王 波，楊彥佶，王殿龍，王浪平，李 鐸，喬 政，丁 飛，薛家岱，廖秋巖

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中國(guó)科學(xué)院 高能物理研究所 中國(guó)科學(xué)院粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049）

1 引 言

宇宙中具有豐富的暫現(xiàn)源和爆發(fā)天體，暫現(xiàn)源和天體的光變攜帶了關(guān)于天體本質(zhì)、演化及其物理過(guò)程的豐富信息。X射線空間觀測(cè)是發(fā)現(xiàn)和探測(cè)黑洞、中子星，定位引力波，以及脈沖星導(dǎo)航的重要手段［1-3］。作為核心觀測(cè)設(shè)備，X射線聚焦望遠(yuǎn)鏡通過(guò)觀測(cè)X射線天體的快速光變特征和偏振特性，進(jìn)一步高精度、多手段地研究黑洞、中子星中的新物理過(guò)程，包括極端引力條件下的廣義相對(duì)論、極端密度條件下的量子色動(dòng)力學(xué)和極端磁場(chǎng)條件下的量子電動(dòng)力學(xué)等基本規(guī)律。國(guó)際上著名的X射線望遠(yuǎn)鏡有Chandra［4］、XMM-Newton［5］、Suzaku［6］、NICER［7］和eROSI‐TA［8］等。繼“慧眼（insight Hard X-ray Modula‐tion Telescope，HXMT）”衛(wèi)星［9］，我國(guó)在X射線空間觀測(cè)領(lǐng)域規(guī)劃了“愛(ài)因斯坦探針（Einstein Probe，EP）”和“增強(qiáng)型時(shí)變與偏振天文臺(tái)（en‐hanced X-ray Timing and Polarimetry mission，eXTP）”等一系列X射線專(zhuān)項(xiàng)衛(wèi)星［10-11］。

由于X射線特殊的光學(xué)特性和系統(tǒng)探測(cè)要求，X射線天文望遠(yuǎn)鏡廣泛采用掠入射Wolter-I型成像系統(tǒng)。Wolter-I型聚焦鏡是由一塊回轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)拋物面和雙曲面鏡組成的筒狀內(nèi)非球面結(jié)構(gòu)，拋物面的焦點(diǎn)與雙曲面靠近探測(cè)器一側(cè)的焦點(diǎn)重合。為了提升成像分辨率和集光能力，大多數(shù)X射線望遠(yuǎn)鏡需采用多層嵌套的結(jié)構(gòu)形式，以大大增加有效面積。高精度X射線聚焦鏡用于收集和匯聚X射線輻射，是X射線光學(xué)聚焦系統(tǒng)的核心部件，是提高X射線探測(cè)系統(tǒng)信噪比的關(guān)鍵設(shè)備。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)Wolter-I型掠入射聚焦鏡的高精度制造技術(shù)開(kāi)展了大量基礎(chǔ)研究。已有的制造工藝主要有直接拋光法［12］、薄片拼接法［13］、玻璃片熱坍塌法［14］和電鑄復(fù)制法［15-16］。其中，電鑄復(fù)制法是一種大規(guī)模制造X射線聚焦鏡的理想工藝方法，能夠滿足新一代X射線望遠(yuǎn)鏡高角分辨率和大有效面積的要求。該方法通過(guò)電鑄方法精確復(fù)制高精度模具的表面狀態(tài)，然后脫模形成完整的內(nèi)反射面。該方法的優(yōu)勢(shì)在于高精度的聚焦鏡模具可以循環(huán)復(fù)用，可大量復(fù)制聚焦鏡，制造效率高。同時(shí)，電鑄復(fù)制方法可以直接制造全口徑回轉(zhuǎn)的聚焦鏡片，避免了其他方法需要拼接裝配而引入的誤差。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和歐洲空間局（ESA）發(fā)射和規(guī)劃的多顆大型X射線衛(wèi)星，均采用電鑄復(fù)制工藝方法大批量制造高精度聚焦鏡，如NICER和eROSITA［17］。盡管電鑄復(fù)制工藝有眾多優(yōu)點(diǎn)，但是其制造工藝技術(shù)難度高、工藝鏈長(zhǎng)，制造過(guò)程中涉及的關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題都是核心機(jī)密，被少數(shù)國(guó)外企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)壟斷。

