李林森1) 強鵬飛1)? 盛立志 劉哲 周曉紅趙寶升 張淳民

1)(中國科學院大學,北京 100049)

2)(西安交通大學理學院,西安 710049)

3)(中國科學院西安光學精密機械研究所,瞬態(tài)光學與光子技術(shù)國家重點實驗室,西安 710119)

Wolter-1型X射線聚焦鏡可將掠入射的X射線反射至焦平面處,具有較強的成像探測能力,在天文探測等領(lǐng)域中具有重要作用.通過建立幾何模型對反射鏡面及反射光線方程進行理論計算,推導出了適用于以玻璃為基底材料的聚焦鏡設(shè)計參數(shù)方程,可用于對此類聚焦鏡進行理論設(shè)計,依據(jù)理論設(shè)計,采用具有極高表面光潔度的超薄肖特D263T玻璃經(jīng)熱彎成型后作為反射鏡基底,在反射鏡表面制備金屬銥薄膜作為反射膜研制了Wolter-1型反射鏡組,并使用激光三維掃描儀對所研制的聚焦鏡片面型進行了測試.測試結(jié)果顯示,實際鏡片面型與理想鏡片面型公差在10μm以內(nèi)的測試點占總測試點的50%.通過搭建可見光條件下的焦斑測試系統(tǒng),使用圖像采集相機采集焦斑的灰度圖像,通過圖像分析軟件分析計算該灰度圖像的灰度分布來定量分析焦斑的能量分布情況,從而確定焦斑特性參數(shù).實驗結(jié)果顯示:研制出的聚焦鏡片焦距為1.6 m,焦斑的半能量包圍直徑為0.33 mm,對應角分辨率為0.7角分.

1 引 言

在深空探測領(lǐng)域中,對于中子星和黑洞的研究一直是該領(lǐng)域中最前沿的科學熱點,通過長期高頻次的在軌觀測,理解中子星和黑洞的活動及演化機制,旨在對中子星及黑洞的基本性質(zhì)做出新的測量,進而對宇宙深處大質(zhì)量恒星的死亡及中子星合并等天文現(xiàn)象進行理論研究.而捕捉并詳盡地觀測天體的X射線輻射是進行此類研究的重要手段,其中X射線聚焦鏡是研究中不可或缺的重要儀器.近年來,國外已有多顆搭載X射線聚焦鏡的探測衛(wèi)星發(fā)射升空.其中,2017年6月3日由NASA發(fā)射的NICER(The Neutron star Interior Composition Explore R)探測衛(wèi)星上搭載有56個X射線聚焦鏡,用于對中子星的X射線輻射進行探測研究[1?4];2012年6月13日發(fā)射的NuSTAR(Nuclear Spectroscopic Telescope Array)探測衛(wèi)星上搭載有兩個X射線聚焦鏡,用于對黑洞等高能天體的X射線輻射進行探測研究[5?8].國內(nèi)也已開展了此類探測衛(wèi)星的研制計劃,主要包括:“十三五”空間科學任務(wù)中的愛因斯坦探針衛(wèi)星EP(Einstein Probe)[9?11]以及由中國科學家發(fā)起和主導的重大國際合作空間科學項目:增強型X射線時變與偏振空間天文臺eXTP(enhanced X-ray Timing and Polarization mission)[12,13].其中,EP衛(wèi)星將搭載一臺X射線聚焦望遠鏡,用于在軟X射線波段發(fā)現(xiàn)和探索各類已知或未知的X射線暫現(xiàn)源和瞬變源,檢測天體的X射線光變;eXTP則將搭載13個X射線聚焦鏡,用于對黑洞、中子星和夸克星的X射線輻射進行探測研究.這一系列科研計劃的實施對提高我國天文探測研究的地位,使我國的空間科學進入國際最先進的行列具有非常重要的意義.

