轻量化大面积嵌套聚焦型X射线望远镜

doi:10.7527/S1000-6893.2022.26671

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轻量化大面积嵌套聚焦型X射线望远镜

李保权¹^,²(), 李海涛¹^,², 曹阳¹, 桑鹏¹, 刘亚宁¹, 余道淳¹^,²

^1.中国科学院国家空间科学中心，北京　100190
^2.中国科学院大学，北京　100049

收稿日期:2021-11-17 修回日期:2021-12-27 接受日期:2022-03-08 出版日期:2023-02-15 发布日期:2022-05-09
通讯作者: 李保权 E-mail:lbq@nssc.ac.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2017YFB0503300);国家自然科学基金(41604152);中国科学院青年创新促进会(2018178)

Nested focusing X-ray telescope with lightweight and large photon collecting area

Baoquan LI¹^,²(), Haitao LI¹^,², Yang CAO¹, Peng SANG¹, Yaning LIU¹, Daochun YU¹^,²

^1.National Space Science Center，Chinese Academy of Sciences，Beijing 　100190，China
^2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 　100049，China

Received:2021-11-17 Revised:2021-12-27 Accepted:2022-03-08 Online:2023-02-15 Published:2022-05-09
Contact: Baoquan LI E-mail:lbq@nssc.ac.cn
Supported by:
National Key Research and Development Program of China(2017YFB0503300);National Natural Science Foundation of China(41604152);Youth Innovation Promotion Association CAS(2018178)

摘要/Abstract

摘要：

嵌套聚焦型X射线望远镜在脉冲星自主导航、X射线天文学等领域有广泛的应用需求。论文开展了紧凑型、大面积、嵌套聚焦型X射线望远镜的光学优化设计，成功探索出基于轻质平面玻璃的X射线掠入射反射镜热成型、镜面精密切割、嵌套同轴共焦装配等工艺流程，研制了一款轻量化、大面积、嵌套聚焦型X射线望远镜（NFXT）。NFXT镜面轴向长度300 mm，厚度0.3 mm，镜面溅射Ir金属膜，膜层厚度300 nm，镜面粗糙度优于0.3 nm（rms）。NFXT共计11层嵌套，每层圆周向等分3个扇区，内8层镜面为近似抛物面的锥形镜，外3层为抛物面镜，11层镜面同轴共焦装配。NFXT净几何面积175 cm²，有效探测面积130 cm²@1.5 keV，轴上视场聚焦光斑半径0.85 mm（EoE=50%），包络尺寸（直径×高度）为200 mm×326 mm，能谱响应范围0.2~12 keV，后工作距1300 mm，重量4.25 kg。NFXT技术突破，为国内开展脉冲星导航试验验证，以及研制先进的X射线天文卫星提供关键技术支撑。

关键词: 脉冲星导航, 嵌套聚焦型X射线望远镜, 掠入射抛物面镜, X射线聚焦, X射线天文卫星

Abstract:

Nested focusing X-ray telescopes have a wide range of demands in the fields of pulsar autonomous navigation and X-ray astronomy. The optical optimization design of a compact， large-area， and nested focusing X-ray telescope is carried out in this paper， and the process of thermoforming， precision mirror cutting， and nested coaxial confocal of X-ray grazing incidence mirrors are successfully explored based on lightweight flat glass. A lightweight， large-area， Nested Focusing X-ray Telescope （NFXT） has been developed. The axial length of single-layer mirror of NFXT is 300 mm， and the thickness is 0.3 mm. The Ir metal film is sputtered on the reflective surface of curved mirror with 300 nm thickness， and the roughness of the metal coating is better than 0.3 nm（rms）. The NFXT has 11 layered nested mirrors in the radial direction， with each layer consisting of three equal sectors in the circumference direction. The inner 8 layers are the conical mirrors that are approximately parabolic， and the outer 3 layers are parabolic mirrors. The 11 layers of mirrors are assembled into the same axis and same focus. The net geometric area of the NFXT engineering prototype is 175 cm²， with the effective area being 130 cm²@1.5keV， and the focal spot radius of 0° field of view being 0.85 mm （EoE=50%）. The engineering prototype weighs 4.25 kg， having an envelope size of diameter×height 200 mm×326 mm， 0.2-12 keV energy response range and back working distance of 1 300 mm. The breakthrough of the NFXT technology provides key technical support for the domestic pulsar navigation experiments and advanced X-ray astronomical satellites.

