輕量化大面積嵌套聚焦型X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡

李保權(quán)，李海濤，曹陽(yáng)，桑鵬，劉亞寧，余道淳

1．中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190 2．中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

基于脈沖星的航天器自主導(dǎo)航技術(shù)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和戰(zhàn)略意義，備受?chē)?guó)際航天界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注，相關(guān)的理論研究和在軌試驗(yàn)驗(yàn)證一直在持續(xù)推進(jìn)［1-2］。美國(guó)先后利用“先進(jìn)研究和全球觀測(cè)衛(wèi)星（Advanced Research and Global Observation Satellite， ARGOS）”上 的“非常規(guī)恒星定位探測(cè)器（Unconventional Stel?lar Aspect， USA）”和國(guó)際空間站上“中子星內(nèi)部構(gòu)成探測(cè)器（Neutron Star Interior Composition Explorer， NICER）”開(kāi)展了脈沖星導(dǎo)航在軌試驗(yàn)［3-4］。2018年美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）

公開(kāi)的資料顯示，基于NICER開(kāi)展的脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)在軌定位精度達(dá)到10 km以?xún)?nèi)［4］，驗(yàn)證了脈沖星導(dǎo)航的可行性。2016年中國(guó)也發(fā)射了由中國(guó)空間技術(shù)研究院研制的“脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星（X-ray Pulsar-based Navigation-1， XPNAV-1）”。XPNAV-1是中國(guó)首顆專(zhuān)門(mén)致力于脈沖星導(dǎo)航技術(shù)的試驗(yàn)驗(yàn)證衛(wèi)星，現(xiàn)在軌工作超5年，積累了大量數(shù)據(jù)，中國(guó)學(xué)者基于該星數(shù)據(jù)開(kāi)展了脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)相關(guān)研究［5-11］。

X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡是脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)的核心設(shè)備，其靈敏度和時(shí)間標(biāo)記精度決定了整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。由于脈沖星的X射線(xiàn)輻射強(qiáng)度較弱，高靈敏度依賴(lài)大探測(cè)面積實(shí)現(xiàn)。受技術(shù)手段制約，早期X射線(xiàn)天文衛(wèi)星上多采用氣體探測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)大探測(cè)面積，例如天文-C衛(wèi)星（Astronomy C satellite， Astro-C，發(fā)射 后 改 稱(chēng) 為Ginga）［12］、羅希X射線(xiàn)時(shí)變探測(cè)器（Rossi X-ray Timing Explorer， RXTE）［13］、ARGOS衛(wèi) 星［3］等。氣 體探測(cè)器有其本身優(yōu)勢(shì)：填充因子小、容易實(shí)現(xiàn)大面積，而且成本較低，但缺點(diǎn)也比較明顯：背景干擾大，探測(cè)效率低，能量分辨差，在軌可靠性低。尤其在軌可靠性問(wèn)題，是制約氣體探測(cè)器在空間應(yīng)用的最大障礙。RXTE衛(wèi)星氣體探測(cè)器的2個(gè)單元在2000-05-12和2006-12-25發(fā)生破損，導(dǎo)致反符合層功能喪失［14］。2000-11-16， ARGOS衛(wèi)星2套氣體探測(cè)器單元發(fā)生泄漏導(dǎo)致探測(cè)器失效［3］。隨著技術(shù)進(jìn)步，以及天文衛(wèi)星對(duì)探測(cè)性能可靠性要求提升，氣體探測(cè)器在空間的應(yīng)用正逐漸被淘汰，聚焦型X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡正成為天體X射線(xiàn)衛(wèi)星的首選。聚焦型X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡由光學(xué)聚焦系統(tǒng)和X射線(xiàn)探測(cè)器組成，常規(guī)的掠入射X射線(xiàn)聚焦系統(tǒng)包括K-B鏡、龍蝦眼、Wolter-I型等結(jié)構(gòu)形式， Wolter-I型望遠(yuǎn)鏡在天體X射線(xiàn)成像領(lǐng)域被廣泛采用［15-16］，該結(jié)構(gòu)便于通過(guò)嵌套的方式實(shí)現(xiàn)大探測(cè)面積，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)高分辨成像。Wolter-I型望遠(yuǎn)鏡的信噪比、靈敏度相比早期天文衛(wèi)星上的X射線(xiàn)氣體探測(cè)器有數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)。但受工藝手段限制，Wolter-I型光學(xué)系統(tǒng)一直面臨研制周期長(zhǎng)、難度大、成本高、質(zhì)量重等制約因素。例如1999年發(fā)射的“錢(qián)德拉X射線(xiàn)天文臺(tái) （Chandra X-ray Observatory， CXO）”，其上的X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)采用4層Wolter-I型嵌套，鏡面直徑分別為0.65、 0.87、 0.99、1.23 m，幾何面積1145 cm2。聚焦鏡面采用微晶玻璃整體加工和研磨拋光，單位面積的重量高達(dá)18000 kg/m2（@1keV），研制經(jīng)費(fèi)高達(dá)98億美元/m2［17］。隨著電鑄鎳工藝的進(jìn)步，X射線(xiàn)聚焦鏡在幾何面積、輕量化方面取得顯著進(jìn)步。采用電鍍鎳鏡面的XMM-Newton衛(wèi)星Wolter-I望遠(yuǎn)鏡嵌套58層，有效面積1430 cm2@1.5 keV。聚焦系統(tǒng)單位面積的重量降到3200 kg/m2，研制費(fèi)用約3.6億美元/m2［17］。2000年以來(lái)，隨著中國(guó)空間科學(xué)發(fā)展以及脈沖星導(dǎo)航研究的需求，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、蘇州大學(xué)、北京控制工程研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等多家單位開(kāi)展了基于微晶玻璃加工、電鑄鎳復(fù)制、平面玻璃熱成型等掠入射聚焦反射鏡的工藝探索和X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的研制，推進(jìn)了中國(guó)在空間X射線(xiàn)探測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展［17-23］。

