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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）

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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10 基于吸收光栅测量反射镜的面形斜率误差的光学设置和几何传播示意图^［47］

正文中引用本图/表的段落

欧洲ESRF光源的科学家还发展一种仅使用吸收光栅的结构光检测技术，如图10（a）所示，可以直接精确检测反射镜的面形斜率误差［47］。这种方法先假设镜面为平面，利用面探测器检测到的干涉条纹与根据几何位置关系计算的条纹存在偏差，通过连续迭代的方法计算镜面真实面形以逼近光束在镜面上的实际坐标。其面形斜率的第n次迭代满足

式中：第j条光束入射探测器的位置Y_j =jp+2d₀θ，p为像素尺寸，d₀为镜面到探测器距离；x_j 和y_j 为第j条光束入射到镜面的位置坐标，x_j 随着迭代过程不断修正，最终重构出真实反射镜的面形特性，如图10（b）所示［47］。

当光束不具有显著放大性时，为了提高探测器记录的自成像分辨率，往往需要在探测器前放置一个吸收型的分析光栅，调制经过相位光栅的自成像，并在探测器上形成莫尔条纹，辅助解析自成像的畸变，从而得到入射波前的波前畸变信息.莫尔条纹的周期选择需要兼顾空间分辨率（更大的光栅周期）和角度灵敏度（更小的光栅周期）.瑞士PSI研究所的研究人员利用一组二维光栅产生莫尔条纹，如图9所示［37］，在LCLS光源进行波前曲率测试.波前曲率满足 ...

Exploring the wavefront of hard X-ray free-electron laser radiation

2012

... 式中：R₀为理论曲率半径；θ_m为莫尔条纹的倾斜角；2β为2个光栅间的夹角.利用这种技术可以达到好于λ/100的波前测量精度［41］.英国Diamond光源的研究人员广泛使用这种二维光栅干涉仪表征菲涅耳波带片元件的波前特性［42］和光束波前曲率［43］等. ...

X-ray wavefront characterization of a Fresnel zone plate using a two-dimensional grating interferometer

2013

X-ray wavefront characterization using a rotating shearing interferometer technique

2011

Wavefront measurement for a hard-X-ray nanobeam using single-grating interferometry

2012

... 光栅干涉仪所用的光栅加工精度要求很高且制作成本昂贵，2块光栅的安装和校准精度会影响最终的测量精度，于是利用光束几何放大效应发展的单光栅干涉仪被用来进一步简化光栅干涉仪的系统结构，成功检测出大曲率纳米光束的波前分布［44-45］.美国SLAC自由电子激光的研究人员利用单个光栅的Talbot效应从软X射线［46］到硬X射线对波前进行探测，检测精度好于λ/100.由于此方案没有使用吸收光栅，显著提高了光子通量和脉冲探测效率. ...

Partially coherent nano-focused X-ray radiation characterized by Talbot interferometry

2011

X-ray free-electron laser wavefront sensing using the fractional Talbot effect

2020

Grating-based at-wavelength metrology of hard X-ray reflective optics

2012

... 欧洲ESRF光源的科学家还发展一种仅使用吸收光栅的结构光检测技术，如图10（a）所示，可以直接精确检测反射镜的面形斜率误差［47］.这种方法先假设镜面为平面，利用面探测器检测到的干涉条纹与根据几何位置关系计算的条纹存在偏差，通过连续迭代的方法计算镜面真实面形以逼近光束在镜面上的实际坐标.其面形斜率的第n次迭代满足 ...

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