Key words: Pulsar navigation, nested focusing X-ray telescope, grazing incidence parabolic mirrors, X-ray focusing, X-ray astronomical satellite

中图分类号:

V448.2

李保权, 李海涛, 曹阳, 桑鹏, 刘亚宁, 余道淳. 轻量化大面积嵌套聚焦型X射线望远镜[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526671-526671.

Baoquan LI, Haitao LI, Yang CAO, Peng SANG, Yaning LIU, Daochun YU. Nested focusing X-ray telescope with lightweight and large photon collecting area[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(3): 526671-526671.

图/表 13

图 1

表1

图 2

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图 12

参考文献 37

1	SHEIKH S I， PINES D J， RAY P S， et al. Spacecraft navigation using X-ray pulsars［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2006， 29（1）： 49-63.
2	帅平，李明，陈绍龙. X射线脉冲星导航系统原理与方法［M］. 北京：中国宇航出版社， 2009.
	SHUAI P， LI M， CHEN S L. Principle and method of X-ray pulsar navigation system［M］. Beijing： China Aerospace Publishing House， 2009 （in Chinese）.
3	WOOD K S， DETERMAN J R， RAY P S， et al. Using the Unconventional Stellar Aspect （USA） experiment on ARGOS to determine atmospheric parameters by X-ray occultation［C］∥ International Symposium on Optical Science and Technology. San Francisco： SPIE， 2002： 258-265.
4	WINTERNITZ L B， HASSOUNEH M A， MITCHELL J W， et al. SEXTANT X-ray pulsar navigation demonstration： Additional on-orbit results： AIAA-2018-2538［R］. Reston： AIAA， 2018.
5	帅平，刘群，黄良伟，等. 首颗脉冲星导航试验卫星及其观测结果［J］. 中国惯性技术学报， 2019， 27（3）： 281-287.
	SHUAI P， LIU Q， HUANG L W， et al. Pulsar navigation test satellite XPNAV-1 and its observation results［J］. Journal of Chinese Inertial Technology， 2019， 27（3）： 281-287 （in Chinese）.
6	李连升，梅志武，吕政欣，等. 掠入射聚焦型X射线脉冲星望远镜及在轨数据分析［J］. 兵器装备工程学报， 2017， 38（12）： 175-179.
	LI L S， MEI Z W， LYU Z X， et al. Grazing incidence focusing X-ray pulsar telescope and analysis of In-orbit observation data［J］. Journal of Ordnance Equipment Engineering， 2017， 38（12）： 175-179 （in Chinese）.
7	张大鹏，王奕迪，姜坤，等. XPNAV-1卫星实测数据处理与分析［J］. 宇航学报， 2018， 39（4）： 411-417.
	ZHANG D P， WANG Y D， JIANG K， et al. Measured data processing and analysis for XPNAV-1［J］. Journal of Astronautics， 2018， 39（4）： 411-417 （in Chinese）.
8	周庆勇，魏子卿，姜坤，等. 一种聚焦型X射线探测器在轨性能标定方法［J］. 物理学报， 2018， 67（5）： 050701.
	ZHOU Q Y， WEI Z Q， JIANG K， et al. A method of calibrating effective area of focusing X-ray detector by using normal spectrum of Crab pulsar［J］. Acta Physica Sinica， 2018， 67（5）： 050701 （in Chinese）.
9	HUANG L W， SHUAI P， ZHANG X Y， et al. Pulsar-based navigation results： Data processing of the X-ray pulsar navigation-I telescope［J］. Journal of Astronomical Telescopes， Instruments， and Systems， 2019， 5（1）： 018003.
10	周庆勇，魏子卿，姜坤，等. 面向脉冲星导航的聚焦型X射线探测器测试标定方法研究［J］. 光子学报， 2020， 49（6）： 27-39.
	ZHOU Q Y， WEI Z Q， JIANG K， et al. Research on the test and calibration method of a focusing X-ray detector for pulsar navigation［J］. Acta Photonica Sinica， 2020， 49（6）： 27-39 （in Chinese）.
11	周庆勇，盛立志，魏子卿，等. 微通道板型X射线探测器的脉冲信号探测能力实验分析［J］. 光子学报， 2018， 47（9）： 175-185.
	ZHOU Q Y， SHENG L Z， WEI Z Q， et al. Experimental analysis of pulse signal detection capability of the MCP X-ray detector［J］. Acta Photonica Sinica， 2018， 47（9）： 175-185 （in Chinese）.
12	TURNER M J L， THOMAS H D， PATCHETT B E， et al. The large area counter on Ginga［J］. Publications of the Astronomical Society of Japan， 1989， 41： 345-372.
13	JAHODA K， MARKWARDT C B， RADEVA Y， et al. Calibration of the Rossi X-ray timing explorer proportional counter array［J］. The Astrophysical Journal Letters Supplement Series， 2006， 163（2）： 401-423.
14	SHAPOSHNIKOV N， JAHODA K， MARKWARDT C， et al. Advances in therxteproportional counter array calibration： Nearing the statistical limit［J］. The Astrophysical Journal Letters， 2012， 757（2）： 159.
15	GORENSTEIN P. Grazing incidence telescopes for X-ray astronomy［J］. Optical Engineering， 2012， 51（1）： 011010.
16	ZHANG W W， BISKACH M P， BLAKE P N， et al. High resolution and high throughput X-ray optics for future astronomical missions［C］∥ SPIE Optical Engineering + Applications. San Diego： SPIE， 2013： 231-243.
17	黎月明，邓楼楼，杨健，等. 电铸镍Wolter-I型光学系统制造技术发展综述［J］. 空间控制技术与应用， 2020， 46（2）： 8-15.