長(zhǎng)期以來(lái)，基于電鑄鎳工藝［24-27］的掠入射嵌套聚焦系統(tǒng)在國(guó)際上占據(jù)主導(dǎo)地位，但隨著新材料、新工藝的出現(xiàn)，更為輕量化、低成本的研制技術(shù)正呈現(xiàn)替代趨勢(shì)［28-29］。2012年發(fā)射的“核光譜望遠(yuǎn)鏡陣列衛(wèi)星（Nuclear Spectroscopic Tele?scope Array， NuSTAR）”突破了一種更為輕量化、低成本的平面玻璃熱成型工藝［30］。NuSTAR成像光學(xué)系統(tǒng)采用Wolter-I型結(jié)構(gòu)，嵌套133層鏡面，單鏡頭總重量37 kg，軸上視場(chǎng)最大有效面積約500 cm2@10keV，單位面積質(zhì)量約740 kg/m2。相比傳統(tǒng)的電鑄鎳金屬鏡面重量顯著降低，研制費(fèi) 用 大 幅 度 降 到 了 約8千 萬(wàn) 美 元/m2［31］。Nu?STAR聚焦光學(xué)系統(tǒng)選用肖特公司D263平面玻璃，精密切割成近似拋物面型尺寸的 “梯形”結(jié)構(gòu)，再置于熔石英模具之上，然后通過(guò)高溫加熱重力塌陷變形的方式，使得平面玻璃在模具上成型為圓柱形。鏡頭裝配時(shí)，精修鏡面間石墨支撐條軸向面型，使其與設(shè)計(jì)的錐面鏡面型誤差控制在1 μm以?xún)?nèi)。將成型后圓柱形鏡面放置在支撐條上，通過(guò)工裝上的徑向壓板在壓力作用下使柱面鏡與支撐條緊密貼合。待支撐條與鏡面間粘結(jié)膠固化后，柱面鏡就在應(yīng)力作用下成型為需要的錐形鏡。由于NuSTAR熱成型的聚焦鏡面是柱面鏡而非錐形鏡，所以嵌套裝配時(shí)還需要對(duì)鏡面進(jìn)行二次塑型，這導(dǎo)致裝配工藝十分復(fù)雜，需要配備在線(xiàn)加工設(shè)備和精密的在線(xiàn)檢測(cè)設(shè)備。受工裝、在線(xiàn)加工檢測(cè)等輔助設(shè)備的體積和定位影響，NuSTAR二次成型粘結(jié)膠只能在常溫下固化，單片鏡面的固化時(shí)間至少需要8 h。文獻(xiàn)資料顯示，裝配一套完整的NuSTAR鏡頭需要3 month以上［30］，所以NuSTAR鏡面研制工藝效率較低，但NuSTAR為研制輕量化的X射線(xiàn)聚焦系統(tǒng)提供了一種新技術(shù)路線(xiàn)。

