左富昌,梅志武,鄧樓樓,周昊,貝曉敏,黎月明
1.北京控制工程研究所,北京 100190 2.中國空間技術(shù)研究院 錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室,北京 100094
為實現(xiàn)對脈沖星、黑洞、銀河系、星系團(tuán)的結(jié)構(gòu)和超新星爆發(fā)等的精細(xì)觀測,提高深空探測精度,需構(gòu)建微角秒量級的超高精度時空基準(zhǔn)系統(tǒng)。X射線強(qiáng)度關(guān)聯(lián)干涉測量為實現(xiàn)高分辨率脈沖星信息獲取提供一條可行的技術(shù)途徑[1-2],有望實現(xiàn)對空間X射線脈沖星微角秒量級角位置的測量[3-4],強(qiáng)度關(guān)聯(lián)干涉測量技術(shù)起源于HBT(Han?bury Brown-Twiss)實驗。1957年,HBT實驗由Brown和Twiss[5]提出,最初用于測量天狼星的角直徑[6],與傳統(tǒng)一階干涉不同,實驗中利用符合測量法得到了強(qiáng)度干涉條紋。在基于HBT強(qiáng)度干涉的脈沖星角直徑測量實驗中,采用2個間距確定的單光子探測器記錄來自同一脈沖星的X射線信號,得到空間兩點的強(qiáng)度關(guān)聯(lián)值,再通過移動探測器位置改變2個探測器的間距,由間距掃描來獲得二階干涉條紋,從而得到角直徑[2]。
脈沖星X射線的能量輻射來源主要是吸積[7-8],部分依靠旋轉(zhuǎn)能損率供能的射電脈沖星和高磁場脈沖星[9-10],以及所有依靠磁場供能的磁星[11-12]。通過基準(zhǔn)脈沖星輻射X射線光束二階符合測量,獲得天球參考系下脈沖星與導(dǎo)航衛(wèi)星星間鏈路的夾角,從而獲得高精度基線方向測量,滿足衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)方向角測量精度需求,解決衛(wèi)星導(dǎo)航星座系統(tǒng)整體旋轉(zhuǎn)的問題,脈沖星角位置強(qiáng)度關(guān)聯(lián)測量的精度在解決該問題中起決定作用。
通過X射線聚焦光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)脈沖星X射線高效率、高分辨率聚焦,提高儀器信噪比和靈敏度,是提高脈沖星角位置強(qiáng)度關(guān)聯(lián)測量精度的關(guān)鍵。而高分辨率和大有效面積的X射線聚焦光學(xué)系統(tǒng),對反射鏡超精密加工與多層反射鏡嵌套精密裝調(diào)提出了要求。加工誤差和裝調(diào)誤差是造成掠入射光學(xué)系統(tǒng)實際性能與設(shè)計指標(biāo)存在差距的決定性因素,通過對各項制造誤差的分配、控制,以及其對光學(xué)系統(tǒng)性能影響的研究,可為反射鏡加工和多層反射鏡嵌套裝調(diào)提供依據(jù)[13-14]。
實現(xiàn)X射線聚焦的主要形式有衍射聚焦光學(xué)、折射光學(xué)、多層膜正入射反射、微孔光學(xué)、龍蝦眼光學(xué)、KB聚焦鏡、Wolter型聚焦光學(xué)等[15-16],其中衍射聚焦光學(xué)基于光衍射原理,折射光學(xué)基于光折射原理,其他形式均基于光反射原理,為提高反射效率,大多采用掠入射反射形式。不同的聚焦形式適用于不同的領(lǐng)域和場合,Wolter-I型聚焦光學(xué)適用于空間X射線源觀測,可實現(xiàn)大面積和高分辨率,可適應(yīng)強(qiáng)度關(guān)聯(lián)測量試驗需求和未來工程應(yīng)用需求,因此選擇Wolter-I型聚焦光學(xué)形式。20世紀(jì)50年代,德國物理學(xué)家沃爾特(Wolter)提出了Wolter-I型掠入射聚焦光學(xué)系統(tǒng),此后國外開展了廣 泛 深 入 的 研 究,Einstein、Suzaku、Chandra、XMM-Newton[17]、Astro-H[18]、eRosita[19]、IXPE[20]等多個空間X射線探測任務(wù)成功應(yīng)用了Wolter-I型掠入射聚焦光學(xué)系統(tǒng)。