	LI Y M， DENG L L， YANG J， et al. Manufacturing technology and application development of electroformed nickel Wolter-I optical system［J］. Aerospace Control and Application， 2020， 46（2）： 8-15 （in Chinese）.
18	李连升，梅志武，邓楼楼，等. 掠入射聚焦型X射线脉冲星望远镜装配误差分析与在轨验证［J］. 机械工程学报， 2018， 54（11）： 49-60.
	LI L S， MEI Z W， DENG L L， et al. Assembly error analysis and in-orbit verification of grazing incidence focusing X-ray pulsar telescope［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2018， 54（11）： 49-60 （in Chinese）.
19	刘宏颖，穆宝忠，王占山. Wolter-Ⅰ型X射线天文望远镜的光学设计［J］. 光学仪器， 2012， 34（6）： 31-36.
	LIU H Y， MU B Z， WANG Z S. Optical design of Wolter-Ⅰ X-ray astronomical telescope［J］. Optical Instruments， 2012， 34（6）： 31-36 （in Chinese）.
20	李保权，朱光武，王世金，等. 太阳X-EUV成像望远镜［J］. 地球物理学报， 2005， 48（2）： 235-242.
	LI B Q， ZHU G W， WANG S J， et al. The solar X-EUV imaging telescope［J］. Chinese Journal of Geophysics， 2005， 48（2）： 235-242 （in Chinese）.
21	李保权. 静止轨道卫星太阳X-EUV成像望远镜［D］. 北京：中国科学院研究生院， 2004.
	LI B Q. The solar X-EUV imaging telescope aboard the geostationary orbit satellite［D］. Beijng： Graduate School of Chinese Academy of Sciences， 2004 （in Chinese）.
22	王波，杨彦佶，王殿龙，等. X射线聚焦镜的超精密制造［J］. 光学精密工程， 2021， 29（8）： 1839-1846.
	WANG B， YANG Y J， WANG D L， et al. Ultra-precision manufacture of X-ray focusing mirror［J］. Optics and Precision Engineering， 2021， 29（8）： 1839-1846 （in Chinese）.
23	茹巧巧. 基于条纹反射法的X射线嵌套镜模具面形检测［D］. 苏州：苏州大学， 2019.
	RU Q Q. Shape measurement of X-ray nested mirror moulds based on stripe reflection method［D］. Suzhou： Soochow University， 2019 （in Chinese）.
24	DE CHAMBURE D， LAINE R， VAN KATWIJK K， et al. Lessons learned from the development of the XMM optics［C］∥ Optical Systems Design and Production. San Francisco： SPIE， 1999： 2-17.
25	CITTERIO O， CONCONI P， GHIGO M， et al. Development of soft and hard X-ray optics for astronomy［C］∥ International Symposium on Optical Science and Technology. San Francisco： SPIE， 2000： 43-56.
26	PARESCHI G， CITTERIO O， GHIGO M， et al. Replication by Ni electroforming approach to produce the Con-X/HXT hard X-ray mirrors［C］∥ Astronomical Telescopes and Instrumentation. San Francisco： SPIE， 2003： 528-537.
27	ATKINS C， RAMSEY B， KILARU K， et al. X-ray optic developments at NASA's MSFC［C］∥ SPIE Optics + Optoelectronics. San Francisco： SPIE， 2013： 185-193.
28	ZHANG W W， BISKACH M P， BLAKE P N， et al. Next generation astronomical X-ray optics： High angular resolution， light weight， and low production cost［C］∥ SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation. San Francisco： SPIE， 2012： 206-214.
29	GHIGO M， PROSERPIO L， BASSO S， et al. Slumping technique for the manufacturing of a representative X-ray grazing incidence mirror module for future space missions［C］∥ SPIE Optifab. San Francisco： SPIE， 2013： 417-430.
30	CRAIG W W， AN H J， BLAEDEL K L， et al. Fabrication of the NuSTAR flight optics［C］∥ SPIE Optical Engineering + Applications. San Francisco： SPIE， 2011： 151-164.
31	KOGLIN J E， AN H J， BLAEDEL K L， et al. NuSTAR hard X-ray optics design and performance［C］∥ SPIE Optical Engineering + Applications. San Francisco： SPIE， 2009： 107-114.
32	GENDREAU K C， ARZOUMANIAN Z， OKAJIMA T. The Neutron star Interior Composition Explorer （NICER）： An Explorer mission of opportunity for soft X-ray timing spectroscopy［C］∥ SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation. San Francisco： SPIE， 2012： 322-329.
33	OKAJIMA T， SOONG Y， BALSAMO E R， et al. Performance of NICER flight X-ray concentrator［C］∥ SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation. Space Telescopes and Instrumentation 2016： Ultraviolet to Gamma Ray. San Francisco：SPIE，2016： 1495-1501.
34	PETRE R， SERLEMITSOS P J. Conical imaging mirrors for high-speed X-ray telescopes［J］. Applied Optics， 1985， 24（12）： 1833.
35	AWAKI H， OGASAKA Y， KUNIEDA H， et al. Current status of the Astro-H X-ray Telescope system［C］∥ SPIE Optical Engineering + Applications. San Francisco： SPIE， 2009： 28-35.
36	BALSAMO E， GENDREAU K， ARZOUMANIAN Z， et al. Concept study X-ray testing for NICER's X-ray concentrators［C］∥ SPIE Optical Engineering + Applications. San Francisco： SPIE， 2013： 587-594.
37	SERLEMITSOS P J. Conical foil X-ray mirrors： Performance and projections［J］. Applied Optics， 1988， 27（8）： 1447-1452.

