空间X射线反射式聚焦系统的同步辐射表征技术
田纳玺, 谢佳男, 蒋晖, 杨宇
航空学报
2023, 44 ( 3):
527386-527386.
DOI: 10.7527/S1000-6893.2022.27386
针对脉冲星观测与计时导航等领域对空间X射线望远镜测试与标定的迫切需求，综述了目前国内外基于同步辐射和X射线自由电子激光光源发展的多种高精度的反射式聚焦系统的面形检测、系统标定和反射率计量测量技术。着重介绍了细光束、哈特曼波前传感器、光栅干涉、近场散斑等面形测试方法在不同尺度和面形的反射镜在线测量中的应用，阐明了其在工程应用中的优劣。介绍了同步辐射装置在空间X射线望远镜的在线成像和校准以及反射率计量上已开展的卓有成效工作。期望通过相关综述介绍，可以推广空间X射线望远镜反射元件广泛利用同步辐射等大科学装置进行性能表征实验，以此促进相关领域的进一步发展。国内同步辐射大科学装置的建立和蓬勃发展为大尺度空间X射线望远镜的在线检测、校准和光学性能表征提供了重要支撑。
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图2
龙虾眼型望远镜的原理示意图和首飞样机
正文中引用本图/表的段落
空间X射线聚焦光学系统是开展X射线脉冲星科学探测与计时导航的基础元件。最常见的聚焦型X射线光学系统包括Wolter、K-B和龙虾眼等类型的聚焦反射镜。其中，Wolter型聚焦光学系统于1952年被提出［12］，由2个同轴共焦的旋转抛物面和双曲面构成，主要包括Wolter-Ⅰ（2次内反射）、Ⅱ（1次内反射和1次外反射）、Ⅲ（2次外反射）3种类型，如图1所示［1］。这类结构具有消除色差、减少慧差，并增大数值孔径等优点。其中Wolter-I型望远镜系统因易于工程加工而获得广泛应用。X射线以掠入射角入射到超光滑镜片的内表面，通过2次反射后将X射线聚焦在焦点处。龙虾眼型聚焦反射镜是1979年Angel［13］根据龙虾的眼球方形结构特性提出的一种用于X射线聚焦的光学系统，一般采用微通道板方孔阵列技术研制而成，其特殊的正交几何结构使其在各个方向的聚焦成像能力相同，是一种非常紧凑的光学设计，基本工作原理如图2（a）［14］所示。目前国内外具备研制该类光学系统的单位主要包括英国莱斯特大学、史密森天体物理学天文台、捷克天文学研究所［15］、法国Photonis公司以及中国的北方夜视技术股份有限公司［16］、北京空间机电研究所等。图2（b）为2015年美国首飞的软X射线龙虾眼型望远镜［17］。
最常用的散斑测量法是追迹模式，分为“差分检测”和“绝对检测”2种实验架构，如图11所示。“差分检测”比较移入移出样品后散斑的变化来实现待测样品的相位重构。“绝对检测”则通过移动探测器记录不同位置下的2张散斑图。对这2张图中进行匹配计算散斑畸变，来定量分析波前分布。数字图像相关算法（DIC）是计算散斑形变和偏移量的主要算法之一［56］。使用该算法对散斑追迹得到的2张散斑图中局部感兴趣区域（子集）进行匹配，得到散斑位移形变μx，z （如图12所示［53］），再根据其与波前畸变之间的关系，即可提取出包含其中的局部波前斜率θx，z，即