筆者所在團(tuán)隊(duì)在基于Wolter-I型X射線(xiàn)成像望遠(yuǎn)鏡研制技術(shù)的基礎(chǔ)上，2014年聯(lián)合相關(guān)單位開(kāi)始研制基于平面玻璃熱成型的輕量化嵌套聚焦型X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡，探索出不同于NuSTAR的新一代曲面鏡高精度成型工藝，2015年研制完成4套大面積、輕量化、嵌套聚焦型X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡（Nested Focusing X-ray Telescope， NFXT）?；谳p質(zhì)平面玻璃直接熱成型曲面鏡的工藝突破，可以為國(guó)內(nèi)開(kāi)展脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)驗(yàn)證，以及研制先進(jìn)的X射線(xiàn)天文衛(wèi)星提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

1 掠入射嵌套聚焦望遠(yuǎn)鏡光學(xué)設(shè)計(jì)

NFXT采用了類(lèi)似于NICER的拋物面一次反射聚焦結(jié)構(gòu)［32-33］。由于掠入射拋物面鏡是環(huán)帶收光，單個(gè)拋物面鏡的幾何收集面積太小。為了滿(mǎn)足脈沖星弱輻射的探測(cè)需要，需要多個(gè)拋物面鏡共焦嵌套來(lái)擴(kuò)大收集面積，如圖1所示。嵌套聚焦望遠(yuǎn)鏡光學(xué)設(shè)計(jì)需要兼顧嵌套曲面鏡高反射率、大口徑、小包絡(luò)的優(yōu)化原則。X射線(xiàn)全反射臨界角是掠入射嵌套鏡面設(shè)計(jì)的最核心輸入?yún)?shù)，其決定了最外層拋物面鏡口徑和后工作距。綜合權(quán)衡X射線(xiàn)脈沖星導(dǎo)航使用的能段，以及航天器能夠接受的體積約束，最終確定最外層鏡面最大掠入射角為1.58°，最內(nèi)層最大掠入射角0.626°，后工作距1300 mm，鏡面軸向長(zhǎng)度300 mm，嵌套鏡面最大直徑177.3 mm（最外層入口端），嵌套鏡面最小直徑57.6 mm（最內(nèi)層出口端）。表1列出了最終優(yōu)化后的11層共焦嵌套的拋物面方程參數(shù)和選取的鏡面數(shù)學(xué)參數(shù)。其中，P為焦準(zhǔn)距，即拋物線(xiàn)焦點(diǎn)到準(zhǔn)線(xiàn)的距離；δy為坐標(biāo)差距，即入射右端點(diǎn)y坐標(biāo)—出射右端點(diǎn)y坐標(biāo)。最內(nèi)層的鏡面序號(hào)i=11，最外層的鏡面序號(hào)i=1。嵌套聚焦光學(xué)結(jié)構(gòu)最小的環(huán)帶寬度3.09 mm，外層的最大環(huán)帶寬度8.65 mm。最大環(huán)帶和最小環(huán)帶的遮攔比約90%，根據(jù)以往研制Wolter-I型太陽(yáng)X射線(xiàn)成像望遠(yuǎn)鏡的經(jīng)驗(yàn)，90%的遮攔比可以用可見(jiàn)光平行光管檢測(cè)各層的裝配效果。

圖1 嵌套拋物面光學(xué)參數(shù)坐標(biāo)系Fig. 1 Coordinate system of nested parabolic mirrors

表1 嵌套拋物面聚焦望遠(yuǎn)鏡光學(xué)參數(shù)Table 1 Optical parameters of nested parabolic focusing mirrors