目前對于X射線聚焦鏡的研制普遍采用掠入射式Wolter-1型設(shè)計,根據(jù)選用不同的鏡片基底材料,采用相應的研制路線進行聚焦鏡鏡片研制.用于聚焦鏡鏡片研制的基底材料主要有金屬和玻璃兩種,由于玻璃基底鏡片重量輕,理論角分辨率高,國內(nèi)已有利用玻璃鏡片進行X射線聚焦鏡的相關(guān)研究[14?16].本文主要研究以超薄玻璃為基底的聚焦鏡片的設(shè)計、研制及其光學性能測試.玻璃鏡片在設(shè)計上與金屬鏡片的不同之處在于:由于工藝原因,Wolter-1型鏡片必須分為兩段進行設(shè)計,設(shè)計中需考慮兩段鏡片的間隙對光路的影響.

2 聚焦鏡研制

2.1 聚焦鏡設(shè)計

基于掠入射條件下的反射原理設(shè)計的Wolter-1型X射線聚焦鏡經(jīng)過多層嵌套,可顯著增加聚焦鏡頭整體集光面積.在單層聚焦鏡片設(shè)計中需重點考慮鏡片反射率,X射線在鏡片表面的反射率如(1)式所示:

其中R0為理想表面對X射線的反射率;σ為實際反射面表面粗糙度;θ為掠入射角.由(1)式知,掠入射角越小,反射率越高,鏡片設(shè)計中需綜合考慮鏡頭焦距等因素進行合理設(shè)計.聚焦鏡可將視場內(nèi)的入射X射線聚焦至焦點位置,從而實現(xiàn)對目標源的探測,其探測原理圖如圖1所示.

圖1 X射線聚焦鏡探測原理圖Fig.1.Detecting schematic diagram of X-ray focusing mirror.

Wolter-1型聚焦鏡由同軸的拋物面反射鏡和雙曲面反射鏡組成,其聚焦原理圖如圖2所示,在掠入射條件下,當拋物面鏡焦點與雙曲面右焦點重合時,入射X射線先后經(jīng)過拋物面鏡和雙曲面鏡兩次反射后聚焦于雙曲面左焦點處.聚焦鏡設(shè)計參數(shù)如圖3所示,r為聚焦鏡口徑,θ為掠入射角,f為焦距,L為鏡長,d為兩段鏡片的間隙.在圖3所示的坐標系下,拋物面鏡方程式為

聚焦鏡設(shè)計就是根據(jù)應用要求建立數(shù)學模型,求解上述方程中的未知系數(shù)(a,b,m,n,p).

圖2 Wolter-1型聚焦鏡原理圖Fig.2.Schematic diagram of Wolter-1 focusing lens.

圖3 Wolter-1型聚焦鏡設(shè)計參數(shù)圖Fig.3.Design parameter diagram of Wlter-1 focusing lens.

在圖3所示坐標系中,根據(jù)曲線方程求得拋物面鏡焦點橫坐標為m?p/2.雙曲線左焦點橫坐標為雙曲線右焦點橫坐標為根據(jù)Wolter-1型聚焦鏡設(shè)計原理,拋物面鏡焦點應與雙曲面鏡右焦點重合,聚焦鏡最終焦點位置與雙曲面左焦點重合,因此有以下方程成立:

根據(jù)幾何關(guān)系,拋物面鏡口徑應滿足拋物線方程,即

此外,在聚焦鏡設(shè)計中,考慮到雙曲面鏡應將拋物面鏡的所有反射光線接收,要求入射至拋物面鏡末端的光線恰好被雙曲面鏡入射端接收,通過推導反射光線方程,得到鏡片設(shè)計參數(shù)應滿足下述方程:入射光線掠入射角θ由實際應用需要根據(jù)X射線反射理論進行計算確定.拋物面鏡入口處的切線斜率由掠入射角確定,因此有以下方程成立:

聯(lián)立(4),(5),(6),(7),(8)式通過設(shè)置鏡長L和鏡片間距d,可求解出聚焦鏡各設(shè)計參數(shù).