相对于单层反射膜的测量，多层反射膜尤其是非周期多层膜的膜系结构的表征较为复杂，也更加需要类似同步辐射光束这样的高亮度光束进行大范围的角度或能量扫描，以获得更多的布拉格反射峰，以获得精确的结构参数. ... Spiegelsysteme streifenden einfalls als abbildende optiken für r?ntgenstrahlen 1 1952 ... 空间X射线聚焦光学系统是开展X射线脉冲星科学探测与计时导航的基础元件.最常见的聚焦型X射线光学系统包括Wolter、K-B和龙虾眼等类型的聚焦反射镜.其中，Wolter型聚焦光学系统于1952年被提出［12］，由2个同轴共焦的旋转抛物面和双曲面构成，主要包括Wolter-Ⅰ（2次内反射）、Ⅱ（1次内反射和1次外反射）、Ⅲ（2次外反射）3种类型，如图1所示［1］.这类结构具有消除色差、减少慧差，并增大数值孔径等优点.其中Wolter-I型望远镜系统因易于工程加工而获得广泛应用.X射线以掠入射角入射到超光滑镜片的内表面，通过2次反射后将X射线聚焦在焦点处.龙虾眼型聚焦反射镜是1979年Angel［13］根据龙虾的眼球方形结构特性提出的一种用于X射线聚焦的光学系统，一般采用微通道板方孔阵列技术研制而成，其特殊的正交几何结构使其在各个方向的聚焦成像能力相同，是一种非常紧凑的光学设计，基本工作原理如图2（a）［14］所示.目前国内外具备研制该类光学系统的单位主要包括英国莱斯特大学、史密森天体物理学天文台、捷克天文学研究所［15］、法国Photonis公司以及中国的北方夜视技术股份有限公司［16］、北京空间机电研究所等.图2（b）为2015年美国首飞的软X射线龙虾眼型望远镜［17］. ... Lobster eyes as X-ray telescopes 1 1979 ... 空间X射线聚焦光学系统是开展X射线脉冲星科学探测与计时导航的基础元件.最常见的聚焦型X射线光学系统包括Wolter、K-B和龙虾眼等类型的聚焦反射镜.其中，Wolter型聚焦光学系统于1952年被提出［12］，由2个同轴共焦的旋转抛物面和双曲面构成，主要包括Wolter-Ⅰ（2次内反射）、Ⅱ（1次内反射和1次外反射）、Ⅲ（2次外反射）3种类型，如图1所示［1］.这类结构具有消除色差、减少慧差，并增大数值孔径等优点.其中Wolter-I型望远镜系统因易于工程加工而获得广泛应用.X射线以掠入射角入射到超光滑镜片的内表面，通过2次反射后将X射线聚焦在焦点处.龙虾眼型聚焦反射镜是1979年Angel［13］根据龙虾的眼球方形结构特性提出的一种用于X射线聚焦的光学系统，一般采用微通道板方孔阵列技术研制而成，其特殊的正交几何结构使其在各个方向的聚焦成像能力相同，是一种非常紧凑的光学设计，基本工作原理如图2（a）［14］所示.目前国内外具备研制该类光学系统的单位主要包括英国莱斯特大学、史密森天体物理学天文台、捷克天文学研究所［15］、法国Photonis公司以及中国的北方夜视技术股份有限公司［16］、北京空间机电研究所等.图2（b）为2015年美国首飞的软X射线龙虾眼型望远镜［17］. ... Prototyping iridium coated mirrors for X-ray astronomy 1 10235 ... 空间X射线聚焦光学系统是开展X射线脉冲星科学探测与计时导航的基础元件.最常见的聚焦型X射线光学系统包括Wolter、K-B和龙虾眼等类型的聚焦反射镜.其中，Wolter型聚焦光学系统于1952年被提出［12］，由2个同轴共焦的旋转抛物面和双曲面构成，主要包括Wolter-Ⅰ（2次内反射）、Ⅱ（1次内反射和1次外反射）、Ⅲ（2次外反射）3种类型，如图1所示［1］.这类结构具有消除色差、减少慧差，并增大数值孔径等优点.