在我國(guó)主要有中科院高能所、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所、中科院西安光機(jī)所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)等單位［18-21］對(duì)X射線望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行研究，但是研究工作起步較晚，特別是對(duì)電鑄復(fù)制工藝技術(shù)的研究尚未成熟和完善。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)“增強(qiáng)型X射線時(shí)變與偏振（eXTP）空間天文臺(tái)”的支持下開(kāi)展了大量的工藝試驗(yàn)研究和裝備研發(fā)工作，采用自主可控的高效超精密制造方法，提高了電鑄復(fù)制工藝方法的效率，制造出一批滿足指標(biāo)的高精度模具和聚焦鏡，突破技術(shù)壁壘，打破了國(guó)外壟斷。本文針對(duì)X射線聚焦鏡電鑄復(fù)制方法，在化學(xué)鍍鎳磷合金、模具超精密加工、模具鍍膜、電鑄鎳基體以及脫模等全工藝鏈上進(jìn)行了工藝探索和裝備研發(fā)，并最終完成了X射線聚焦鏡的超精密制造。

2 X射線聚焦鏡片的電鑄復(fù)制工藝制造方法

2.1 總體技術(shù)路線

X射線聚焦鏡片的電鑄復(fù)制工藝的總體技術(shù)路線如圖1所示，主要步驟包括模具化學(xué)鍍鎳磷合金、模具超精密加工、模具鍍膜、電鑄鎳基體以及脫模。其中：

圖1 聚焦鏡電鑄復(fù)制工藝流程Fig.1 Processing flow chart of focus mirror electroplat‐ing replication

（1）化學(xué)鍍鎳磷合金：模具基體通常采用鋁合金材料，在其表面化學(xué)鍍鎳磷合金；

（2）模具超精密加工：由于模具的面形精度和表面粗糙度將通過(guò)電鑄直接復(fù)制到鏡片的內(nèi)反射面，決定了鏡片的成像質(zhì)量，模具的超精密加工是聚焦鏡研制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具體包括超精密車(chē)削和超光滑拋光兩個(gè)步驟；

（3）模具鍍膜：在超精密加工后的模具采用磁控濺射法鍍一層百納米量級(jí)金膜，作為X射線反射膜層；

（4）電鑄鎳基體：在鍍膜后的模具表面電鑄一層百微米量級(jí)的鎳，形成旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)完整鏡片；

（5）脫模：利用模具與鏡片材料不同的熱膨脹系數(shù)，通過(guò)冷卻收縮的方法，將模具和帶有金膜的鎳基體鏡片分離。

2.2 模具超精密加工

聚焦鏡模具的超精密加工是聚焦鏡研制最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。因?yàn)榫劢圭R模具的表面形貌會(huì)通過(guò)電鑄復(fù)制直接映射到聚焦鏡片的內(nèi)反射面，模具的加工精度決定了鏡片的成像質(zhì)量。模具超精密加工包括超精密車(chē)削和超光滑拋光兩個(gè)步驟，均在哈爾濱工業(yè)大學(xué)自主開(kāi)發(fā)的大尺寸臥式超精密機(jī)床上進(jìn)行，這樣有效避免了不同工藝間重復(fù)裝夾誤差對(duì)加工精度的影響［22］。

2.3 超精密車(chē)削

超精密加工機(jī)床作為聚焦鏡模具加工的母機(jī)，其精度直接影響聚焦鏡模具的形狀精度和表面粗糙度。本課題組自主設(shè)計(jì)了大型臥式模具超精密加工機(jī)床，采用X-Z-C三軸聯(lián)動(dòng)布局方案。其中，機(jī)床的X，Z軸為直線運(yùn)動(dòng)軸，采用液體靜壓支撐和直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，Z軸光柵分辨率為1 nm，X軸光柵分辨率為5 nm。C軸為具有精確控制角運(yùn)動(dòng)功能的工件主軸，采用氣體靜壓支撐和無(wú)框力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，圓光柵分辨率為0.36″。其中，尾架主軸座沿Z軸方向游動(dòng)，以滿足不同長(zhǎng)度的聚焦鏡模具的加工要求，可加工模具的最大長(zhǎng)度為2 200 mm，最大直徑為600 mm。在頭架主軸和尾架主軸處安裝了四爪復(fù)合式卡盤(pán)，該卡盤(pán)既有自定心功能，也可以單獨(dú)對(duì)每個(gè)卡爪進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)輥筒模具的精密在位調(diào)整。超精密車(chē)削采用天然單晶金剛石刀具，可高效地加工出納米級(jí)表面粗糙度和亞微米級(jí)面形精度的模具，這也是實(shí)現(xiàn)高效制造高精度模具的關(guān)鍵。常用的車(chē)削加工參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速360 r/min，進(jìn)給速度2μm/r，切削深度2μm。超精密車(chē)削加工過(guò)程如圖2所示。

