图/表详细信息

图片操作
显示大图下载下载为PPT文件

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

摘要（1507）

HTML （333）

PDF（pc）（5215KB）（2542）

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。

View image in article

图3 嵌套式的Wolter-I型X射线望远镜示意图

正文中引用本图/表的段落

对于X射线脉冲星计时导航而言，多采用单次反射的聚焦光学系统，以提高反射效率，如中国的XPNAV-1，美国NASA的NICER望远镜和欧洲的水星探测器等均采用了单次反射光学系统。而对于空间科学探测而言，致力于脉冲星、黑洞等新发现，需采用2次反射光学系统，以提高成像质量，比如最为著名的空间X射线望远镜之一的Chandra望远镜将高精度抛光加工的微晶玻璃进行多层嵌套，使有效面积达到约800 mm2@1 keV，实现了0.5″的角分辨率，至今未被超越。欧洲的XMM-Newton等望远镜采用电铸镍复制工艺路线的空间X射线反射镜，实现了大面积和15″的角分辨率。随着自适应光学发展，新型X射线望远镜Lynx［18］目标追求与Chandra望远镜相当水平的角分辨率的情况下获得其30倍的视场。在国内，北京控制工程研究所已研制了三代X射线Wolter型聚焦系统，并实现了国内首次在轨验证，目前正在研制如图3（a）所示的大面积多层嵌套的X射线掠入射聚焦望远镜。此外，同济大学、中国科学院西安光学精密机械研究所、苏州大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、哈尔滨工业大学等单位也开展了相关研究。

空间X射线聚焦反射镜通常采用镍、铝［19］、玻璃、硅材料、碳纤维等材料［20］作为基底，然后在表面镀金［11］、铱［16］、铂等单层膜高反材料（见图3（b））或Ir/B₄C、Pt/B₄C、W/Si、W/B₄C、Ni/C等多层膜结构［21］提升探测波段的反射效率，最终实现增大望远镜有效集光面积的目的。

对于X射线脉冲星计时导航而言，多采用单次反射的聚焦光学系统，以提高反射效率，如中国的XPNAV-1，美国NASA的NICER望远镜和欧洲的水星探测器等均采用了单次反射光学系统.而对于空间科学探测而言，致力于脉冲星、黑洞等新发现，需采用2次反射光学系统，以提高成像质量，比如最为著名的空间X射线望远镜之一的Chandra望远镜将高精度抛光加工的微晶玻璃进行多层嵌套，使有效面积达到约800 mm2@1 keV，实现了0.5″的角分辨率，至今未被超越.欧洲的XMM-Newton等望远镜采用电铸镍复制工艺路线的空间X射线反射镜，实现了大面积和15″的角分辨率.随着自适应光学发展，新型X射线望远镜Lynx［18］目标追求与Chandra望远镜相当水平的角分辨率的情况下获得其30倍的视场.在国内，北京控制工程研究所已研制了三代X射线Wolter型聚焦系统，并实现了国内首次在轨验证，目前正在研制如图3（a）所示的大面积多层嵌套的X射线掠入射聚焦望远镜.此外，同济大学、中国科学院西安光学精密机械研究所、苏州大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、哈尔滨工业大学等单位也开展了相关研究. ...

基于ZEMAX的Fizeau干涉仪模型

2010

... 通常空间望远镜的反射镜元件的单项指标检测主要基于实验室的离线设备，比如使用马尔圆度仪检测芯轴的圆度；使用白光干涉仪测量表面粗糙度；使用斐索干涉仪［2］、长程轮廓仪（LTP）［3］和纳米光学测量系统（NOM）［4］检测元件的高度或斜率误差.对于反射镜最重要的中低频的面形信息，受设备视场范围或者斜率范围限制，单次测量不能覆盖较大尺寸或角度范围.基于位置和角度拼接的测量技术近年来被广泛采用以增大镜面测量的有效范围，如日本大阪大学的科研人员发展的微拼接干涉仪［5］和角度拼接干涉仪［6］显著地提高面形误差的测量精度. ...

Fizeau interferometer model base on ZEMAX

2010

Measurement of X-ray telescope mirrors using a vertical scanning long trace profiler

1996

The nanometer optical component measuring machine： A new sub-nm topography measuring device for X-ray optics at BESSY

2004

Microstitching interferometry for X-ray reflective optics

2003

Relative angle determinable stitching interferometry for hard X-ray reflective optics

2005

Synchrotron radiation sources - present capabilities and future directions

1998

... 然而反射镜的安装和运行工况对于面形误差的影响不可忽视，例如系统装配、重力释放、力学冲击、热变形以及入射光本征畸变等.直接利用X射线光源在接近光学系统实际工况，如相似波长、热负载和夹持等条件下开展测量已成为近年来重要的发展方向.这种在线检测弥补了系统测量环境与使用环境差异所带来的影响.于是，美国、德国、日本和中国等均建造基于X射线真空模拟测试系统开展反射率、角分辨率、探测能段等指标的测试与标定.然而该类装置存在如下局限性：① 由于采用了实验室X射线源，其亮度和相干性的缺失使得难以模拟单能大流量的X射线光子；② 目前还难以实现大口径的实验室X射线源，不能覆盖X射线反射镜口径日益增大的需求；③ X射线的波长不连续，不能完全满足元件在工作波段的测试要求.于是以同步辐射光源为代表的新型光源逐渐展现出自身优势.同步辐射和X射线自由电子激光是迄今能产生高相干性和最高亮度的X射线光源装置，同时具有高准直、短脉冲和广光谱覆盖的优势［7-8］.基于新型光源发展的X射线光学系统表征技术，无论对于空间X射线望远镜的反射镜面形特征还是整体系统特性的表征精度和速度都会有大幅度提升. ...

2015

The radiometric calibration of SOHO： SR-002

2002

... 基于同步辐射装置的反射元件的在线检测技术近年来得到广泛关注，主要包括细光束法、哈特曼波前传感器、光栅干涉法、近场散斑法、扫描相干衍射法等.这些技术主要通过测量反射光束的局部波前的传输方向或相位变化来计算反射镜的面形误差信息.除了同步辐射领域自用的光学元件检测，包括空间X射线望远镜、极紫外光刻系统等其他重要领域中使用的反射镜元件均可借助同步辐射装置开展面形在线检测.对于空间X射线望远镜元件而言，为了更好地预测望远镜的角度分辨率和控制反射镜的加工精度，面形测量一般需要好于亚微米的测量精度.虽然精度上不如同步辐射光学元件要求这么高，但是更大的尺寸和更复杂的系统集成也为测量带来了额外的难度.除了在线面形测量，对于空间望远镜这种二维聚焦反射系统，直接进行成像或聚焦实验也是重要的检测手段，而同步辐射装置可以提供各种尺寸、能量和特性的高质量光束来实现相关的检测.国际上，同步辐射装置已经广泛应用于空间X射线望远镜及相关光学元件的测量和性能表征等领域［9-11］. ...

本文的其它图/表