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镜面序号i	P参数/cm	δy/cm	出射左端点x坐标/cm	出射左端点y坐标/cm	左端掠射角/（°）	入射右端点x坐标/cm	入射右端点y坐标/cm	右端掠射角/（°）	有效面积 /cm²@1.5 keV
1	0.243 140 0	0.865 009 9	131.589 8488	8.000 000 0	1.740 826 1	161.489 848 8	8.865 009 9	1.571 053 4	40.478 78
2	0.198 033 4	0.779 598 3	131.530 7714	7.220 401 7	1.571 053 4	161.489 848 8	8.000 000 0	1.418 020 5	32.412 49
3	0.161 335 8	0.702 886 5	131.564 0688	6.517 515 2	1.418 020 5	161.489 848 8	7.220 401 7	1.280 028 5	25.957 31
4	0.131 465 6	0.633 918 5	131.591 1739	5.883 596 7	1.280 028 5	161.489 848 8	6.517 515 2	1.155 563 6	20.738 08
5	0.107 143 7	0.571 861 4	131.613 2460	5.311 735 3	1.155 563 6	161.489 848 8	5.883 596 7	1.043 273 7	16.542 79
6	0.087 333 4	0.515 984 7	131.631 2248	4.795 750 6	1.043 273 7	161.489 848 8	5.311 735 3	0.941 948 8	13.154 49
7	0.071 193 8	0.465 645 4	131.645 8731	4.330 105 2	0.941 948 8	161.489 848 8	4.795 750 6	0.850 504 0	10.435 00
8	0.058 042 2	0.420 274 2	131.657 8100	3.909 831 0	0.850 504 0	161.489 848 8	4.330 105 2	0.767 965 7	8.216 466
9	0.047 323 5	0.379 365 8	131.667 5389	3.530 465 2	0.767 965 7	161.489 848 8	3.909 831 0	0.693 458 6	6.408 405
10	0.038 586 6	0.342 470 2	131.675 4693	3.187 995 0	0.693 458 6	161.489 848 8	3.530 465 2	0.626 195 8	4.961 756
11	0.031 464 3	0.309 185 7	131.681 9343	2.878 809 4	0.626 195 8	161.489 848 8	3.187 995 0	0.565 468 8	3.793 717