圖2 模具超精密車(chē)削Fig.2 Mandrel precision turning

2.4 氣囊拋光

盡管超精密車(chē)削可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)表面粗糙度，但仍然無(wú)法滿足X射線波長(zhǎng)的反射要求，另外車(chē)削后的表面會(huì)留下均勻類(lèi)螺紋的刀具痕跡，導(dǎo)致入射光發(fā)生強(qiáng)烈散射。因此，在超精密車(chē)削工藝后，必須利用超光滑拋光工藝去除車(chē)削表面刀紋并進(jìn)一步提高表面質(zhì)量。為避免重復(fù)裝夾誤差，拋光在同一臺(tái)超精密加工機(jī)床上進(jìn)行。超光滑拋光采用氣囊拋光工藝，用氣囊拋光工具替換車(chē)刀刀架，拋光布材料采用阻尼拋光布，拋光液采用20 nm二氧化硅溶膠。拋光過(guò)程如圖3所示。目前，超光滑拋光時(shí)間較長(zhǎng)，進(jìn)一步提高拋光效率是提高整個(gè)聚焦鏡生產(chǎn)能力的關(guān)鍵。

圖3 氣囊超光滑拋光過(guò)程Fig.3 Bonnet super polishing process

2.5 電鑄鎳基體與脫模

模具經(jīng)過(guò)清洗，進(jìn)行真空鍍Au膜。鍍膜后的模具表面通過(guò)電鑄工藝生成一層百微米量級(jí)的鎳，最終形成獨(dú)立的殼體結(jié)構(gòu)。電鑄過(guò)程中，模具作為陰極，電鑄材料作為陽(yáng)極，含電鑄材料的金屬鹽溶液作為電鑄溶液。在直流電流電壓或脈沖電流的作用下，電鑄溶液中的金屬離子在陰極還原成金屬原子，沉積于模具表面。電鑄時(shí)需要對(duì)溫度自動(dòng)控制，監(jiān)測(cè)鍍液的pH值并適時(shí)調(diào)整；同時(shí)通過(guò)試片測(cè)試鍍層的應(yīng)力，適時(shí)調(diào)整電流密度。

在電鑄鎳基體之后，電鑄鎳鏡殼需要通過(guò)脫模的方式與模具分離，金膜內(nèi)表面為X射線聚焦鏡反射面，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)制制造。脫模裝置如圖4所示。首先，向模具內(nèi)孔注入液氮，低溫冷卻模具和鎳殼的聯(lián)合體，使模具基體和鎳殼在低溫下發(fā)生彈性收縮。由于鎳殼與鋁芯軸之間的熱膨脹系數(shù)不同，模具基體的收縮程度比外側(cè)鎳殼的大，兩側(cè)不同的收縮應(yīng)變量產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力，可將模具芯軸和鎳殼的界面徑向結(jié)合力抵消，從而實(shí)現(xiàn)模具芯軸和鏡片的徑向分離。模具底部由三爪卡盤(pán)固定，并利用3個(gè)高精度電動(dòng)位移滑臺(tái)和脫模卡爪將鏡片抬起，實(shí)現(xiàn)模具與鏡片的軸向分離。整個(gè)脫模過(guò)程保證低濕度環(huán)境并實(shí)時(shí)監(jiān)控模具的溫度變化。

圖4 脫模裝置實(shí)物圖Fig.4 Photo of demolding devices

圖5分別展示了脫模后的聚焦鏡模具和鏡片。按照光學(xué)設(shè)計(jì)，將加工的不同尺寸的聚焦鏡進(jìn)行裝配，形成嵌套式聚焦鏡組，如圖5（c）所示。

圖5 脫模后模具（a）、脫模后鏡片（b）和裝配鏡片（c）Fig.5 Mandrel after demolding（a），mirror after demold‐ing（b）and mirror assembly（c）

3 加工結(jié)果與精度分析

3.1 表面粗糙度

表面粗糙度是聚焦鏡模具及鏡片的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)于最終聚焦鏡光學(xué)質(zhì)量有著重要的影響。由于鏡片為封閉回轉(zhuǎn)曲面，很難對(duì)其粗糙度進(jìn)行直接檢測(cè)。因此，本文僅針對(duì)模具表面進(jìn)行檢測(cè)。使用Zygo Newview白光干涉儀對(duì)模具表面進(jìn)行粗糙度檢測(cè)，選取0.5 mm×0.5 mm作為粗糙度評(píng)價(jià)區(qū)域。超精密車(chē)削后表面檢測(cè)結(jié)果如圖6（a）所示。從結(jié)果中可以清晰地看到車(chē)削痕跡，其表面粗糙度的均方根（Root Mean Square，值RMS）為4.02 nm。拋光后表面檢測(cè)結(jié)果如圖6（b）所示，可以看出車(chē)削刀痕已經(jīng)完全去除，表面粗糙度RMS值為0.45 nm，滿足超光滑表面要求。