其中Wolter-I型望远镜系统因易于工程加工而获得广泛应用.X射线以掠入射角入射到超光滑镜片的内表面，通过2次反射后将X射线聚焦在焦点处.龙虾眼型聚焦反射镜是1979年Angel［13］根据龙虾的眼球方形结构特性提出的一种用于X射线聚焦的光学系统，一般采用微通道板方孔阵列技术研制而成，其特殊的正交几何结构使其在各个方向的聚焦成像能力相同，是一种非常紧凑的光学设计，基本工作原理如图2（a）［14］所示.目前国内外具备研制该类光学系统的单位主要包括英国莱斯特大学、史密森天体物理学天文台、捷克天文学研究所［15］、法国Photonis公司以及中国的北方夜视技术股份有限公司［16］、北京空间机电研究所等.图2（b）为2015年美国首飞的软X射线龙虾眼型望远镜［17］. ... LOBSTER - X-ray astrophysical facility 1 2008 ... 空间X射线聚焦光学系统是开展X射线脉冲星科学探测与计时导航的基础元件.最常见的聚焦型X射线光学系统包括Wolter、K-B和龙虾眼等类型的聚焦反射镜.其中，Wolter型聚焦光学系统于1952年被提出［12］，由2个同轴共焦的旋转抛物面和双曲面构成，主要包括Wolter-Ⅰ（2次内反射）、Ⅱ（1次内反射和1次外反射）、Ⅲ（2次外反射）3种类型，如图1所示［1］.这类结构具有消除色差、减少慧差，并增大数值孔径等优点.其中Wolter-I型望远镜系统因易于工程加工而获得广泛应用.X射线以掠入射角入射到超光滑镜片的内表面，通过2次反射后将X射线聚焦在焦点处.龙虾眼型聚焦反射镜是1979年Angel［13］根据龙虾的眼球方形结构特性提出的一种用于X射线聚焦的光学系统，一般采用微通道板方孔阵列技术研制而成，其特殊的正交几何结构使其在各个方向的聚焦成像能力相同，是一种非常紧凑的光学设计，基本工作原理如图2（a）［14］所示.目前国内外具备研制该类光学系统的单位主要包括英国莱斯特大学、史密森天体物理学天文台、捷克天文学研究所［15］、法国Photonis公司以及中国的北方夜视技术股份有限公司［16］、北京空间机电研究所等.图2（b）为2015年美国首飞的软X射线龙虾眼型望远镜［17］. ... Angel型龙虾眼X射线光学器件的研制及性能测试 2 2021 ... 空间X射线聚焦光学系统是开展X射线脉冲星科学探测与计时导航的基础元件.最常见的聚焦型X射线光学系统包括Wolter、K-B和龙虾眼等类型的聚焦反射镜.其中，Wolter型聚焦光学系统于1952年被提出［12］，由2个同轴共焦的旋转抛物面和双曲面构成，主要包括Wolter-Ⅰ（2次内反射）、Ⅱ（1次内反射和1次外反射）、Ⅲ（2次外反射）3种类型，如图1所示［1］.这类结构具有消除色差、减少慧差，并增大数值孔径等优点.其中Wolter-I型望远镜系统因易于工程加工而获得广泛应用.X射线以掠入射角入射到超光滑镜片的内表面，通过2次反射后将X射线聚焦在焦点处.龙虾眼型聚焦反射镜是1979年Angel［13］根据龙虾的眼球方形结构特性提出的一种用于X射线聚焦的光学系统，一般采用微通道板方孔阵列技术研制而成，其特殊的正交几何结构使其在各个方向的聚焦成像能力相同，是一种非常紧凑的光学设计，基本工作原理如图2（a）［14］所示.目前国内外具备研制该类光学系统的单位主要包括英国莱斯特大学、史密森天体物理学天文台、捷克天文学研究所［15］、法国Photonis公司以及中国的北方夜视技术股份有限公司［16］、北京空间机电研究所等.图2（b）为2015年美国首飞的软X射线龙虾眼型望远镜［17］. ...