隨著脈沖星X射線科學(xué)觀測和脈沖星導(dǎo)航試驗探索的發(fā)展,國內(nèi)逐步開展了X射線掠入射光學(xué)系統(tǒng)研究,從設(shè)計分析、工藝試驗、樣機(jī)研制,逐漸發(fā)展到工程實現(xiàn)與應(yīng)用[21-25]。2016年中國X射線掠入射光學(xué)系統(tǒng)首次在軌驗證[26],為研制高分辨率、大面積聚焦光學(xué)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。
首先,針對微角秒量級脈沖星角位置強(qiáng)度關(guān)聯(lián)測量地面試驗驗證的需求,開展Wolter-I型X射線聚焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與分析;然后,根據(jù)設(shè)計確定總體誤差標(biāo)準(zhǔn),對各項誤差進(jìn)行分配,確定加工工藝路線;最后,完成超光滑芯軸與反射鏡加工和多層反射鏡精密裝調(diào),實測的聚焦光學(xué)系統(tǒng)角分辨率達(dá)到12.16″,成功將聚焦光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于脈沖星角位置強(qiáng)度關(guān)聯(lián)測量地面試驗驗證。
由于地面X射線強(qiáng)度關(guān)聯(lián)干涉測量實驗系統(tǒng)受限于地面條件,光場的橫向相干尺度極為有限。經(jīng)仿真分析,真空束線長度>20 m時,可滿足脈沖星X射線強(qiáng)度關(guān)聯(lián)相干長度的要求,且在該長度下,探測單元處的流量剛好近似于Crab脈沖星的流量,因此可以較好地等效空間在軌情況。
綜合考慮地面試驗系統(tǒng)建設(shè)環(huán)境要求,確定了真空束線長度。如圖1所示,脈沖星角位置強(qiáng)度關(guān)聯(lián)測量系統(tǒng)總長28 m,有效光路長度24 m,主要由脈沖星X射線模擬源、單色濾光器件、X射線聚焦光學(xué)系統(tǒng)、超導(dǎo)X射線單光子探測器、真空系統(tǒng)、主動隔振臺、被動隔振臺和動態(tài)強(qiáng)度關(guān)聯(lián)演示驗證軟件平臺等組成。
圖1 脈沖星角位置強(qiáng)度關(guān)聯(lián)測量系統(tǒng)平臺Fig. 1 Schematic of intensity-correlated measurement system for pulsar angular position
圖1中的X射線聚焦光學(xué)系統(tǒng)通過多層反射鏡嵌套,實現(xiàn)大有效面積和高角分辨率,將脈沖星X射線模擬源發(fā)出的X射線光子聚焦到超導(dǎo)X射線單光子探測器,提高探測器接收的X射線光子數(shù)。結(jié)合強(qiáng)度關(guān)聯(lián)測量系統(tǒng)總體設(shè)計,為保證聚焦光學(xué)系統(tǒng)的聚焦效果,減小制造難度,將聚焦光學(xué)系統(tǒng)盡量遠(yuǎn)離X射線模擬源放置,增大聚焦光學(xué)系統(tǒng)與單光子探測器之間的距離,從而確定聚焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距為1150 mm;試驗采用的光源波長為1 nm左右,超導(dǎo)X射線探測器的敏感區(qū)域直徑為1 mm,為降低地面試驗的測量時間及誤差,橫向相干尺寸應(yīng)與探測器敏感區(qū)域尺寸相當(dāng),即橫向相干尺寸應(yīng)為1 mm,基于此提出對光學(xué)系統(tǒng)聚焦等效焦斑尺寸的要求,確定脈沖星角位置強(qiáng)度關(guān)聯(lián)測量系統(tǒng)對聚焦光學(xué)系統(tǒng)的角分辨率需優(yōu)于17″,以保證聚焦光斑遠(yuǎn)小于探測器尺寸,提高計數(shù)率和靈敏度。
