
一款主要由商用部件打造的相机已在轨运行约两年,其开发者认为,该设计可以消除空间天文学中最大的成本障碍之一,即航天级紫外探测器的价格。
在轨性能经过验证的航天级天文相机向来价格昂贵,而多数传感器在紫外波段的量子效率偏低,更让紫外观测举步维艰。LUVCam项目由多伦多大学邓拉普研究所(Dunlap Institute)牵头,围绕大画幅商用现货CMOS传感器Gpixel GSENSE4040BSI打造,并配有定制的读出电子学、固件和结构。这块4096乘4096像素、像元9微米的探测器,在580纳米处峰值量子效率达到90%,在200至300纳米的紫外波段量子效率为55%,而硅基传感器在这一波段历来效率低下。高增益模式下的实测读出噪声为1.7个电子,低于厂商规格的2.3。该相机不受ITAR管制,且据作者所述,制造成本低廉。
成本论点建立在空间天文学经济性的错配之上。发射成本已下降一个多数量级,如今采购半米级望远镜的航天器平台并完成发射,总花费可低于500万美元,而仪器价格并未随之下降。论文指出,美国天文学会(American Astronomical Society)2023年1月组织的一场研讨会,将缺乏具备太空飞行记录的低成本高性能紫外/光学相机列为关键障碍之一。
首台LUVCam作为技术演示载荷搭载于GRBBeta升空。GRBBeta是一颗用作伽马射线暴探测器试验平台的2U立方星,于2024年7月9日随阿里安6号火箭(Ariane 6)首飞进入轨道。该载荷尺寸为96乘96乘44.5毫米,重287克,并在剩余空间内收纳了一台小巧的定制紫外望远镜:焦距55.77毫米的三片式镜头,带240至310纳米带通,视场9.5度,入瞳孔径比传感器本身还小。团队原本计划采用带LED平场光源的密封相机,后来发现GRBBeta的一个侧板既无太阳能电池也无天线,便将该侧板换成散热器,并为相机留出通向开阔天空的通道。
技术演示的要求被刻意定得不高:验证噪声性能、抗辐射能力以及经受发射和热循环考验的能力,在轨运行至少90天,成本不超过5万加元(不含一次性工程费用)。从设计到交付用时不到一年。该相机已达到技术就绪水平7级(TRL 7),即该技术已在空间环境中得到演示验证,目前性能表征工作仍在进行中。
辐射测试为设计提供了依据。在温哥华TRIUMF设施进行的加速质子辐照试验中,一款较小的同系列传感器在总剂量达到100千拉德后,读出噪声大约翻倍,暗电流增大了约60倍,而出现非线性的像素不足0.2%。作者认为,对于低地球轨道上不超过10年的任务,这些影响是可控的,同时指出,辐射损伤不仅取决于总剂量,剂量率同样重要。
紫外观测的背景解释了设计的部分考量。过去50年间在轨的大多数紫外望远镜,包括GALEX,都采用微通道板探测器,这类探测器在观测亮源时会出现局部增益损失。恒星紫外通量目录TD1收录了31215颗恒星的测量数据,作者估算,一台孔径约20毫米、采用现代镀膜和高紫外效率传感器的望远镜,灵敏度可接近1970年代搭载于TD-1A卫星上的27厘米S2/68仪器。
LUVCam已列入多项后续任务的飞行计划。摘要列出的一颗技术演示立方星计划于2026年发射,结论部分还提到,另一次轨道飞行计划于2027年底进行,将采用背照式传感器和升级版电子学,并把观测范围拓展至远紫外。该相机还将为QUVIK提供两台焦平面相机。QUVIK是一项双通道紫外暂现天文任务,也是捷克的首台空间望远镜,项目预算约3000万欧元,计划2029年发射,将瞄准千新星,即中子星碰撞事件,此类碰撞会锻造出比铁更重的元素。邓拉普研究所称LUVCam是其首次涉足空间仪器研制,并表示相关成果将为QUVIK任务提供参考。
开发者认为,控制器平台的设计使其能随传感器性能提升而保持先进性,后续迭代计划围绕其他Gpixel、Sony和Fairchild Imaging探测器展开。在不同代际传感器之间保持电子学实质相似,可维持鉴定基础,而低成本则有利于提高飞行频率。论文称,其目标是在不远的将来,让单个机构也能以低成本、在短时间内设计、研制并发射世界级望远镜。
婷 翻译