为了提高散斑测量法的测量精度，Berujon等提出了散斑扫描测量法.散斑扫描测量法中用于计算散斑形变的散斑图分别由不同扫描时刻下采集的散斑图中对应的像素行拼接而成，如图14所示.原先每个散斑图中的一维像素行被展宽成为了新的二维散斑图.测量中纳米精度的扫描步长替代了式（4）中亚微米级的像素尺寸，显著提升了测量精度. ... X-ray phase imaging with a paper analyzer 1 2012 ... Cerbino等在2008年的研究揭示了X射线近场散斑可以维持尺寸和形状固定的特性［52］.随后Bérujon和Morgan这2个团队分别提出将X射线近场散斑作为波前标记物并进行相位信息检测的散斑测量法［53-54］.其基本原理是传输中的X射线的波前变化会使近场的散斑图样产生相应的畸变，通过记录探测器上静态散斑在不同像素间的变化可以重构出光路中的波前畸变.这种技术很快也被应用于X射线反射镜的在线面形检测［55］. ... Speckle-based at-wavelength metrology of X-ray mirrors with super accuracy 1 2016 ... Cerbino等在2008年的研究揭示了X射线近场散斑可以维持尺寸和形状固定的特性［52］.随后Bérujon和Morgan这2个团队分别提出将X射线近场散斑作为波前标记物并进行相位信息检测的散斑测量法［53-54］.其基本原理是传输中的X射线的波前变化会使近场的散斑图样产生相应的畸变，通过记录探测器上静态散斑在不同像素间的变化可以重构出光路中的波前畸变.这种技术很快也被应用于X射线反射镜的在线面形检测［55］. ... Two-dimensional digital image correlation for in-plane displacement and strain measurement： A review 1 2009 ... 最常用的散斑测量法是追迹模式，分为“差分检测”和“绝对检测”2种实验架构，如图11所示.“差分检测”比较移入移出样品后散斑的变化来实现待测样品的相位重构.“绝对检测”则通过移动探测器记录不同位置下的2张散斑图.对这2张图中进行匹配计算散斑畸变，来定量分析波前分布.数字图像相关算法（DIC）是计算散斑形变和偏移量的主要算法之一［56］.使用该算法对散斑追迹得到的2张散斑图中局部感兴趣区域（子集）进行匹配，得到散斑位移形变μx，z （如图12所示［53］），再根据其与波前畸变之间的关系，即可提取出包含其中的局部波前斜率θx，z，即 ... Linear phase imaging using differential interference contrast microscopy 1 2004 ... 式中：W代表局部波前；p为探测器有效像素尺寸；ΔL为散射体到探测器的距离或探测器移动的距离.根据波前斜率和相位梯度之间的关系，可进一步重构出样品或波前的二维相位分布［57-58］.散射体的颗粒尺寸［59］、算法中的子集选择［60］和光束的振动频率和幅度［61］都决定了散斑追迹技术的精度和分辨率.由式（4）易知该方法的测量精度与μx，z 成正比，而使用寻峰算法、迭代算法等可以将算法精度提高到亚像素量级.具有放大效应的光路可以有效提升了该方法的测量精度［62］.上海同步辐射光源的微聚焦线站也成功利用这种技术得到了直通光束的二维斜率误差分布，如图13所示. ... A two-directional approach for grating based differential phase contrast imaging using hard X-rays 1 2007 ... 式中：W代表局部波前；p为探测器有效像素尺寸；ΔL为散射体到探测器的距离或探测器移动的距离.根据波前斜率和相位梯度之间的关系，可进一步重构出样品或波前的二维相位分布［57-58］.散射体的颗粒尺寸［59］、算法中的子集选择［60］和光束的振动频率和幅度［61］都决定了散斑追迹技术的精度和分辨率.由式（4）易知该方法的测量精度与μx，z 成正比，而使用寻峰算法、迭代算法等可以将算法精度提高到亚像素量级.具有放大效应的光路可以有效提升了该方法的测量精度［62］.上海同步辐射光源的微聚焦线站也成功利用这种技术得到了直通光束的二维斜率误差分布，如图13所示. ... Influence of diffuser grain size on the speckle tracking technique 1 2020 ... 式中：W代表局部波前；p为探测器有效像素尺寸；ΔL为散射体到探测器的距离或探测器移动的距离.根据波前斜率和相位梯度之间的关系，可进一步重构出样品或波前的二维相位分布［57-58］.