考慮到旋轉(zhuǎn)拋物面鏡模具的加工難度，為了降低嵌套聚焦光學(xué)系統(tǒng)的研制成本，最終采用錐形鏡面與旋轉(zhuǎn)拋物面鏡相結(jié)合的光學(xué)結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化，內(nèi)8層采用錐形鏡面，外3層采用拋物面鏡。內(nèi)8層拋物面鏡的曲率半徑相比錐形鏡差別不大，軸向300 mm的長(zhǎng)度上最大矢高差81 μm，所以完全可以錐形鏡近似代替拋物面鏡。這種替代使得研制成本和研制難度大幅降低，國(guó)際上眾多的Wolter-I型天文望遠(yuǎn)鏡都采用了近似替代［15，34-35］。圖2是8層錐形鏡+3層拋物面鏡的Zemax仿真結(jié)果。采用錐面與拋物面組合的嵌套結(jié)構(gòu)，0°視場(chǎng)EoE（ Energy of Encircle）=75%時(shí)對(duì)應(yīng)的包圍圓半徑為1 mm，包圍圓半徑為2 mm時(shí)，能夠探測(cè)到90%的聚焦能量。目前市場(chǎng)上典型的硅漂移探測(cè)器（Silicon Drift Detector，SDD）或者雪崩二極管探測(cè)器（Avalanche Photo Diode，APD）有效半徑超過(guò)2.5 mm，這種組合聚焦能夠保證探測(cè)器選型不受局限，所以8層錐面鏡+3層拋物面鏡是一種可以接受的優(yōu)化設(shè)計(jì)，既減輕了鏡面的研制難度，也降低了研制成本。

圖2 11層鏡面嵌套EoE分布圖（8層錐面+3層拋物面）Fig. 2 EoE profile of 11 layered nested mirror （8 lay?ered conic mirrors+3 layered parabolic mirrors）

2 X射線(xiàn)掠入射聚焦光學(xué)反射鏡研制

NuSTAR實(shí)現(xiàn)了嵌套聚焦鏡頭的輕量化，但工藝過(guò)程有其固有缺陷。NuSTAR將平面玻璃熱成型為柱面鏡，但X射線(xiàn)成像需要曲面鏡或者錐形鏡，所以在組裝集成時(shí)還需要二次塑型。NuSTAR的焦距為10 m，柱面鏡相比非球面鏡曲率半徑相差較小，在應(yīng)力壓制過(guò)程中形變量不大，所以柱面鏡在二次塑形過(guò)程中不易破碎，但這種機(jī)械應(yīng)力壓制成型使得嵌套共焦裝配過(guò)程變得異常復(fù)雜，而且風(fēng)險(xiǎn)高、效率低，僅適合于長(zhǎng)焦距的掠入射系統(tǒng)，否則鏡面形變量大導(dǎo)致玻璃破碎。不過(guò)NuSTAR的鏡面研制工藝給了2方面的啟示：①平面玻璃可以進(jìn)行熱成型，且能夠保持鏡面的超光滑；②200 μm厚的大面積玻璃能夠承受航天力學(xué)環(huán)境。在研制NFXT聚焦鏡面時(shí)，也采用平面玻璃熱成型的工藝，但技術(shù)路線(xiàn)與NuSTAR不一樣，具體工藝流程如圖3所示。

圖3 曲面鏡快速成形工藝Fig. 3 Rapid manufacturing process of curved mirror

工藝流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)如下：

1）加工石英模具

為了保證反射鏡面的成型質(zhì)量，選用熔石英作為成型模具材料。熔石英熱膨脹系數(shù)約0.5×10?6，尺寸穩(wěn)定性好，且易于超光滑拋光；軟化溫度高達(dá)1580 ℃，遠(yuǎn)高于D263T的軟化點(diǎn)。根據(jù)表1嵌套聚焦鏡面種類(lèi)，研制了11種模具。模具直接加工成錐體結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)拋物體結(jié)構(gòu)，而非Nu?STAR的圓柱體結(jié)構(gòu)；模具表面沒(méi)有增加脫模釋放層，但為保證成型后反射鏡面的面型和表面粗糙度，模具需要精修面型和表面拋光，直到玻璃脫模后的反射面粗糙度和面型精度滿(mǎn)足需要為止。

