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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13 上海光源微聚焦线站直通光的水平和竖直波前斜率误差

正文中引用本图/表的段落

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μ_x_，_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。

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

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

2016

Two-dimensional digital image correlation for in-plane displacement and strain measurement： A review

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μ_x，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θ_x，z，即 ...

Linear phase imaging using differential interference contrast microscopy

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μ_x_，_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

2007

Influence of diffuser grain size on the speckle tracking technique

2020

High-precision speckle-tracking X-ray imaging with adaptive subset size choices

2020

Influence of photon beam and motor vibrations on at-wavelength X-ray speckle scanning metrology

2022

X-ray phase microscopy using the speckle tracking technique

2013

At-wavelength metrology of hard X-ray mirror using near field speckle

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

2015

Speckle-based at-wavelength metrology of X-ray mirrors with super accuracy

2016

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