Wolter-Ⅰ型X射线天文望远镜的光学设计

针对国内硬X射线天文观测的需求,研究了1～30keV能段圆锥嵌套Wolter-Ⅰ型X射线天文望远镜的光学设计,推导了嵌套层之间的结构递推关系,给出了合理的望远镜初始结构。在最内层和最外层之间,设计了6组W/B4C宽带非周期多层膜,模拟得到系统的有效集光面积和分辨力。理论有效集光面积达到127cm2(在2keV处)和71cm2(在30keV处),系统角分辨力约10″。系统实际成像质量还受到公差的影响,引起像质下降的公差主要有辐条位置公差、镜面位置公差和镜面面形公差。目前演示实验方便改善的公差是辐条位置公差,给出了此公差的计算方法并对系统进行光线追迹,得到了成像点列图和分辨力改变情况。辐条位置公差从±15μm缩小到±3μm后,系统分辨力由1′提高到13″。     

大高宽比、高线密度X射线透射光栅的制作

利用电子束光刻、X射线光刻和微电镀技术,成功制作了面积为1 mm × 1 mm,周期为300 nm,金吸收体厚度为1 μm的用于X射线显微成像技术的透射光栅。首先利用电子束光刻和微电镀技术在Si3N4薄膜上制作周期为300 nm,厚度为250 nm的高线密度光栅掩模。然后利用X射线光刻和微电镀技术复制厚度为1 μm,占空比接近1：1,高宽比为7的X射线透射光栅。整个工艺流程充分利用了电子束光刻技术制作高分辨率图形和X射线光刻技术制作大高宽比结构的优点     

一种新型曲面晶体成像系统的研制

为了对诊断目标进行瞬态辐射成像,提出了研制X射线聚焦成像系统,主要器件为一各向同性的X射线点光源及超环面弯曲晶体成像器.X射线照射至被成像物体后再投射到超环面晶体,经该凹面晶体聚焦后在X射线探测器表面成像.讨论了超环面晶体在布拉格几何结构中的聚焦成像特性,提出利用X射线源进行二维优化成像的适用条件.利用模拟软件对网格物体进行仿真成像,研究像距及光源尺寸对成像空间分辨力的影响,并据此确定了实验参量.设计的超环面弯晶采用云母材料,子午面曲率半径为290 mm,弧矢面曲率半径为190 mm.利用该系统进行了X射线背光成像实验,实验结果表明:系统的成像空间分辨力最高可达到34μm,能够满足聚爆辐射成像的要求;在光源尺寸较大时像距变化对成像效果有明显影响.     

平行式Schmidt型龙虾眼X射线光学系统研究

龙虾眼X射线系统是实现大视场X射线成像的有效手段。现研制了由多组平行玻璃平板构成的Schmidt型X射线龙虾眼光学系统,开展了X射线聚焦和成像的演示实验。基于掠入射反射理论,以210μm厚的超光滑平板玻璃作为光学元件,通过堆叠的方式制作了放大倍数为1的演示系统。用8keV的X射线光源对系统进行了聚焦和实验,直径280μm的光源聚焦半高宽约为320μm,与理论模拟结果基本一致。利用X射线背光照明,得到2mm×2mm大小图样的成像。实验结果表明,该龙虾眼光学系统可以在几毫米视场下达到百微米分辨。     

整体多毛细管X光透镜在扩展X射线吸收精细结构分析技术中的应用

为了将整体多毛细管X光透镜应用到扩展X射线吸收精细结构分析技术中,对整体多毛细管X光透镜的功率密度增益、光斑稳定性、高能滤波性质等进行了系统表征。通过实验可知,利用基于整体多毛细管X光透镜的扩展X射线吸收精细结构分析设备可对样品进行微区分析,其空间分辨为25 μm左右;利用整体多毛细管X光透镜会聚激光等离子体发出的X射线进行超快时间分辨扩展X射线吸收精细结构分析时,透镜的功率密度增益约为3 000。实验结果证明,整体多毛细管X光透镜可以改善扩展X射线吸收精细结构分析设备的性能。     

无损检测中X射线实时成像系统的研究

X射线胶片照相法以其直观、可靠、灵敏度和分辨力高等优点在现代工业产品检测中占有重要的位置。但是这种方法存在拍片工序多、运行成本高、结果不易保存、评片结果易受人为因素的影响等缺点。随着图象增强器的出现和计算机技术的发展,X射线实时成像系统越来越广泛应用于X射线探伤领域,并在军工、石油、化工、耐火材料、钢管、锅炉、汽车、压力容器、航空、航天等行业得到推广应用。     

非共轴掠入射X射线显微镜参数的误差分析

设计了一套由4个反射镜组成的非共轴掠入射X射线显微镜,分析了该系统的像差和成像质量。为了研制出高质量的设备,需要制定合理的加工和装配公差。研究了由于元件和结构参数(反射镜的半径,物距,掠入射角等)的误差而引起的高斯参数和像差的变化。首次用点列图和调制传递函数来定量评价图像质量降低的程度,并在此基础上制定了合理的加工和装配公差。在这些公差的约束下,研制成一套非共轴掠入射X射线显微镜,在激光引爆的惯性约束聚变的诊断实验中,用该系统获得了高质量的图像。     

