如此高性能的器件,国际上已经有成熟产品,但国内还没有研制过。考虑到引进存在的困难和风险,也牵引开展了国内的技术攻关。经过7年攻关,中电科44所的紫外CCD传感器(9200*9200像素,单像素尺寸10微米)已经可以满足技术指标,甚至在多项指标上超过进口产品(图4 中列出来其他优势指标,进口产品应该是Teledyne e2V 290-99)。比如图像的均匀性,就没有进口产品因为背照工艺留下的干扰条纹。在国家天文台兴隆站80cm望远镜的实测中也表现出和进口产品相当的性能。最终CSST采用进口和国产CCD混装的方案。此外长光辰芯也攻克了紫外CMOS传感器(9000*9200像素,单像素尺寸10微米),将在后续多个项目中得到应用。
CSST团队在传感器攻关中主要的作用是制定了能覆盖空间天文观测的详细的指标体系,并且提供测试标准雨测试反馈。
为了进行包括真空、热、力学等各项试验,需要先生产鉴定件。拼接焦面鉴定件由30+1片CCD传感器拼接组成,主成像区尺寸500mm*600mm,工作温度下平面度优于±30微米。传感器不同颜色是针对不同波段做了优化,还包含没有电性能的机械片(图6,应该是只为试验安排的),在2024年11月交付。
为了进行低温真空试验,团队自研了制冷设备和低温面形测量仪器,在真空罐中完成了工作温度下平面度的验证。研制过程中还有很多这样自研仪器的故事。
目前焦面已经和滤光片与光栅完成装配,与电箱等结构在光电所集成到相机主体上,完成了整机热平衡、热真空与热光学试验。在试验前,曾发现本底噪声在整机集成后异常上升(4.5电子→6.3电子)的问题,最后花了三周时间,锁定了焦面后加热片的天线效应产生辐射干扰的原因。
在热真空罐中,鉴定件得到了首幅整机暗场图像,即在完全无光环境下传感器积分得到的图像,验证了读出噪声和暗电流等指标完全满足要求。图像中还可以看到机械片的模拟信号和电性片的放大器信号等不参与考核的传感器。
今年2月至5月,巡天相机鉴定件在长春光机所完成与光学系统的联调联试,现在已经进入正样研制阶段。
在巡天模块之外,CSST的精测模块还有4台观测仪器,包括太赫兹仪(分子谱线巡测,紫金山天文台)、星冕仪(系外行星直接成像,南京天光所)、二合一的多通道成像仪和积分视场光谱仪(分三色观测与光谱观测,上海技物所与上海天文台联合研制)。整个望远镜系统还包括巡天光学设施(长春光机所)、精密稳像(上海技物所)、地面应用系统(空间应用中心)、科学数据处理系统(国家天文台与上海天文台)以及飞行平台(航天五院)。
光学系统采用了特色的离轴三反设计,通过三个镜面的自由度,可以把像差校准到很好的水平,保证很高的像质。而且离轴设计避免的镜面支撑结构对成像的干扰,消除了衍射产生的星芒,可以得到非常圆的像斑,对星系形状的测量非常有利。
CSST预计在未来几年内发射,成为未来十年内国际唯一一台覆盖紫外到可见光波段的大口径空间望远镜,兼具巡天和精测能力,紫外波段也很有特色,在视场和深度上都有优势,具有很强的科学竞争力。
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