耀斑是太阳突然释放巨大能量和物质的剧烈爆发过程，可引发地磁扰动、电离层突发扰动、航天设备单粒子效应等一系列灾害性空间天气效应，为航天活动管理带来极大风险(Turner，2000).通过太阳X射线辐射特征的监测实现太阳质子事件预警和空间环境扰动预报是可行的方法(林华安等，1993；Babayan，2001)，已发展为空间天气监测预警业务的核心内容.美国GOES卫星和我国风云二号系列卫星是国际上为空间天气业务开展太阳X射线辐射监测的主要卫星(Garcia，1994；朱光武等，2004).

风云二号系列卫星工作于地球静止轨道，是我国重要的气象观测卫星，卫星数据可实时连续下传，太阳X射线探测器是该系列卫星的重要有效载荷，时间分辨率为2.05 s，可每天24小时对太阳耀斑进行连续和实时的监测，对太阳质子事件等灾害性的空间天气作出预警.

第一颗风云二号卫星于1997年6月发射成功，在过去近17年里，太阳X射线探测器对太阳活动第23周完整周期和第24周的上升阶段进行了太阳耀斑观测，成功预警了太阳质子事件和强磁暴，为我国卫星的在轨安全保障做出了重要的贡献(朱光武等，2004；韦飞等，2013).风云二号系列卫星先后历经了3个批次产品，F星是风云二号03批卫星的首发星，对太阳X射线探测器采用了新的设计方案，实现更长的在轨工作寿命和更强的耀斑观测能力(韦飞等，2013).在新的设计方案中，风云二号F星太阳X射线探测器采取了一系列技术改进措施，太阳X射线探测器上天前完成了性能标定，测定结果与设计值一致.

2011年底太阳活动进入第24周活动峰年，风云二号F星于2012年1月发射成功，卫星入轨后该探测器开机正常，取得了丰富的探测成果.本文将对其进行具体介绍、分析和讨论. 2 科学目标

风云二号F星太阳X射线探测器的主要科学目标是监测太阳耀斑X射线流量变化，确定太阳耀斑级别，实时预警太阳质子事件.在太阳大气宁静时期，X射线流量极低，当太阳耀斑爆发时，耀斑区突然释放大量的X射线，磁重联过程中大量高能带电粒子被磁场加速并可能对外释放高能太阳质子.对太阳X射线进行探测可反映太阳耀斑的爆发和演化过程，识别太阳释放高能质子事件的风险，利用太阳X射线以光速传播先于到达地球的特点，可对太阳质子事件进行预警.太阳X射线探测器的性能指标如表 1.

表 1(Table 1)

表 1 太阳X射线探测器性能指标 Table 1 Characteristics of the SXRS 探测能段 主能道一：1.5～12.5 keV(波长8～1) 主能道二：3.1～24.8 keV(波长4～0.5) 精细能道一：1.5~3.1 keV 精细能道二：3.1~5.0 keV 精细能道三：5.0~8.0 keV 精细能道四：8.0~12.4 keV 精细能道五：12.4~18.0 keV 精细能道六：18.0~24.8 keV 测量动态范围 C5至X30级别耀斑 探测视场 南北方向±30°(参照赤道面)； 东西方向±36°(参照准直器主轴) 时间分辨率 2.05 s(主能道) 16.4 s(精细能道)

表 1 太阳X射线探测器性能指标 Table 1 Characteristics of the SXRS

风云二号F星太阳X射线探测器与国内外过去的太阳X射线探测设备相比，在传感器设计、电子学系统等方面具有显著的技术改进，具体如下：

首先，太阳X射线探测器采用了硅漂移传感器(Silicon Drift Detector，SDD)替代气体正比计数器.使用SDD传感器可带来一系列突出优点：SDD 探测X射线的能谱分辨能力可达125 eV@5.9 keV，使探测器具有精确的能谱分辨能力，能道边界重叠区域小于5%，可通过X射线能谱及其流量的精确测量反映太阳耀斑演化过程；SDD传感器为固体工作介质，比气体类型的传感器稳定性更高，在真空环境中的工作寿命更长，预期可在轨工作5年以上；SDD更容易采用薄入射窗口(约8 μm)设计，可探测的X射线光子能量的下限达到1.0 keV.基于这些优点可以实现太阳软X射线的宽能谱和大动态范围探测、能档精确划分，为太阳耀斑的精确探测和量化定级提供了良好的技术基础.

