日冕强几百万倍，即使是微小的偏差也会导致太阳光的影响，使照相机不堪重负，妨碍科学观测。

理想的对准要求掩星器与日冕仪之间的距离为150米，这带来了工程上的挑战——尤其考虑到卫星在轨道上运行时的距离是变化的，如前所述。这就需要极其精确的定位系统来确保准确的相对位置。

硅光电倍增管在对准中的作用

搭载在日冕仪卫星上的四个工作于光伏模式的硅光电倍增管（SiPM）追踪由掩星器卫星产生的阴影。这些传感器监测光照水平，随后将数据输入算法中。通过分析阴影的位置，该方法可以确定卫星的对准情况。日冕仪卫星会调整其位置，以确保在X、Y和Z轴上保持精确的对准（分别在±1.6毫米、±1.6毫米和±1.5毫米的范围内）。

在对准过程中起关键作用的SiPM是一种光转换器，能够将光子转化为可量化的电流。在这次任务中，它们以低偏置模式而非通常的高偏置模式工作。

“它基本上是一个转换器，但并不是以我们通常使用硅光电倍增管的模式来运行的,”安森美公司Buckley表示。SiPM的一个关键特性是其较大的表面积（3平方毫米），这使得它非常适合于这个应用。

通常在反向偏置设置下工作以检测单个光子的SiPM，在这次应用中则是无偏置的。入射光产生的微小电流随后被放大并转换成电压信号，用于后续处理。这些传感器监测由掩星器产生的阴影，并通过足够灵敏地检测光强度的细微变化来调整日冕仪的位置。

对准过程：从光学到星轨定位系统

借助由葡萄牙Tekever提供的星间无线电链路，Proba-3双卫星将在轨道上确保实时距离更新和持续通信。利用特制的卫星导航接收器，它们还将独立确定各自在太空中的绝对位置。Proba-3的高度偏心轨道将覆盖卫星导航星座，并深入太空。先进的相对导航技术将在两颗卫星相距约250米时实现精确编队飞行。

基于视觉的传感器初始系统使用广角相机追踪另一颗卫星上的LED信号，从而测算两者之间的距离。窄角相机则锁定一个小型LED，以厘米级精度提供相对位置数据，二者相互补充。

掩星器卫星上搭载的精细横向和纵向传感器使用激光照射日冕仪卫星上的反射器，以实现更高的精度。通过反射回来的激光，可以得到毫米级精度的相对位置测量数据。

最后，阴影定位传感器通过日冕仪卫星主仪器镜头周围的SiPM监测日冕。如果阴影与日冕仪卫星完全对准，光照就会保持平衡；一旦出现偏差，则需要即时调整。

“这种定位系统包括多个传感器以确保冗余。在理想情况下，仅需使用四个传感器，但在太空环境中，保持冗余非常关键,”安森美公司Buckley表示。这些SiPM以非常高的分辨率检测光线，并将光线转换为纳安级别的电流。

两个航天器的对准是由三种不同的技术驱动的。日冕仪卫星和掩星器卫星的相对位置首先通过手动或使用基础设备进行粗略的光学对准调整。随后，利用激光进一步校正两颗卫星的位置，从而提高对准的精度。

在最后的对准阶段，SiPM传感器追踪来自太阳日冕的光强度。通过测量均匀分布于360度的四个传感器上的亮度——例如，北、南、东、西——该系统可以将日冕仪卫星的位置调整到毫米级精度。通过调节卫星的位置，以确保对准保持在规定的标准之内。

太空环境中的技术考量

SiPM传感器和相关电子设备中的模数转换器(ADC)必须能够承受恶劣的太空环境。元器件都经过抗辐射加固处理，并经过精心挑选，以承受极端温度、辐射和机械应力。

据Buckley 称，用于地面测试的商业ADC 的太空认证版本将取代其最初版本。这些元器件必须满足温度稳定性和辐射耐久性的严格标准。

天基日冕仪卫星项目是空间技术和我们对太阳现象理解的重大进步。在对准系统中使用SiPM，使研究人员能够精确控制掩星器和日冕仪卫星之间的对准，从而获得不受干扰的清晰日冕图像，这是一个巨大的进步。

科学家们指出，现有的模型在预测太阳活动方面存在较大挑战，显然需要加以改进。更精确的预测将帮助研究人员提前预见并减轻太阳活动对卫星、电网乃至航空交通的潜在影响。这些领域都对太阳活动高度敏感。

“通过更深入的理解物理现象，我们可以改进我们的建模，而随着建模的改进，我们可以改善卫星的预测结果，减少对地球本身的影响。”ESA专家在会议上说。

Proba-3还将携带两台额外的科学仪器。第一个是DARA（达沃斯绝对辐射计），一种设计用来测量总太阳辐照度的绝对辐射计。第二个是3DEES（三维高能电子光谱仪），这是一个技术演示仪器，用于测量VanAllen辐射带中电子光谱的一款高精度科学仪器。