如圖2所示,掠入射光學(xué)系統(tǒng)的每層反射鏡由拋物面主鏡和雙曲面次鏡組成,拋物面與雙曲面的共焦點F,即為光學(xué)系統(tǒng)的焦點[25]。
圖2 掠入射光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Schematic of grazing incidence optics
以拋物面的焦點為原點、系統(tǒng)光軸為x軸建立坐標(biāo)系,定義入射光線沿?x軸方向。拋物面頂點的曲率半徑為r0,雙曲面兩焦點之間的距離為2c,雙曲面的長半軸和短半軸分別為a、b,則拋物面和雙曲面在該坐標(biāo)系下的方程可分別表示為
拋物面與雙曲面在x=X2處相交,形成一個半徑為R2的圓。交點(X2,R2)到焦點F之間距離的x軸投影定義為系統(tǒng)焦距f;拋物面在相交處(X2,R2)的切面與光軸的夾角用θP表示;雙曲面在相交處(X2,R2)的切面與光軸的夾角用θH表示。則有
將交點(X2,R2)代入式(1),并根據(jù)圖2所示幾何關(guān)系,得到:
由式(3)和式(4)可得
平行于光軸的光線入射到拋物面(X2,R2)附近的位置處時,掠入射角用θ1表示,該光線經(jīng)拋物面反射后,入射到雙曲面上,其入射角用θ2表示,為了使掠入射光學(xué)系統(tǒng)具有最優(yōu)的有效集光面積,通常取θ1=θ2=θ;光線再經(jīng)雙曲面反射到焦點處,該反射光線與光軸的夾角用α表示,根據(jù)幾何關(guān)系及反射定律可知:
通常,根據(jù)X射線能量范圍,確定拋物面的平均最佳掠入射角θ,同時給出系統(tǒng)焦距f,根據(jù)式(5)和式(6)可以計算出拋物面曲率半徑r0及雙曲面參數(shù)a與b,從而確定掠入射光學(xué)系統(tǒng)的幾何參數(shù)。
強(qiáng)度關(guān)聯(lián)測量聚焦光學(xué)系統(tǒng)主要工作于1 keV左右的能段,結(jié)合脈沖星輻射X射線的能量范圍和脈沖星點源的輻射特性,確定設(shè)計能量范圍為0.2~10 keV,視場角為15′,該視場角可滿足地面試驗和空間觀測需求,有利于提高聚焦光學(xué)系統(tǒng)抗雜散X射線干擾的能力。在確定焦距為1150 mm的前提下,以增大有效面積、降低重量為目標(biāo),選擇合適的反射鏡長度口徑比,在滿足性能要求的同時,減小加工、檢測的難度。經(jīng)設(shè)計優(yōu)化,聚焦光學(xué)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。依據(jù)聚焦光學(xué)系統(tǒng)基本參數(shù),開展各層反射鏡詳細(xì)幾何參數(shù)的設(shè)計,如表2所示。
表1 光學(xué)系統(tǒng)基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of optics
X射線聚焦光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)包括角分辨率和有效面積,角分辨率決定可觀測的天體精細(xì)程度,有效面積決定儀器的探測靈敏度。
角分辨率是指光學(xué)系統(tǒng)可分辨的2個點源之間的最小距離,掠入射光學(xué)系統(tǒng)的角分辨率一般定義為包含50%X射線光子總計數(shù)率的圓直徑,也被稱為半能量寬度(HEW),具體表示為[27]
式中:D50% energyencircled為包含50%X射線光子總計數(shù)率的圓直徑。影響角分辨率的因素有反射鏡面形誤差、裝調(diào)誤差等。
有效面積是指焦平面探測器對被X射線標(biāo)定源照射的光學(xué)系統(tǒng)的響應(yīng),可表示為各層嵌套反射鏡有效面積之和,即
式中:Aap,m為m層反射鏡的幾何面積;R(E,θm)為m層反射鏡的反射率;E為X射線能量;θm為m層反射鏡的掠入射角。光學(xué)系統(tǒng)焦距及口徑確定的前提下,影響有效面積的因素有反射鏡的鍍膜材料、表面粗糙度、裝調(diào)誤差等。