[1]	熊凯, 魏春岭, 李连升, 周鹏. 基于扩维QLEKF的脉冲星/星间定向组合导航[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526232-526232.
[2]	徐国栋, 张丹蕾, 徐振东. 脉冲星特征频率信号的到达时间处理方法[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526185-526185.
[3]	张大鹏, 呼延宗泊, 李恒年. 基于卫星实测数据的X射线脉冲星导航体制验证[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526510-526510.
[4]	周庆勇, 闫林丽, 李连升, 冯来平, 石永强, 孙鹏飞, 方柳, 王龙. XPNAV⁃1卫星聚焦型X射线脉冲星望远镜在轨稳定性分析[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526610-526610.
[5]	盛立志, 郑伟, 苏桐, 张大鹏, 王奕迪, 杨向辉, 徐能, 李治泽. “天枢Ⅱ号”X射线脉冲星导航动态模拟系统及实验验证[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526656-526656.
[6]	赵成仕, 高玉平, 童明雷, 朱幸芝, 罗近涛. 导航脉冲星星历表时空参考系统一性问题[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526580-526580.
[7]	苏剑宇, 方海燕, 高敬敬, 赵良. X射线脉冲星导航的最优观测周期确定[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526597-526597.
[8]	印俊秋, 刘云鹏, 汤晓斌. 基于仿脉冲星X射线信标的航天器定位方法[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526596-526596.
[9]	姜坤, 焦文海, 郝晓龙, 刘莹, 王奕迪, 张新源, 国际. 脉冲星试验01星科学试验与成果[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526611-526611.
[10]	韩大炜, 郑世界, 庹攸隶, 葛明玉, 宋黎明, 李新乔, 文向阳, 熊少林. 利用GECAM卫星Crab脉冲星观测数据的定轨分析[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526641-526641.
[11]	左富昌, 梅志武, 邓楼楼, 周昊, 贝晓敏, 黎月明. 脉冲星角位置强度关联测量聚焦光学系统[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 527124-527124.
[12]	刘金胜, 王博, 宋娟, 王文丛, 李璟璟, 徐振华. Wolter‑I型X射线脉冲星探测器的空间环境本底分析[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526599-526599.
[13]	郑伟, 王禹淞, 姜坤, 王奕迪. X射线脉冲星导航方法研究综述[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 527451-527451.
[14]	李连升, 梅志武, 谢军, 姜坤, 石永强, 曹振, 左富昌. X射线聚焦光学在脉冲星探测领域的应用[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 528286-528286.
[15]	周庆勇, 魏子卿, 雷耀虎, 刘思伟, 郝晓龙, 吴富梅, 杨彦佶, 强鹏飞. 面向脉冲星深空基准建立的X射线望远镜及发展设想[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526608-526608.

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Nested focusing X-ray telescope with lightweight and large photon collecting area

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