2）材料高溫成型

在成型之前對(duì)D263T玻璃進(jìn)行尺寸粗切，然后將D263T板材同石英模具一起加熱至特定溫度。在高溫成形過(guò)程中，嚴(yán)格控制成型溫度及退火溫度，防止高溫過(guò)程出現(xiàn)析晶、成型過(guò)度或成型不足等問(wèn)題。成型后的反射鏡面進(jìn)行高溫去應(yīng)力處理，消除結(jié)構(gòu)內(nèi)的殘余熱應(yīng)力，保證反射鏡面具有良好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性。

3）超薄曲面玻璃鏡面精密切割

曲面鏡成型之后直接在磨具上精密切割。常規(guī)的玻璃刀或者激光切割都有可能損壞模具，影響模具的重復(fù)利用。采用Ni絲熱切割，并施加了冷氣冷卻切割面，成功實(shí)現(xiàn)了0.3 mm厚D263T在模具上精密切割，而且切割界面光滑，成品率高。圖4是切割完成之后的拋物面鏡。鏡面的切割精度和端面的光滑度直接決定共焦裝配的效果。

圖4 切割后的拋物面鏡Fig. 4 Parabolic mirror after cutting

4）鏡面鍍膜

為了增加鏡面對(duì)X射線(xiàn)的反射率，需要在鏡面表面鍍上一層高原子序數(shù)的金屬材料。比較了Au、Pt、Ir、W等金屬材料在不同X射線(xiàn)光子能量下全反射臨界角，選用Ir金屬材料作為鍍層，鍍層厚度30 nm。該膜層厚度既保證X射線(xiàn)的反射率不受影響，也確保膜層在寬溫度范圍內(nèi)與玻璃結(jié)合緊密不脫落。在裝配固化過(guò)程中，第一片鏡面經(jīng)歷了33次從室溫升至90 ℃的高溫固化過(guò)程，溫差接近70 ℃，每次固化持續(xù)時(shí)間1.5 h，裝配完成的鏡頭經(jīng)過(guò)目檢，鏡面膜層無(wú)脫落、隆起等異常情況，顯示鍍膜工藝的可靠性和膜厚設(shè)計(jì)的合理性。

NFXT掠入射鏡面的熱成型工藝流程，采用了與NuSTAR完全不一樣的技術(shù)路線(xiàn)，創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下2方面：

1）平面玻璃直接成型為拋物面鏡。Nu?STAR是平面玻璃成型為柱面鏡，這樣模具研制的難度小，但后續(xù)裝配工藝復(fù)雜、配套設(shè)備昂貴、研制周期長(zhǎng)。本工藝將平面玻璃直接在模具上成型為拋物面鏡（或者錐形鏡），大幅度降低了嵌套鏡頭的裝配難度，提高了裝配效率。實(shí)際裝配過(guò)程中，單套NFXT的裝配時(shí)間在1周以?xún)?nèi)就能完成。

2）成型鏡面在沒(méi)有釋放層的模具上直接脫模。本工藝采用貼合成型，既保證了鏡面的面型精度，也保留了平面玻璃的粗糙度。測(cè)試結(jié)果顯示，鍍膜之后的鏡面粗糙度小于0.3 nm（圖5所示，粗糙度為0.2443 nm），這種級(jí)別的粗糙度相比電鑄鎳、鋁箔復(fù)制等工藝都有提高，能夠降低X射線(xiàn)的散射效應(yīng)，增強(qiáng)X射線(xiàn)鏡面反射率和能量集中度。

圖5 鏡面粗糙度測(cè)量Fig. 5 Roughness measurement of mirror

3 鏡面裝配及集成

嵌套鏡面的同軸共焦裝配是NFXT研制過(guò)程中的難點(diǎn)，嵌套層數(shù)越多，裝配難度越大。NFXT裝配關(guān)鍵檢驗(yàn)控制點(diǎn)表現(xiàn)在鏡面的切割精度控制、主軸鈦合金的加工精度控制，以及支撐條的結(jié)構(gòu)精度和工裝的加工精度。控制好這些關(guān)鍵部件加工精度之后，以工裝的后端面為基準(zhǔn)裝配鏡面，取得了預(yù)期效果。