如圖3所示,根據(jù)表1和表2的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù),以反射鏡鍍金Au或鍍鎳Ni,反射面粗糙度Rq=0.3,0.5,0.7 nm為輸入開展仿真分析,得到0.1~10 keV能量范圍內(nèi)光學(xué)系統(tǒng)的有效面積。
表2 反射鏡基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of mirrors
圖3 有效面積隨X射線能量的變化Fig. 3 Variation of effective area with X-ray energy
從圖3可以看出,鍍膜材料決定了有效面積隨能量的變化趨勢,工作能量范圍內(nèi)金膜優(yōu)于鎳膜;鍍膜材料相同時,粗糙度越低,有效面積越大;相同鍍膜材料和粗糙度的情況下,X射線能量越高,有效面積越小。
本文設(shè)計的聚焦光學(xué)系統(tǒng)主要工作于1 keV左右,因此選擇鍍金材料,考慮到加工難度和對提升有效面積的貢獻(xiàn),要求粗糙度優(yōu)于0.5 nm,以此為輸入條件,開展裝調(diào)誤差對有效面積的影響分析。
當(dāng)入射光線與光學(xué)系統(tǒng)光軸存在角度時,會造成光線遮擋和反射率下降,從而降低光學(xué)系統(tǒng)有效面積,如圖4所示,因此,當(dāng)裝調(diào)引起多層反射鏡之間存在傾斜或偏心誤差時,會造成各層反射鏡入射光線的離軸,造成反射鏡遮擋入射光線,導(dǎo)致有效面積下降。
圖4 有效面積隨離軸角的變化Fig. 4 Variation of effective area with off-axis angle
同時當(dāng)入射光線與光學(xué)系統(tǒng)光軸存在角度時,光學(xué)系統(tǒng)的聚焦光斑也會出現(xiàn)增大和偏離理想位置的現(xiàn)象,如圖5所示,視場角范圍內(nèi)的聚焦光斑處于探測器的敏感區(qū)域內(nèi)。
圖5 不同離軸角下的聚焦光斑Fig. 5 Focusing spots at different off-axis angles
X射線納米量級的短波長特性,使得掠入射光學(xué)系統(tǒng)存在不同空間頻率的加工誤差,對有效面積和角分辨率造成不同的影響:① 高頻誤差(即表面粗糙度),造成大角度散射,使能量從光斑中心散射到很寬的暈帶,降低鏡片的反射率,從而使有效面積減??;② 中低頻誤差,造成小角度散射,使角分辨率明顯下降[28]。
根據(jù)制造及使用生命周期,掠入射聚焦光學(xué)系統(tǒng)存在的中低頻制造誤差包括加工誤差和裝調(diào)誤差,其中加工誤差分為① 芯軸加工誤差,包括圓度誤差、斜率誤差;② 反射鏡復(fù)制誤差,包括圓度誤差、斜率誤差。反射鏡裝調(diào)誤差分為:①偏心誤差;②傾斜誤差;③離軸誤差。
將以上各項誤差進(jìn)行分配,高頻誤差給出允許的粗糙度,中低頻誤差給出誤差對應(yīng)的角分辨率值,如圖6所示。以此為基礎(chǔ),開展芯軸的超精密加工、反射鏡復(fù)制和多層反射鏡精密集成裝調(diào)。
圖6 光學(xué)系統(tǒng)制造誤差分配Fig. 6 Allocation of manufacturing error for optics
通過對比分析現(xiàn)有幾種掠入射反射鏡加工工藝路線,采用類似文獻(xiàn)[26]的電鑄鎳鈷復(fù)制工藝方法。
在前期研究基礎(chǔ)上,優(yōu)化了拋光設(shè)備和拋光工藝參數(shù),將芯軸拋光分為粗拋光和精拋光;粗拋光使粗糙度從15 nm降至3 nm以下,同時對芯軸進(jìn)行修形,使芯軸面形精度優(yōu)于1 μm;精拋光為光順加工,進(jìn)一步降低表面粗糙度到0.4 nm左右[29],同時保證面形精度。
