Wolter-I型聚焦镜X射线光学实验与仿真
赵子健1，王于仨2*，张留洋1，陈 灿2，马 佳2
【摘 要】摘要：为了深入研究Wolter-I型X射线聚焦镜片的光学性能，掌握聚焦镜的对准和测试方法，研究单层Wolter-I型X射线聚焦镜片性能。在中国科学院高能物理研究所(IHEP)百米真空X射线标定装置中对单层聚焦镜镜片的离焦、聚焦和离轴工况进行了实验测试。分析了焦距、焦斑分布、角分辨(50%能量所占区域HEW为17″和90%能量所占区域W90为44″)等光学性能参数。将得到的结果与德国马克斯普朗克地外物理研究所(MPE)PANTER X射线标定装置的实验数据对比，性能参数基本相同，得到的W90甚至优于MPE。实验结果验证了仿真计算结果，为进一步开展像质研究提供了依据。通过实验掌握了聚焦镜的对准和测试方法，未来该方法在X射线天文卫星载荷标定测试中将发挥巨大作用。
【期刊名称】《光学精密工程》 【年(卷),期】2019(027)011 【总页数】7
【关键词】关 键 词:X射线光学；爱因斯坦探针；Wolter光学；X射线聚焦镜 基金项目：中国科学院战略性先导科技专项(A类)(No.XDA15310103)；空间科学背景型号项目(No.XDA15020000)
1 引 言
宇宙中具有丰富的暂现源和爆发天体，暂现源和天体的光变携带了关于天体本质、演化及其物理过程的丰富信息。人类通过观测辐射、成像、光谱来认识宇宙，它们并称为三大基本电磁波观测方法。
1952年，德国科学家Wolter首次提出掠入射X射线望远镜结构[1]，该聚焦系统具有高灵敏度的特点。目前，X射线天文望远镜广泛采用Wolter-I型成像系统，它是一种基于二次旋转对称曲面组成的掠入射X射线成像系统。镜片由旋转对称的抛物面和双曲面两部分组成，靠近光源端为旋转对称的抛物面，靠近焦平面探测器端为旋转对称的双曲面。抛物面的焦点与双曲面靠近探测器一侧的焦点重合。由于单层聚焦镜的有效面积非常有限，大多数X射线天文任务采用多层嵌套结构来增加有效集光面积。近年来，国内已开展了多个此类探测卫星的研制如EP[2-3]，eXTP[4-5]，HUBS[6]等。
爱因斯坦探针(Einstein Probe，EP)卫星于2013年初被提出，它是一颗由中国科学院主导的、面向时域天文学和高能天体物理的小型X射线天文卫星。其主要目的是在软X射线波段发现和探索宇宙中的高能暂现和爆发天体，监测天体的X射线光变。经过两年多的研究，卫星概念、科学目标和关键技术的研究以及核心原理样机的研制已完成。EP卫星于2016年被列入中国科学院战略性先导专项“十三五”规划的空间科学任务之一，并于2017年11月14日正式立项，计划2022年发射。后随观测X射线望远镜(Following-up X-ray Telescope，FXT)是EP卫星两个载荷之一，搭载了Wolter-I型掠入射X射线望远镜，它具有较高的聚光能力(灵敏度)。FXT可以对暂现源和瞬变源开展深度的后随观测, 以获得更为精确的定位，长时间追踪其演化，获得高信噪比的X射线光谱观测数据。
FXT的聚焦系统参考德国eROSITA[7]，聚焦镜由54层Wolter-I型聚焦镜片嵌套组成，焦距为1.6 m，轴上角分辨优于30″。为了应对这一成像精度要求，FXT采用了焦平面探测器pnCCD。为更好地控制辐照后的暗电流噪声，
pnCCD的工作温度在-80～-90 ℃。它的能谱响应范围在0.3～8 keV，1 keV的光子有效面积为120 cm2。为了减弱热变形对聚焦镜观测精度的影响，FXT采用主动加热器配合温控仪对聚焦镜模组进行精准控温，保证聚焦镜片的工作温度在(20±1)℃，其中单层镜片的周向温差小于0.5 ℃[2-3]。Wolter-I型X射线聚焦镜成像系统的研制和测试是FXT关键技术之一，其性能决定了X射线天体源的定位精度。百米真空X射线标定装置将全程参与聚焦镜设计、测试、标定、集成和安装。
2 实验装置及工作原理
2.1 实验装置
百米真空X射线标定装置坐落于中科院高能物理研究所，是我国第一个大型专业X射线标定装置，如图1所示。其真空腔体主要由直径3.4 m、长8 m的大型真空罐和直径0.6 m、长100 m的真空管道组成。大型真空罐用于X射线卫星载荷的整体测试，高真空度的百米真空管道可降低传播过程中软X射线的吸收率，同时提供更好的准平行X射线束[8]。
标定装置的真空系统可提供5×10-5 Pa的高真空度环境。大型真空罐与真空管道内的洁净度可达到1.0×10-8 g/cm2/天，完全满足FXT以及其他准直和聚焦X射线望远镜的测试、标定和热真空实验环境的要求。
真空罐内配有高精度电控转台系统，一台高承重三维平移转台(额定负载为300 kg)和一台高精度四维可调实验转台(额定负载为200 kg)。通过上位机控制实现探测器、望远镜在真空中的精确位移和姿态控制。平移重复定位精度优于±5 μm，旋转重复定位精度优于±5″。
为了获得不同能量的X射线，标定系统配置了自主设计的多靶X射线光源(以
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