圖6 超精密車(chē)削和拋光后的表面粗糙度Fig.6 Surface roughnesses of focus mirror after ultra-pre‐cision cutting and polishing

3.2 面形精度

面形精度是評(píng)價(jià)聚焦鏡模具及鏡片精度的重要指標(biāo)。它反映的是實(shí)際輪廓表面相對(duì)理想輪廓表面的偏差，其誤差影響聚焦角分辨率。由于鏡片為封閉回轉(zhuǎn)曲面，面形精度很難直接檢測(cè)，因此，本節(jié)針對(duì)聚焦鏡模具進(jìn)行面形檢測(cè)。本文采用在位測(cè)量技術(shù)對(duì)模具面形精度進(jìn)行檢測(cè)，其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需二次安裝聚焦鏡模具，大大提高了檢測(cè)效率和檢測(cè)精度。在位形狀測(cè)量選用法國(guó)STIL公司的納米級(jí)白光共聚焦位移傳感器，并利用超精密車(chē)床的運(yùn)動(dòng)對(duì)聚焦鏡模具進(jìn)行輪廓掃描。盡管超精密機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度很高，但是仍然需要對(duì)機(jī)床的掃描運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。這里采用反轉(zhuǎn)法測(cè)量方式進(jìn)行正反兩次測(cè)量，將模具母線的面形誤差與機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行分離，以提高測(cè)量精度。測(cè)量原理如圖7所示。

圖7 反轉(zhuǎn)法測(cè)量裝置Fig.7 Setup of inversion method measurement

機(jī)床運(yùn)動(dòng)掃描速度為1 mm/s，檢測(cè)范圍為300 mm。圖8表明，經(jīng)過(guò)反轉(zhuǎn)分離后聚焦鏡模具的母線輪廓誤差為0.48μm，滿足精度要求。

圖8 反轉(zhuǎn)分離后的模具母線輪廓誤差Fig.8 Mandrel generatrix profile error after reverse sepa‐ration

3.3 X射線光學(xué)測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證聚焦鏡片的制造精度，直接對(duì)鏡片進(jìn)行X射線光學(xué)測(cè)試。聚焦鏡的X射線測(cè)試在中科院高能物理研究所的百米真空X射線標(biāo)定裝置上進(jìn)行，其真空腔體主要由大型真空罐和真空管道組成。大型真空罐可用于X射線衛(wèi)星載荷的整體測(cè)試，提供準(zhǔn)平行X射線束。X射線聚焦鏡片水平安裝在真空罐內(nèi)，如圖9所示。X射線光源位于真空管道遠(yuǎn)端，通過(guò)真空管道進(jìn)入大型真空罐內(nèi)，經(jīng)過(guò)聚焦鏡二次反射聚焦在相機(jī)上。通過(guò)移動(dòng)CCD相機(jī)的位置，可以觀測(cè)焦點(diǎn)和離焦位置的光斑特性。

圖9 聚焦鏡測(cè)試裝置Fig.9 Focus mirror test devices

圖10為在離焦±60 mm位置得到的光斑圖像。圖11為聚焦圖像和角分辨率分析結(jié)果。從結(jié)果可以看出，鏡片有較好的焦斑形狀和聚焦性能。進(jìn)一步分析，模具的面形精度為33.5″，鏡片完美地復(fù)制了模具的精度。

圖10 焦點(diǎn)前后各60 mm的聚焦實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experiment results of 60 mm before and after focus

4 結(jié) 論

本文開(kāi)展了自主可控的X射線聚焦鏡電鑄復(fù)制方法，在全工藝鏈上（化學(xué)鍍鎳磷合金、模具超精密加工、模具鍍膜、電鑄鎳基體以及脫模）進(jìn)行了探索和裝備研發(fā)，完成了X射線聚焦鏡的批量超精密制造。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聚焦鏡模具加工精度表面粗糙度小于0.5 nm RMS，面形精度優(yōu)于0.5μm，鏡片角分辨率達(dá)到33.5″，從而驗(yàn)證了該工藝的可靠性和先進(jìn)性。本研究為我國(guó)空間X射線觀測(cè)提供了重要的技術(shù)支持，打破了國(guó)外對(duì)該技術(shù)的壟斷，有望提升我國(guó)在高能天體領(lǐng)域的天文觀測(cè)能力。