此外,使用比剛度更好的電鑄NiCo合金代替電鑄Ni,使反射鏡基體具有更高的剛度和強(qiáng)度;優(yōu)化Ni和Co濃度、電流、pH值等電鑄工藝參數(shù),提高電鑄層的均勻性和強(qiáng)度,降低電鑄層的內(nèi)應(yīng)力,提高芯軸表面Au層與NiCo層之間的結(jié)合力,保證順利脫模,減小鏡片從芯軸上分離后應(yīng)力釋放引起的變形,加工的芯軸及反射鏡如圖7所示。
圖7 芯軸與反射鏡Fig. 7 Mandrel and mirror
芯軸的粗糙度和面形誤差直接決定鏡片的精度,必須進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測。如圖8所示,分別使用Mahr圓度儀、白光干涉儀檢測芯軸的圓度和表面粗糙度,實測的圓度誤差為0.4 μm,實測的粗糙度均方根值為0.39 nm;利用中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實驗室的長程輪廓儀(LTP)檢測芯軸斜率誤差,實測的斜率誤差均方根值為0.42 μm,滿足對芯軸的加工誤差要求。
圖8 芯軸測試Fig. 8 Measurement of mandrel
為了表征鏡片的綜合性能,利用中國科學(xué)院高能物理研究所北京同步輻射裝置的4B7B束線,測試了0.08~1.6 keV能量范圍內(nèi)的鏡片反射率,測試結(jié)果如圖9所示,可以看出,各鏡片在1 keV處的反射率均高于65%,表明芯軸的超光滑表面和鍍層有效轉(zhuǎn)移到了鏡片的內(nèi)表面。
對比圖3和圖9,實測反射率與理論計算有效面積變化趨勢基本一致,加工的反射鏡符合預(yù)期;但在0.2~1 keV范圍內(nèi)實測反射率下降趨勢更明顯,且出現(xiàn)了明顯的C吸收峰和O吸收峰,根據(jù)以往經(jīng)驗,分析主要原因是反射鏡表面經(jīng)過加工、檢測和轉(zhuǎn)運等環(huán)境,受到了一定程度的污染,反射鏡為超光滑內(nèi)表面,無法進(jìn)行有效的清潔,這也為聚焦光學(xué)系統(tǒng)后續(xù)工程應(yīng)用中采取有效的防污染措施提供了依據(jù)。
圖9 測試的反射率Fig. 9 Measured reflectivity
根據(jù)X射線聚焦光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點,搭建了裝、測、調(diào)一體的原位裝調(diào)裝置,由光源、平行光管、平面鏡、位移子系統(tǒng)和監(jiān)測相機(jī)組成,如圖10所示。光源發(fā)出的光經(jīng)平行光管準(zhǔn)直為水平準(zhǔn)直光,經(jīng)平面鏡反射轉(zhuǎn)換為豎直向上的準(zhǔn)直光,作為裝調(diào)基準(zhǔn);待裝調(diào)反射鏡及其支撐結(jié)構(gòu)固定于兩軸轉(zhuǎn)臺,實現(xiàn)反射鏡光軸與準(zhǔn)直光的對準(zhǔn)調(diào)節(jié);準(zhǔn)直光被待裝調(diào)反射鏡聚焦為光斑,監(jiān)測相機(jī)對聚焦光斑成像,并上傳至計算機(jī);計算機(jī)對光斑進(jìn)行分析,提取光斑的質(zhì)心,確定質(zhì)心在像面上的位置,與理想質(zhì)心位置比較,并計算出包含不同比例能量的包圍圓直徑,結(jié)合仿真結(jié)果,計算反射鏡的偏心、傾斜和離軸誤差;位移子系統(tǒng)調(diào)節(jié)鏡片后,重新計算裝調(diào)誤差,重復(fù)該過程,直到聚焦光斑滿足要求,完成單層反射鏡裝調(diào)。重復(fù)以上過程,完成所有反射鏡的裝調(diào)。
圖10 光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)Fig. 10 Alignment of optics