除了共焦之外，NFXT的鏡面厚度僅有0.3 mm，鏡面能否通過(guò)航天力學(xué)環(huán)境也是需要解決的問(wèn)題。系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了逐層疊加的方式，11層鏡片沿徑向在支撐條的過(guò)渡下疊合一起。中心采用鈦軸作為主承力部件，最內(nèi)層玻璃直接粘在鈦軸上，相鄰2層鏡片間采用碳/碳復(fù)合材料支撐條支撐。每片掠入射鏡面背部有6根支撐條，玻璃鏡片和支撐條之間采用Henkel AB膠粘接。力學(xué)分析顯示NFXT基頻為287 Hz，玻璃鏡片上最大變形量小于0.2 mm，小于鏡面破碎的形變量。裝配完成的NFXT系統(tǒng)如圖6所示，包絡(luò)尺寸（直徑×高度）為200 mm×326 mm，重量4.25 kg。

圖6 嵌套聚焦光學(xué)望遠(yuǎn)鏡Fig. 6 Nested X-ray focusing optical system

裝配完成的NFXT經(jīng)歷了隨機(jī)振動(dòng)、真空熱循環(huán)、熱平衡等航天可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目。隨機(jī)振動(dòng)加速度均方根為7g，真空熱循環(huán)溫度范圍?15 ℃～+55 ℃，熱平衡為?100 ℃冷環(huán)境。NFXT順利通過(guò)了這些可靠性試驗(yàn)，驗(yàn)證了NFXT鏡面研制工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和有效性，基本具備工程應(yīng)用的條件。

4 NFXT性能分析及測(cè)試

有效探測(cè)面積是評(píng)價(jià)嵌套聚焦X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡性能的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)表1的設(shè)計(jì)參數(shù)，NFXT的最外層鏡面的入口端最大半徑為8.8650099 cm，最內(nèi)層出口端的最小半徑為2.8788094 cm，所以NFXT的幾何面積為220 cm2。掠入射鏡的鏡面厚度為0.3 mm，11層鏡面占據(jù)面積為9 cm2；此外鏡頭前端結(jié)構(gòu)有18根輻條，占據(jù)面積32 cm2；鏡面分3個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)與扇區(qū)之間的縫寬損失面積3.6 cm2?？鄢@些面積之后NFXT的凈幾何面積為175 cm2。NFXT的有效面積受鏡面粗糙度和鍍膜材料的反射率影響?？鄢@些影響因素，計(jì)算得到NFXT有效面積與X射線(xiàn)能譜關(guān)系如圖7所示，NFXT在1.5 keV處的有效面積約為130 cm2。如果選用SDD探 測(cè) 器（QE=0.79@1.5keV），NFXT+SDD的系統(tǒng)有效探測(cè)面積為102.7 cm2@1.5 keV。圖8是系統(tǒng)有效面積與X射線(xiàn)能量關(guān)系。

圖7 NFXT有效面積與X射線(xiàn)能量對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig. 7 Effective area of NFXT vs X-ray energy

圖8 X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡有效面積與X射線(xiàn)能量對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig. 8 Effective area of X-ray telescope vs X-ray energy

NFXT的聚焦性能用200 mm口徑的平行光管進(jìn)行檢測(cè)，并用相機(jī)采集多幀焦斑圖像（圖9所示），用包圍圓能量分析方法對(duì)聚焦光斑質(zhì)量進(jìn)行定量分析［36-37］。圖10是焦斑尺寸與包圍圓能量的對(duì)應(yīng)圖。圖像數(shù)據(jù)分析顯示，EoE=50%時(shí)PSF半徑為0.85 mm，EoE=75%的PSF半徑為1.4 mm。理論仿真值EoE=75% 對(duì)應(yīng)PSF半徑為1 mm（如圖3所示），工程樣機(jī)焦斑尺寸與理論值的差異在可接受范圍內(nèi)。目前共研制了4套NFXT，經(jīng)測(cè)試4套NFXT聚焦一致性較好，驗(yàn)證了鏡面成型、集成裝配等關(guān)鍵工藝的合理性和可控性。