其次，采用了磁场偏转技术抑制GEO轨道海量带电粒子对探测数据可能造成的干扰.风云二号F星太阳X射线探测器在太阳X射线的入射窗口设置了偏转磁铁实现光和带电粒子分离，使不感兴趣的带电粒子偏离入射方向，避免其直接进入传感器或者与准直器周围的材料相互作用产生次级射线，对探测数据造成污染，有效降低了探测通道的背景计数.

再次，采用了FPGA逻辑处理电路，以提高太阳X射线探测器的数据处理能力和数据传输速度. 3.2 传感器与系统设计

风云二号F星太阳X射线探测器采用硅漂移传感器将X射线光子转换为电荷信号，SDD传感器为硅半导体传感器，电荷量的产额n₀与X射线光子能量E之间呈高度线性关系：

图 1

Fig. 1

图 1 SDD传感器内部结构及电连接关系( KETEK GmbH，2012)Fig. 1 Block diagram for SDD and its typical connection to peripheral circuit( KETEK GmbH，2012)

SDD内部FET与外部精密信号放大电路对X射线光子电离硅半导体产生的电荷脉冲进行线性放大，经放大后的电压脉冲信号进入脉冲幅度分析器进行分析，获得脉冲幅度V唯一对应的能道道址N，探测器系统根据能道N按时间序列统计持续入射的X射线光子，即获得入射X射线光束的能谱分布，太阳X射线探测器系统设计如图 2所示.考虑系统偏差的影响，X射线光子能量E与能道N之间的关系可表示为

图 2

Fig. 2

图 2 风云二号03批空间环境监测器工作原理Fig. 2 Block diagram of the SEM onboard series 03，FY-2 satellites

图 2所示为完整的太阳X射线探测器星上设备构成，核心部分由SDD传感器及其高压电路、脉冲信号放大和分析电路组成，其他部分包括星上设备的二次电源管理模块(A机、B机互为备份)、FPGA逻辑控制电路(A机、B机互为备份)，以及与高能质子重离子探测器、高能电子探测器的数据接口电路等.

太阳X射线探测器内部的逻辑控制单元以ACTEL公司生产的FPGA型号A54SX72A作为主控器件，对太阳X射线、高能质子、重离子、高能电子成分实现微秒脉冲快速分析和数据处理，并实现探测数据压缩和编码传输，太阳X射线探测数据由16 bit压缩到8 bit，数据压缩误差小于5%，通过硬件电路实现数据压缩. 4 探测性能定标

太阳X射线探测器的探测性能包括能量分辨率、能道边界划分、探测动态范围、探测视场、探测时间分辨率和有效观测时间、探测效率标定等，以下对这些探测性能指标标定结果进行逐一介绍. 4.1 能量分辨率

太阳X射线探测器的能量分辨率通过放射源峰值特性进行测定，国际上常用⁵⁵Fe放射源进行X射线探测设备的能量分辨率标定.风云二号F星太阳X射线探测器对⁵⁵Fe放射源的能谱响应如图 3所示，5.88 keV和6.01 keV峰值清晰可辨，5.88 keV峰值半高宽(FWHM)为185 eV，能量分 辨率为3.1%，优于气体正比计数器等传感器12%~20% 的探测指标.

图 3

Fig. 3

图 3 太阳X射线探测器测定的55Fe放射源X射线光子能谱特征曲线：FWHM=185@5.9 keVFig. 3 Spectrum of radioactive source 55Fe measured by the SXRS，with the FWHM of 185@5.9 keV

根据公式(2)，X射线光子能量E与探测器能道响应地址N存在线性关系.在实验室通过⁵⁵Fe、²⁴¹Am等多个放射源进行测定，可获得放射源多个峰值能量对应的E-N关系，如图 4所示，根据5.88 keV、13.7 keV、17.8 keV峰值E-N关系线性拟合结果，线性相关系数为0.998.

图 4

Fig. 4

图 4 太阳X射线探测器的E-N线性关系，线性度0.998Fig. 4 Linear fit of the energy channels and the X-ray energy of the SXRS

同步辐射产生的X射线光子具有流量大、能量可连续调节的优点，国家同步辐射实验室可提供能量范围为4~14 keV的X射线光束，上海光源可提供7~30 keV的X射线光束，可作为太阳X射线探测器能道划分定标试验的重要光源.

同步辐射加速器提供X射线光束的试验装置如图 6所示，同步辐射产生的含有X射线的白光通过双晶单色仪分光将X射线光束引出到试验终端，成为单色可用X射线光.通过双晶光栅进行分光产生的X射线光束不可避免产生高次谐波和散射光子，在进行试验结果分析时要特别注意，因此，在进 行能道划分定标试验时，要同时监测同步辐射X射线光谱成分.

