李林森1) 強(qiáng)鵬飛1)? 盛立志 劉哲 周曉紅趙寶升 張淳民

1)(中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

2)(西安交通大學(xué)理學(xué)院,西安 710049)

3)(中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(duì)反射鏡面及反射光線方程進(jìn)行理論計(jì)算,推導(dǎo)出了適用于以玻璃為基底材料的聚焦鏡設(shè)計(jì)參數(shù)方程,可用于對(duì)此類聚焦鏡進(jìn)行理論設(shè)計(jì),依據(jù)理論設(shè)計(jì),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(duì)所研制的聚焦鏡片面型進(jìn)行了測試.測試結(jié)果顯示,實(shí)際鏡片面型與理想鏡片面型公差在10μm以內(nèi)的測試點(diǎn)占總測試點(diǎn)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(jī)采集焦斑的灰度圖像,通過圖像分析軟件分析計(jì)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(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)角分辨率為0.7角分.

1 引 言

在深空探測領(lǐng)域中,對(duì)于中子星和黑洞的研究一直是該領(lǐng)域中最前沿的科學(xué)熱點(diǎn),通過長期高頻次的在軌觀測,理解中子星和黑洞的活動(dòng)及演化機(jī)制,旨在對(duì)中子星及黑洞的基本性質(zhì)做出新的測量,進(jìn)而對(duì)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(jìn)行理論研究.而捕捉并詳盡地觀測天體的X射線輻射是進(jìn)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(gè)X射線聚焦鏡,用于對(duì)中子星的X射線輻射進(jìn)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(gè)X射線聚焦鏡,用于對(duì)黑洞等高能天體的X射線輻射進(jìn)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(jì)劃,主要包括:“十三五”空間科學(xué)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(xué)家發(fā)起和主導(dǎo)的重大國際合作空間科學(xué)項(xiàng)目:增強(qiáng)型X射線時(shí)變與偏振空間天文臺(tái)eXTP(enhanced X-ray Timing and Polarization mission)[12,13].其中,EP衛(wèi)星將搭載一臺(tái)X射線聚焦望遠(yuǎn)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?cè)?檢測天體的X射線光變;eXTP則將搭載13個(gè)X射線聚焦鏡,用于對(duì)黑洞、中子星和夸克星的X射線輻射進(jìn)行探測研究.這一系列科研計(jì)劃的實(shí)施對(duì)提高我國天文探測研究的地位,使我國的空間科學(xué)進(jìn)入國際最先進(jìn)的行列具有非常重要的意義.

目前對(duì)于X射線聚焦鏡的研制普遍采用掠入射式Wolter-1型設(shè)計(jì),根據(jù)選用不同的鏡片基底材料,采用相應(yīng)的研制路線進(jìn)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(jìn)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(jì)、研制及其光學(xué)性能測試.玻璃鏡片在設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)中需考慮兩段鏡片的間隙對(duì)光路的影響.

2 聚焦鏡研制

2.1 聚焦鏡設(shè)計(jì)

基于掠入射條件下的反射原理設(shè)計(jì)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(jì)中需重點(diǎn)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(duì)X射線的反射率;σ為實(shí)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(jì)中需綜合考慮鏡頭焦距等因素進(jìn)行合理設(shè)計(jì).聚焦鏡可將視場內(nèi)的入射X射線聚焦至焦點(diǎn)位置,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)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(dāng)拋物面鏡焦點(diǎn)與雙曲面右焦點(diǎn)重合時(shí),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(diǎn)處.聚焦鏡設(shè)計(jì)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(biāo)系下,拋物面鏡方程式為

聚焦鏡設(shè)計(jì)就是根據(jù)應(yīng)用要求建立數(shù)學(xué)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(jì)參數(shù)圖Fig.3.Design parameter diagram of Wlter-1 focusing lens.

在圖3所示坐標(biāo)系中,根據(jù)曲線方程求得拋物面鏡焦點(diǎn)橫坐標(biāo)為m?p/2.雙曲線左焦點(diǎn)橫坐標(biāo)為雙曲線右焦點(diǎn)橫坐標(biāo)為根據(jù)Wolter-1型聚焦鏡設(shè)計(jì)原理,拋物面鏡焦點(diǎn)應(yīng)與雙曲面鏡右焦點(diǎn)重合,聚焦鏡最終焦點(diǎn)位置與雙曲面左焦點(diǎn)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(yīng)滿足拋物線方程,即

此外,在聚焦鏡設(shè)計(jì)中,考慮到雙曲面鏡應(yīng)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(dǎo)反射光線方程,得到鏡片設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)滿足下述方程:入射光線掠入射角θ由實(shí)際應(yīng)用需要根據(jù)X射線反射理論進(jìn)行計(jì)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(jì)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(jìn)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(jì)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(fù)制在鏡片上,為了提高鏡片對(duì)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?zāi)?鏡片實(shí)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(shí)物Fig.5.Picture of focusing mirror.

3 聚焦鏡光學(xué)性能測試

聚焦鏡光學(xué)性能測試系統(tǒng)如圖6所示,實(shí)驗(yàn)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(duì)位置與形態(tài),焦斑采集相機(jī)安裝于焦點(diǎn)位置來采集焦斑的灰度圖像,該圖像中各像元的灰度等級(jí)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(jìn)行灰度分析,通過提取并統(tǒng)計(jì)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(yīng)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(duì)應(yīng)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(gè)理想點(diǎn),由于在鏡片實(shí)際制備過程中存在多種公差,實(shí)際鏡片面型與理想面型有所差異,導(dǎo)致了聚焦鏡片焦斑的擴(kuò)散,鏡片面型導(dǎo)致焦斑擴(kuò)散的光路圖如圖8所示.

利用三維激光掃描儀對(duì)所研制的聚焦鏡片面型進(jìn)行了測試,測試結(jié)果如圖9所示,其中圖9(a)為實(shí)際鏡片面型與理想面型的擬合效果圖,可看出實(shí)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(jì)出的面型公差分布圖,統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示面型公差在10μm以內(nèi)的測試點(diǎn)占總測試點(diǎn)的50%.

圖6 測試系統(tǒng)實(shí)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(kuò)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(jì)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(jì)算推導(dǎo)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(jì)方程,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了聚焦鏡的研制,并在可見光條件下進(jìn)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(duì)聚焦鏡片光斑性能的影響,更為細(xì)致的分析將在下一步研究中進(jìn)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(jìn)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.