空间X射线反射式聚焦系统的同步辐射表征技术 航空学报    2023, 44 (3): 527386-527386.   DOI: 10.7527/S1000-6893.2022.27386

表2 目前国际上可用于空间望远镜校准检测的光束线

正文中引用本图/表的段落

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。

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］。

综合上述2.1~2.4节描述的各种波前表征技术，通过表1来比较不同在线检测技术优缺点。从测量精度而言，细光束和哈特曼波前传感器法并不能获得比离线检测（<20 nrad）更好的角度测量精度，但对于空间X射线望远镜这样的大尺度反射镜系统而言，快速、灵活和稳定的在线检测是优先考虑的。正由于此，细光束和哈特曼波前传感器法已经在空间X射线的表征中得到了广泛的应用。光栅干涉和近场散斑技术目前还未见于空间X射线反射元件的在线表征，原因主要在于：① 这2种基于同步辐射的检测技术的发展相对于空间X射线元件的发展周期而言时间较短，主要的技术发展在于近10年，还未能及时应用；② 目前空间X射线元件的加工和装配精度还远未达到极限，对于较高测量精度的要求尚不迫切。不过随着未来主动式的望远镜系统的广泛应用，需要检测技术具备曲率误差或圆度误差的检测能力，这是目前使用的离线和在线检测技术所不能实现的，所以具备大曲率误差检测能力的光栅干涉和近场散斑技术将是未来此领域具有潜力的重要技术手段。而随着望远镜的反射镜加工要求日益提升，具备更高测量精度的在线技术也必将得到重视。

如表2所示，在欧洲和日本多个同步辐射光源已经为空间X射线望远镜建造了专用的光束线站，并利用细光束扫描和成像技术对望远镜系统进行准直调试和聚焦性能表征。中国在相关领域起步虽晚，但近年来在空间X射线望远镜领域发展迅速，恰逢目前国家同步辐射光源为代表的大科学装置也在上海、北京、合肥和广东等地拔地而起，两大重大科技装置在此刻相逢，完全有可能通过相互的合作借鉴，来推动中国X射线光学元件领域的发展。

空间X射线的有效集光面积为几何集光面积和镜面反射率的乘积。实现反射镜的高反射率是空间X射线望远镜获得大有效集光面积的关键。对于空间X射线观测，镜面表面需镀制金属单层膜［11］、周期多层膜甚至非周期多层膜［78］以获得高的反射率和较宽入射角和能量范围。镀膜材料的选取取决于望远镜工作的X射线能段和功能需求。相比于前几节讨论的反射镜面形误差的表征技术，反射率计量需要考虑反射镜的高频表面粗糙度，这种粗糙度通过Nevot-Croce因子或Debye-Waller因子［79］的形式来减小理论的反射率。对于超光滑表面一般Nevot-Croce因子更为精确。界表面宽度包含粗糙度和界表面扩散2部分，对于反射测试而言无法分辨两者。但是对于单层膜而言，通常直接用表面宽度等效作为表面粗糙度。高频粗糙度除了降低镜向方向的反射光通量，其产生的随机漫散射也会对于望远镜系统的成像质量形成显著的衰减［80］。反射率或者散射光计量包括单一反射镜元件测量和整个反射式系统的通量计量。

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. ...