图 6

Fig. 6

图 6 国家同步辐射实验室X射线衍射与散射光束线结构图Fig. 6 Block diagram of the X-ray diffraction and scatter terminal in the X-ray synchrotron radiation facility

同步辐射X射线光束的流量随光子能量变化极大，可达4~5个数量级，如图 5所示.本试验对X射线分光的晶体光栅产生的复杂光谱成分不做具体分析，但在进行能道扫描时必须同时对光谱进行监测，用光谱监测结果对能道边界进行合理修正.

图 5

Fig. 5

图 5 国家同步辐射实验室提供的X射线束流Fig. 5 The X-ray spectrum provided by the National Synchrotron Radiation Laboratory

风云二号F星太阳X射线探测器在国家同步辐射实验室X射线衍射与散射终端利用同步辐射4~14 keV的X射线光束进行了能量边界扫描试验，在上海光源X射线吸收精细结构和谱线站(BL14W1)利用同步辐射7~30 keV的X射线光束进行了能量边界扫描试验，覆盖了太阳X射线探测器5 keV、8 keV、12.4 keV、18 keV、24.8 keV能道边界设计值.同步辐射X射线光束标定的能道边界点以前一能道计数值下降与下一能道计数值上升的交叉点为确定值，如图 7—9所示.试验测量得到的精细能道第3、4道边界点为8.5 keV，第4、5道边界点为12.9 keV，第5、6道边界点为19.0 keV，试验值相对设计值的误差分别为6.3%、3.1%、5.3%.

图 7

Fig. 7

图 7 精细能道第3、4能道边界点确定Fig. 7 TThe calibrated energy boarder between channel 3 and channel 4 by the synchrotron radiation beam

图 8

Fig. 8

图 8 精细能道第4、5能道边界点确定Fig. 8 The calibrated energy boarder between channel 4 and channel 5 by the synchrotron radiation beam

图 9

Fig. 9

图 9 精细能道第5、6能道边界点确定Fig. 9 TThe calibrated energy boarder between channel 5 and channel 6 by the synchrotron radiation beam

风云二号08星太阳X射线探测器使用一个硅漂移探测器(SDD)作为传感器，传感器窗口由4 mm的铍和0.5 mm铝组成滤光片，SDD传感器的硅片厚度为450 um，根据硅片的吸收效率和铍窗的 透过效率(Korde and Canfield， 1989；Henke et al., 1993)，计算出传感器的探测效率如图 10所示.

图 10

Fig. 10

图 10 SDD传感器探测效率曲线Fig. 10 Efficiency of the SDD sensor combined with 4 mm Be and 0.5 mm Al filters

风云二号F星于2012年1月发射成功，卫星定点于地球静止轨道后太阳X射线探测器开机运行，至2014年8月该探测器监测到上百起C5级别以上的太阳耀斑，特别是1月23日和1月27日两次伴随强太阳质子事件的较大级别太阳耀斑监测数据，对我国多颗在轨运行的卫星发出了安全预警，如图 11所示.

图 11

Fig. 11

图 11 FY-2F卫星对2012年1月23日和1月27日强质子事件太阳耀斑的观测结果Fig. 11 The solar flares accompanied with strong solar proton events happened on January 23 and 27，detected by FY-2F satellite

FY-2F卫星太阳X射线探测器是国际上迄今为止能谱分辨能力最高的太阳X射线探测设备，它带来的突出优点是能道边界清晰，6个精细能道的相邻能道边界重叠部分小于5%，因此，可以精确测量太阳耀斑爆发过程中X射线演化的时间特性，对于区分不同性质的太阳耀斑，提高太阳质子事件预警预报具有非常重要的意义.图 12—15显示了在轨期间观测到的不同太阳耀斑X射线的精细能谱，软X射线能谱由软到硬顺次增强的时间特性显示了不同耀斑结构和加热机制的差异，复杂过程的耀斑X射线辐射能谱从低能辐射向高能辐射发展，持续时间长且中间过程伴随较复杂的起伏变化，往往伴随 太阳质子事件；而简单过程的耀斑X射线能谱几乎 同时增强，持续时间短，通常不伴随太阳质子发射.