裝調(diào)完成后,對光學(xué)系統(tǒng)的角分辨率進(jìn)行測試,搭建的測試系統(tǒng)及測試結(jié)果見圖11。使用光源、針孔光闌和平行光管模擬高準(zhǔn)直的大口徑光源。準(zhǔn)直光源覆蓋被測X射線聚焦光學(xué)系統(tǒng)的口徑,從而對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行全面測試。調(diào)整相機(jī),使相機(jī)的CCD敏感元中心處于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面處,使用相機(jī)接收聚焦光學(xué)系統(tǒng)的聚焦光斑。
圖11 角分辨率測試Fig. 11 Measurement of angular resolution
使用編寫的專用測試軟件讀取光斑圖像信息,并計算出半峰像素坐標(biāo)值,通過最小二乘法擬合出半峰值的分布圓直徑,根據(jù)分布圓直徑和焦距之間的關(guān)系,得到光學(xué)系統(tǒng)的實測角分辨率為12.16″。
圖12是強(qiáng)度關(guān)聯(lián)試驗驗證過程中安裝于試驗平臺的聚焦光學(xué)系統(tǒng),位于X射線源和超導(dǎo)探測器之間,距超導(dǎo)探測器1150 mm,通過六自由度轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)聚焦光學(xué)系統(tǒng)的左右移動、左右偏轉(zhuǎn)、上下移動和上下俯仰,以實現(xiàn)與X射線光束的對準(zhǔn),提高探測器接收的光子個數(shù)。
圖12 強(qiáng)度關(guān)聯(lián)試驗中的聚焦光學(xué)系統(tǒng)Fig. 12 Focusing optics in intensity-correlation experiment
進(jìn)行時間相關(guān)單光子計數(shù)器(TCSPC)數(shù)據(jù)采集前,通過精細(xì)掃描聚焦光學(xué)系統(tǒng),得到探測器的最大計數(shù)值,如圖13所示,由于光學(xué)系統(tǒng)的聚焦作用,使得計數(shù)率發(fā)生了明顯增大,驗證了聚焦光學(xué)系統(tǒng)的性能。
圖13 聚焦后的X射線光子計數(shù)Fig. 13 Counts of focused X-ray photons
通過脈沖星角位置強(qiáng)度關(guān)聯(lián)測量聚焦光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計與分析、誤差分配,以及反射鏡加工與檢測、多層反射鏡裝調(diào)和角分辨率測試,得到以下結(jié)論:
1)光學(xué)系統(tǒng)反射鏡加工、集成裝調(diào)過程中的各項誤差對光學(xué)系統(tǒng)的性能影響程度不同,對各項誤差的分配,滿足光學(xué)系統(tǒng)性能和實際加工條件的要求。
2)采用電鑄NiCo復(fù)制工藝加工超光滑金屬反射鏡,基體材料NiCo合金和鍍膜材料Au,保證了反射鏡的面形精度和反射效率,為提高有效面積和角分辨率奠定基礎(chǔ)。
3)搭建的原位精密裝調(diào)裝置實現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)多層反射鏡的同軸共焦高精度集成裝調(diào),光學(xué)系統(tǒng)實測角分辨率達(dá)到12.16″。
4)開展了強(qiáng)度關(guān)聯(lián)試驗驗證,聚焦光學(xué)系統(tǒng)使探測器的計數(shù)率明顯增大,驗證了聚焦光學(xué)系統(tǒng)的性能。
但目前的角分辨率測試使用了可見光源,且在大氣環(huán)境下測試,與實際應(yīng)用環(huán)境存在差異。使用大直徑準(zhǔn)直X射線在真空狀態(tài)下開展光學(xué)系統(tǒng)的角分辨率和有效面積測試將是我們下一步要開展的工作。
致 謝
感謝北京同步輻射光源劉樹虎老師在反射效率測試和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實驗室邱克強(qiáng)老師在斜率誤差測試方面給予的指導(dǎo)。