散射体的颗粒尺寸［59］、算法中的子集选择［60］和光束的振动频率和幅度［61］都决定了散斑追迹技术的精度和分辨率.由式（4）易知该方法的测量精度与μx，z 成正比，而使用寻峰算法、迭代算法等可以将算法精度提高到亚像素量级.具有放大效应的光路可以有效提升了该方法的测量精度［62］.上海同步辐射光源的微聚焦线站也成功利用这种技术得到了直通光束的二维斜率误差分布，如图13所示. ... High-precision speckle-tracking X-ray imaging with adaptive subset size choices 1 2020 ... 式中：W代表局部波前；p为探测器有效像素尺寸；ΔL为散射体到探测器的距离或探测器移动的距离.根据波前斜率和相位梯度之间的关系，可进一步重构出样品或波前的二维相位分布［57-58］.散射体的颗粒尺寸［59］、算法中的子集选择［60］和光束的振动频率和幅度［61］都决定了散斑追迹技术的精度和分辨率.由式（4）易知该方法的测量精度与μx，z 成正比，而使用寻峰算法、迭代算法等可以将算法精度提高到亚像素量级.具有放大效应的光路可以有效提升了该方法的测量精度［62］.上海同步辐射光源的微聚焦线站也成功利用这种技术得到了直通光束的二维斜率误差分布，如图13所示. ... Influence of photon beam and motor vibrations on at-wavelength X-ray speckle scanning metrology 1 2022 ... 式中：W代表局部波前；p为探测器有效像素尺寸；ΔL为散射体到探测器的距离或探测器移动的距离.根据波前斜率和相位梯度之间的关系，可进一步重构出样品或波前的二维相位分布［57-58］.散射体的颗粒尺寸［59］、算法中的子集选择［60］和光束的振动频率和幅度［61］都决定了散斑追迹技术的精度和分辨率.由式（4）易知该方法的测量精度与μx，z 成正比，而使用寻峰算法、迭代算法等可以将算法精度提高到亚像素量级.具有放大效应的光路可以有效提升了该方法的测量精度［62］.上海同步辐射光源的微聚焦线站也成功利用这种技术得到了直通光束的二维斜率误差分布，如图13所示. ... X-ray phase microscopy using the speckle tracking technique 1 2013 ... 式中：W代表局部波前；p为探测器有效像素尺寸；ΔL为散射体到探测器的距离或探测器移动的距离.根据波前斜率和相位梯度之间的关系，可进一步重构出样品或波前的二维相位分布［57-58］.散射体的颗粒尺寸［59］、算法中的子集选择［60］和光束的振动频率和幅度［61］都决定了散斑追迹技术的精度和分辨率.由式（4）易知该方法的测量精度与μx，z 成正比，而使用寻峰算法、迭代算法等可以将算法精度提高到亚像素量级.具有放大效应的光路可以有效提升了该方法的测量精度［62］.上海同步辐射光源的微聚焦线站也成功利用这种技术得到了直通光束的二维斜率误差分布，如图13所示. ... At-wavelength metrology of hard X-ray mirror using near field speckle 1 2014 ... 散斑扫描法具有高测量精度，但测量耗时较多.在反射镜的面形测量中，往往采用一维扫描的办法，而另一个方向保持散斑追迹测量的精度.这种快速一维高精度的散斑扫描测量法在X射线元件检测和面形优化中都得到了有效应用［63-64］.一维散斑扫描测量又可以分为“前束流”和“后束流”2种实验架构［65］，如图15所示. ... Speckle based X-ray wavefront sensing with nanoradian angular sensitivity 1 2015 ... 散斑扫描法具有高测量精度，但测量耗时较多.在反射镜的面形测量中，往往采用一维扫描的办法，而另一个方向保持散斑追迹测量的精度.这种快速一维高精度的散斑扫描测量法在X射线元件检测和面形优化中都得到了有效应用［63-64］.一维散斑扫描测量又可以分为“前束流”和“后束流”2种实验架构［65］，如图15所示. ... Speckle-based at-wavelength metrology of X-ray mirrors with super accuracy 3 2016 ... 散斑扫描法具有高测量精度，但测量耗时较多.在反射镜的面形测量中，往往采用一维扫描的办法，而另一个方向保持散斑追迹测量的精度.这种快速一维高精度的散斑扫描测量法在X射线元件检测和面形优化中都得到了有效应用［63-64］.一维散斑扫描测量又可以分为“前束流”和“后束流”2种实验架构［65］，如图15所示. ...
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