圖9 聚焦光斑能量分布圖Fig. 9 Distribution of focused spot energy

圖10 聚焦光斑包圍圓能量分布Fig. 10 EoE of focused spot

NFXT的X射線(xiàn)能譜響應(yīng)在真空腔內(nèi)完成。圖11是連續(xù)譜X射線(xiàn)光源測(cè)試的能譜響應(yīng)曲線(xiàn)，探測(cè)器選用SDD。NFXT的探測(cè)能區(qū)約為1～12 keV，受制于X射線(xiàn)管的低能X射線(xiàn)輻射強(qiáng)度以及探測(cè)器窗口吸收，X射線(xiàn)低端能量沒(méi)有延伸到0.2 keV。

圖11 嵌套聚焦光學(xué)系統(tǒng)及SDD探測(cè)器對(duì)X射線(xiàn)的能譜調(diào)制Fig. 11 X-ray energy spectrum modulation by nested focusing mirrors and SDD

用X射線(xiàn)波段測(cè)試了NFXT的視場(chǎng)角。圖12是4.5 keV（Ti靶）的X射線(xiàn)測(cè)試結(jié)果，視場(chǎng)約為。1.5 keV（Al靶）測(cè)試NFXT的視場(chǎng)角為±13 arcmin。較低能量的X射線(xiàn)視場(chǎng)角會(huì)變大，這與X射線(xiàn)的反射理論一致，因?yàn)槟芰吭叫?，臨界角越大。視場(chǎng)角測(cè)試結(jié)果展示了嵌套聚焦光學(xué)對(duì)X射線(xiàn)具有良好的準(zhǔn)直效果，這種特性對(duì)在軌運(yùn)行時(shí)降低本底干擾、提高信噪比作用顯著，這是準(zhǔn)直型探測(cè)器僅依靠結(jié)構(gòu)屏蔽難以達(dá)到的結(jié)果。

圖12 聚焦光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)測(cè)試Fig. 12 Field of view measurement of focusing optical system

5 結(jié)論

1）優(yōu)化設(shè)計(jì)了一套緊湊型、大面積的嵌套聚焦型X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)參數(shù)。采用8層錐形反射鏡+3層旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡嵌套組合的光學(xué)結(jié)構(gòu)，既實(shí)現(xiàn)了小焦斑，又降低了研制成本和研制難度。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的望遠(yuǎn)鏡幾何220 cm2。

2）成功探索出基于輕質(zhì)平面玻璃的X射線(xiàn)掠入射反射鏡研制工藝。包括超光滑拋物面反射鏡和錐形反射鏡直接熱成型工藝、基于鎳絲的精密熱切割工藝、大面積均勻性鍍膜工藝等，研制的掠入射反射鏡鍍膜后粗糙度小于0.3 nm（rms），優(yōu)于電鑄鎳和鋁箔復(fù)制等工藝的鏡面粗糙度。

3）突破了多層嵌套掠入射反射鏡的同軸共焦裝配工藝，研制了一款輕量化、大面積NFXT。NFXT有效探測(cè)面積130 cm2@1.5keV，軸上視場(chǎng)聚焦光斑半徑0.85 mm （EoE=50%），能譜響應(yīng)范圍0.2～12 keV，包絡(luò)尺寸（直徑×高度）為200 mm×326 mm，重量4.25 kg。

NFXT經(jīng)歷了隨機(jī)振動(dòng)、真空熱循環(huán)、熱平衡等航天可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目，基本具備衛(wèi)星工程應(yīng)用的條件。相比電鑄鎳工藝，基于平面玻璃熱成型工藝可以顯著降低X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的重量和研制成本，不僅可以為脈沖星導(dǎo)航提供先進(jìn)技術(shù)支撐，也為X射線(xiàn)天文學(xué)打開(kāi)新的技術(shù)窗口。

致 謝

感謝中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所程云濤研究員、范永濤高工等在鏡面研制方面的付出；感謝山東航天電子技術(shù)研究所張玉兔研究員、劉勇研究員、胡慧君研究員以及李文斌高工等在工程化推進(jìn)、性能測(cè)試等方面的工作。