空间X射线反射式聚焦系统的同步辐射表征技术_田纳玺.pdf

航空学报Acta Aeronautica et Astronautica SinicaFeb.15 2023 Vol.44 No.3ISSN 1000-6893 CN 11-1929/V527386-1空间 X射线反射式聚焦系统的同步辐射表征技术田纳玺1，谢佳男1，2，蒋晖1，3，*，杨宇41中国科学院 上海高等研究院，上海 2012042上海科学技术大学，上海 2012103中国科学院 上海应用物理研究所，上海 2018004北京控制工程研究所，北京 100190摘 要：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。关键词：X射线反射镜；同步辐射；在线检测；波前检测；面形误差中图分类号：V11；O434.1 文献标识码：A 文章编号：1000-6893（2023）03-527386-19半个多世纪以来，脉冲星逐渐成为了天体物理研究的热点领域，随着观测设备以及航天领域新技术的迅速发展，基于脉冲星的计时导航已成为国家战略中具有前瞻性的研究方向，更成为中国航天领域和天文学领域急迫的研究任务。从国内外研究进展可知，空间 X 射线望远镜是开展上述两大领域的核心技术和基础，而空间 X 射线聚焦光学系统的性能是制约空间 X 射线观测设备能力提升的关键。空间 X 射线聚焦系统的发展涉及超短波光学、超精密制造、先进材料、超精密计量与表征等多个领域。其中关键反射镜元件的表面中高低频误差的测量和表征是发展高性能反射式聚焦系统的重要基础。目前，国内外多个国家和组织已发射多台空间 X 射线望远镜以开展脉冲星观测及航天工程应用，比如爱因斯坦卫星（High-Energy Astronomical Observatory 2，HEAO-2）、美 国 Chandra X 射线天文台、欧洲 Newton-XMM X 射线天文台、日本 ASTRO 系列 X射线望远镜等，对于人们认知中子星、黑洞、恒星、系外行星等天体的关键特性，揭示宇宙的起源和演化，做出了突出贡献。中国在该领域起步相对较晚，但已有部分研究所和相关高校开展空间 X 射线反射镜的研制工作。2016 年 11 月 10 日，中国空间技术研究院http:/ 引用格式：田纳玺，谢佳男，蒋晖，等.空间 X 射线反射式聚焦系统的同步辐射表征技术 J.航空学报，2023，44（3）：527386.TIAN N X，XIE J N，JIANG H，et al.Characterization of space X-ray reflective focusing system by using synchrotron radiation facilityJ.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2023，44（3）：527386（in Chinese）.doi：10.7527/S1000-6893.2022.27386收稿日期：2022-05-07；退修日期：2022-06-04；录用日期：2022-07-08；网络出版时间：2022-07-1513：09网络出版地址：https：/ X 射线反射式聚焦望远镜，国内首次在轨验证了该类望远镜的可行性。目前，中国科学院高能所正在开展爱因斯坦探针卫星的 X 射线望远镜研制工作。国家天文台牵引相关单位正开展 X射线龙虾眼聚焦反射镜的研制工作。此外，中国正在论证的下一代增强型 X 射线时变与偏振空间天文台（enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission，eXTP），同样拟采用 Wolter-I 反射式聚焦光学系统。通常而言，X射线波段（能量从0.1 至100 keV）覆盖软 X 射线、硬 X 射线直到超硬 X射线能段。因为 X射线波段中几乎所有材料的折射率都接近于 1，光束无法在介质中产生明显的折射现象，所以常见的正入射反射镜或者透镜元件很难适用于 X 射线聚焦系统中。X 射线，尤其是硬 X 射线的偏转、准直和聚焦等功能大多采用掠入射反射镜来实现。X射线掠入射反射镜主要应用于天文观测、脉冲星计时导航、同步辐射装置和生物探测等领域。常见的掠入射反 射 聚 焦 系 统 包 括 Kirkpatrick-Baez（K-B）、Wolter-、和龙虾眼型等反射式系统1。其中 Wolter-型光学系统是目前在空间 X 射线望远镜领域应用最广泛的系统。根据系统的设计要求，反射镜表面轮廓面形复杂多变，主要包括旋转抛物面、双曲面等二次旋转曲面。基于掠入射反射镜光学系统的空间 X 射线望远镜可以探测宇宙中极其微弱的 X 射线信号并分辨诸如脉冲双星等相邻辐射源，其聚焦成像系统具有高信噪比、大口径和高分辨等特点。为实现上述功能，空间 X 射线望远镜在设计中常采用嵌套式的薄反射镜提高有效探测面积。