2.2 聚焦鏡制備

以玻璃為基底材料的反射鏡可采用熱彎工藝進行制備[17?19],其工藝原理圖如圖4所示,將平片玻璃鏡片放置于成型模具上,成型模具表面通過精密加工,其表面面型為聚焦鏡設(shè)計面型,通過加熱使平片玻璃軟化,在重力作用下發(fā)生彎曲形變,最終將成型模具表面面型復制在鏡片上,為了提高鏡片對X射線的反射率,需在完成熱彎工藝的曲面鏡片表面制備反射膜[20,21],本文中采用真空熱蒸發(fā)工藝在鏡片反射面上制備了金屬銥膜,鏡片實物如圖5所示.

圖4 玻璃熱彎過程Fig.4.Thermal bending process of f l at glass.

圖5 聚焦鏡片實物Fig.5.Picture of focusing mirror.

3 聚焦鏡光學性能測試

聚焦鏡光學性能測試系統(tǒng)如圖6所示,實驗中將聚焦鏡組(包括拋物面反射鏡和雙曲面反射鏡)分別放置于六維調(diào)節(jié)架上,使用調(diào)節(jié)架調(diào)整鏡片相對位置與形態(tài),焦斑采集相機安裝于焦點位置來采集焦斑的灰度圖像,該圖像中各像元的灰度等級正比于該處接收到的光子數(shù)量,將此圖像上傳至圖像處理軟件進行灰度分析,通過提取并統(tǒng)計不同半徑范圍內(nèi)的灰度值,可定量測試得到焦斑的中心位置和半能量包圍直徑(half energy encircling diameter,HPD).利用圖像灰度值測試圖像能量分布的方法已被應用于空間粒子探測領(lǐng)域[22].焦斑測試結(jié)果顯示研制出的聚焦鏡組焦斑半能量包圍直徑0.33 mm,對應角分辨率為0.7角分(圖7).

理想Wolter-1型聚焦鏡的焦斑是一個理想點,由于在鏡片實際制備過程中存在多種公差,實際鏡片面型與理想面型有所差異,導致了聚焦鏡片焦斑的擴散,鏡片面型導致焦斑擴散的光路圖如圖8所示.

利用三維激光掃描儀對所研制的聚焦鏡片面型進行了測試,測試結(jié)果如圖9所示,其中圖9(a)為實際鏡片面型與理想面型的擬合效果圖,可看出實際面型與理想面型公差在60μm以內(nèi).圖9(b)為擬合后統(tǒng)計出的面型公差分布圖,統(tǒng)計結(jié)果顯示面型公差在10μm以內(nèi)的測試點占總測試點的50%.

圖6 測試系統(tǒng)實物圖Fig.6.Physical picture of testing system.

圖7 焦斑測試結(jié)果 (a)焦斑原始圖像;(b)焦斑能量分布;(c)焦斑圖像灰度分布Fig.7.Testing result of focusing mirror:(a)Picture of focusing spot;(b)energy distribution of focusing spot image;(c)gray scale distribution of focusing spot image.

圖8 焦斑擴散光路圖Fig.8.Spreading of focusing spot.

圖9 聚焦鏡面型測試結(jié)果 (a)擬合效果圖;(b)面型公差統(tǒng)計Fig.9.Test results of focusing mirror type:(a)Fitting ef f ect diagram;(b)statistical tolerance of face type.

4 結(jié) 論

通過理論計算推導得出了適用于以玻璃為基底材料的wolter-1型聚焦鏡的設(shè)計方程,在此基礎(chǔ)上進行了聚焦鏡的研制,并在可見光條件下進行了焦斑特性測試,得到了較為理想的測試結(jié)果,結(jié)合鏡片面型測試結(jié)果,可定量了解鏡片面型精度對聚焦鏡片光斑性能的影響,更為細致的分析將在下一步研究中進行.此外,將開展多層嵌套式聚焦鏡頭的研制工作,將多組聚焦鏡組進行精密裝調(diào),研究多層嵌套結(jié)構(gòu)與單層鏡片組的性能差異.