图 12

Fig. 12

图 12 FY-2F卫星2012年1月23日监测到的M8.7级耀斑(伴随质子事件)精细能谱Fig. 12 Soft X ray spectrum from the solar flare classified in level 8.7 happened on Jan. 23，2012，detected by FY-2F satellite

图 13

Fig. 13

图 13 FY-2F卫星2012年1月27日监测到的X1.7级耀斑(伴随质子事件)精细能谱Fig. 13 Soft X ray spectrum during solar flare in Jan. 27，2012 detected by FY-2F satellite

图 14

Fig. 14

图 14 FY-2F卫星2014年1月8日监测到的X1.2级耀斑(伴随质子事件)精细能谱Fig. 14 Soft X ray spectrum during solar flare in Jan. 8，2014 detected by FY-2F satellite

图 15

Fig. 15

图 15 FY-2F卫星2012年11月13日监测到的M6.0级耀斑(无质子事件)精细能谱Fig. 15 Soft X ray spectrum during solar flare in Nov. 13，2012 detected by FY-2F satellite

图 13和图 15所示的X射线精细能道的流量响应分别代表了复杂耀斑和简单耀斑演化过程的典型情况，伴随质子事件的太阳耀斑爆发前具有较长的加热时间，精细能道的X射线流量渐次增强特征显著，从较软的X射线到较硬的X射线出现流量增强的时间具有明显间隔，上升阶段斜率相对稳定；而无质子事件的太阳耀斑则不同时具备这些显著特 征.GOES卫星的X射线探测能道在3.1~12.4 keV 范围是重叠区域，过去基于气体正比计数器的X射线探测器能谱分辨率通常为800 eV~1.2 keV，较低的能谱分辨率使得相邻能道的边界划分存在较大的重叠区域，这些探测设备均未能观测到太阳耀斑爆发前的加热过程产生的软X射线到硬X射线流量渐次增强的特性及其与质子事件的相关性.因此，精确的能谱探测性能可提高太阳质子事件预警能力. 5.2 与国际观测数据的对比

风云二号F星太阳X射线探测器的主能道划分与GOES卫星两个探测通道的波段范围一致，通过光子能量转换可比较两颗卫星相关探测通道的数据结果，通过数据对比表明，FY-2F卫星的探测数据与美国GOES卫星的监测结果具有良好的可比性和一致性，如图 16所示.

图 16

Fig. 16

图 16 FY-2F与GOES-15分别对2012年1月23日强质子事件太阳耀斑的观测结果比较Fig. 16 Data compared between FY-2F and GOES satellites for the solar flare accompanied with a strong proton event on Jan. 23，2012

风云二号卫星工作于地球静止轨道(GEO)，卫星自旋轴近似垂直于地球赤道面，太阳X射线探测器的探测视场设计为东西向±36°、南北向±30°，以适应由于黄赤交角引起的太阳方位年变化.大的探测视场设计使得GEO轨道大量带电粒子进入准直器，产生次级X射线或直接入射到传感器，造成探测通道存在较大的背景计数；而美国GOES卫星由于具有对日定向系统，探测视场约为2°，探测通道的背景计数极低.

风云二号F星太阳X射线探测器在准直器内部设置了磁铁，用于偏转中低能量的带电粒子，起到了抑制GEO探测通道背景计数的作用.在轨探测结果表明，该探测器可探测C5级别以上的太阳耀斑，与GOES卫星探测数据具有良好一致性，如图 17所示.

图 17

Fig. 16

图 17 FY-2F卫星(a)与GOES卫星(b)于2012年8月17—18日连续监测到的一系列中小级别太阳耀斑对比Fig. 17 Data compared between(a)FY-2F and (b)GOES satellites(Aug.17—18，2012)

表 2(Table 2)

表 2 2012年8月17—18日期间发生的一系列中小级别太阳耀斑 Table 2 Solar flares happened during August 17 to 18，2012 序号 日期(2012年) 起始 峰值时刻(UT) 级别 1 8月17日 0829 0837 C4.7 2 8月17日 1312 1319 M2.4 3 8月17日 1708 1720 M1.0 4 8月17日 0025 0102 M5.5 5 8月18日 0317 0323 M1.8 6 8月18日 0609 0618 C6.1

表 2 2012年8月17—18日期间发生的一系列中小级别太阳耀斑 Table 2 Solar flares happened during August 17 to 18，2012

风云二号F星太阳X射线探测器相比过去同类设备进行了显著的技术改进，具有高能谱分辨能力；该探测器上天前通过放射源定标、同步辐射定标 验证.风云二号F星太阳X射线探测器在24周太 阳活动峰年取得了丰富的探测数据，精细能谱观测反映了不同耀斑过程的X射线能谱时间变化特征，验证了该设备对我国空间天气监测预警提供数据服务的能力.