根据瑞利判据，望远镜的空间角分辨率取决于望远镜的数值孔径，而同时为了满足相干性条件，也需要减小反射镜面的面形误差。这种中低频的面形误差会展宽系统的点扩散函数，降低成像质量，从而严重影响空间角分辨率。而为了获得高信噪比和高反射通量，在保证大孔径的同时也需要减小反射镜的表面高频粗糙度。高频粗糙度会引起聚焦光斑的漫散射、成像对比度和信噪比的降低，严重减小有效集光面积。由此可见，X 射线反射镜的面形误差与粗糙度水平决定了空间 X 射线聚焦系统的主要性能。如何全面表征反射镜表面面形特征显得尤为重要，其测量带宽必须覆盖相应面形误差的整体空间频率范围。对于大尺度的反射镜而言，其全空间波长从镜长的近米级直到高频粗糙度的埃级（10-10 m），意味着其面形表征跨度达到 910 个数量级，给面形表征带来了巨大的挑战。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。然而反射镜的安装和运行工况对于面形误差的影响不可忽视，例如系统装配、重力释放、力学冲击、热变形以及入射光本征畸变等。直接利用 X 射线光源在接近光学系统实际工况，如相似波长、热负载和夹持等条件下开展测量已成为近年来重要的发展方向。这种在线检测弥补了系统测量环境与使用环境差异所带来的影响。于是，美国、德国、日本和中国等均建造基于 X 射线真空模拟测试系统开展反射率、角分辨率、探测能段等指标的测试与标定。然而该类装置存在如下局限性：由于采用了实验室 X 射线源，其亮度和相干性的缺失使得难以模拟单能大流量的 X 射线光子；目前还难以实现大口径的实验室 X 射线源，不能覆盖 X 射线反射镜口径日益增大的需求；X 射线的波长不连续，不能完全满足元件在工作波段的测试要求。于是以同步辐射光源为代表的新型光源逐渐展现出自身优势。同步辐射和 X 射线自由电子激光是迄今能产生高相干性和最高亮度的 X 射线光源装置，同时具有高准直、短脉冲和广光谱覆盖的优势7-8。基于航空学报527386-3新型光源发展的 X 射线光学系统表征技术，无论对于空间 X 射线望远镜的反射镜面形特征还是整体系统特性的表征精度和速度都会有大幅度提升。基于同步辐射装置的反射元件的在线检测技术近年来得到广泛关注，主要包括细光束法、哈特曼波前传感器、光栅干涉法、近场散斑法、扫描相干衍射法等。这些技术主要通过测量反射光束的局部波前的传输方向或相位变化来计算反射镜的面形误差信息。除了同步辐射领域自用的光学元件检测，包括空间 X 射线望远镜、极紫外光刻系统等其他重要领域中使用的反射镜元件均可借助同步辐射装置开展面形在线检测。对于空间 X 射线望远镜元件而言，为了更好地预测望远镜的角度分辨率和控制反射镜的加工精度，面形测量一般需要好于亚微米的测量精度。虽然精度上不如同步辐射光学元件要求这么高，但是更大的尺寸和更复杂的系统集成也为测量带来了额外的难度。除了在线面形测量，对于空间望远镜这种二维聚焦反射系统，直接进行成像或聚焦实验也是重要的检测手段，而同步辐射装置可以提供各种尺寸、能量和特性的高质量光束来实现相关的检测。国际上，同步辐射装置已经广泛应用于空间 X 射线望远镜及相关光学元件的测量和性能表征等领域9-11。本文将根据脉冲星计时导航、空间 X 射线科学探测等领域的实际需求，综述相关的 X 射线反射式聚焦系统和其核心反射镜元件的在线测试技术，尤其在上海同步辐射光源已经开展的部分相关工作进展，涵盖了空间 X 射线反射式聚焦系统中反射镜元件的表面粗糙度、圆度误差、斜率误差、曲率误差以及系统角分辨率和有效集光面积等重要参数的检测。本文期望国内空间 X 射线望远镜领域的重要光学元器件在未来能充分利用同步辐射或者 X 射线自由电子激光等大科学装置平台，实现精确的测量、表征和校正，显著提升中国空间 X 射线聚焦望远镜的反射效率和空间角分辨率等性能，获得更大的科学产出，同时推动中国 X 射线脉冲星计时导航技术在航天科技领域的工程应用。1空间 X射线聚焦光学系统空间 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-（2 次内反射）、（1次内反射和 1次外反射）、（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 Angel13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图 1Wolter型 X射线系统原理示意图1Fig.1Schematics of Wolter X-ray lenses1航空学报527386-4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。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