长春光机所软X射线-极紫外波段光学研究

综述了我所软X射线-极紫外波段关键技术的研究进展。描述了软X射线-极紫外波段光源技术,研制了工作波段为6~22 nm的微流靶激光等离子体光源;介绍了光子计数成像探测器技术,研制出了有效直径为25 mm,等效像元分辨率为0.3 mm的极紫外波段探测器;开展了超光滑表面加工、检测技术的研究,研制了超光滑表面抛光机,加工出高面形精度的超光滑表面,面形精度为6 nm(RMS值),表面粗糙度达0.6 nm(RMS值);进行了软X射线-极紫外波段多层膜技术的研究,研制出13 nm处反射率为60%的多层膜反射镜,150 mm口径反射镜的反射率均匀性优于±2.5%;最后,讨论了软X射线-极紫外波段测量技术研究,研制出该波段反射率计,其测量范围为5~50 nm,光谱分辨率好于0.2 nm,测量重复性好于±1%。在上述关键技术研究基础上,研制出了极紫外波段成像仪和空间极紫外波段太阳望远镜,这些仪器在我国空间科学研究项目中发挥了作用。     

基于有限元的X射线聚焦望远镜结构分析

针对我国X射线时变与偏振卫星(XTP)项目中高能X射线聚焦望远镜的研制需求,初步设计了嵌套式、类Wolter-I型X射线望远镜并进行了结构优化。基于X射线望远镜的光学设计理论,给出了嵌套式聚焦望远镜的光学结构参数。利用有限元分析软件ABAQUS,建立了嵌套式X射线聚焦望远镜的有限元模型。采用基础激励法模拟了X射线聚焦望远镜模型的随机振动,得到了望远镜结构的应力分布。通过切换层的方式,降低了望远镜结构的应力,达到了多层膜承受应力的要求。该研究为XTP项目中的X射线望远镜载荷设计提供了参考。     

微型X射线数字成像系统研究

X射线数字成像检测与诊断技术是X射线检测的发展趋势,微型X射线数字成像系统采用X射线敏感CCD面阵探测器作为射线探测元件,具有体积小、分辨率高、实时性好的特点。本文研制了基于X射线敏感CCD的微型X射线数字成像系统,介绍了整个系统的组成,阐述了X射线敏感CCD的工作原理,选定了系统采用的X射线敏感CCD,设计了CCD探测器的驱动电路、模数转化电路、数据采集与通讯电路、图像获取及处理软件等。该系统采用USB2.0接口与计算机进行通讯,直接采用USB接口电源供电,无需外部电源,结构简单。分辨率测试表明,该系统的分辨率>10lp/mm。     

高分辨率阶梯光栅光谱仪的光学设计

简述阶梯光栅的基本原理和在天文学中的应用,分析并比较了阶梯光栅光谱仪与普通平面闪耀光栅光谱仪的区别。为正在研制中的一架国产4m通光口径的光谱巡天望远镜(简称LAMOST)设计了高分辨率阶梯光栅光谱仪的光学方案,该设计方案采用了白光孔径准直镜系统,大闪耀角的R4阶梯光栅和无遮拦的离轴折叠Schmidt照相机。     

2．16米天文望远镜光学系统的调整

叙述了 2 .1 6米天文望远镜卡焦及折轴光学系统的调整原理与具体步骤。调整后用恒星在卡焦光学系统焦面拍摄了刀口阴影图 ,加入熔石英像场改正镜后 [1] ,还拍摄了全视场的恒星星团照片 ,全视场底片线尺寸为 30 cm× 30 cm。结果显示 ,在全视场内从中心到边、角所有的星像都很圆 ,对其线大小测定 ,暗星直径为 0 .1 8mm～ 0 .2 0 mm。     

天文望远镜现状及发展趋势

本文将通过对天文望远镜的分类的介绍，使大家了解各种天文望远镜的发展历史，现状和发展趋势。并通过对国内外几个著名天文望远镜的重点介绍来说明天文望远镜的各种先进技术以及发展焦点。通过本文的总结，使大家能对天文望远镜的过去和现状有更清晰的认识，能为大家了解和研究天文望远镜有所帮助，为其它科学的技术发展提供借鉴。     

底支承对小口径反射镜镜面变形的影响

论述了运用有限元技术研究镜面变形的方法及分析底支承在不同口径，焦比、厚径比和相对支承半径时镜面变形的技术；在取得的相互关联的最大镜面变形数据基础上，研究了影响小口径反射镜底支承镜面变形的因素。     

卷帘快门sCMOS相机对空间碎片观测的影响研究

同每个像素曝光开始及结束时间相同的传统科学级CCD相机相比,近年来出现的卷帘快门(rolling shutter)sCMOS相机工作时每个像素的曝光开始及结束时间不同,曝光时间相同,因此需要评估sCMOS相机像素之间曝光开始及结束时间不同对空间碎片测量精度的影响。首先测试了卷帘快门sCMOS相机的工作时序和最大延迟时间,并得出曝光不同步的改正公式,再以激光卫星为目标,测试了两种典型观测模式下空间碎片的天文定位精度,并对应用曝光不同步改正前后结果进行对比。测试结果表明sCMOS相机卷帘快门的工作时序与理论一致,边缘曝光延迟最大10ms;实测表明恒星位置内符合精度优于2arcsec,目标天文定位精度优于3arcsec。sCMOS相机能够用于空间碎片观测,能够实现较高的位置测量精度。     

基于MatLab的天文望远镜电机调速系统的仿真与分析

针对电机的控制在天文望远镜中占有很大的比重,基于MatLab对天文望远镜电机调速系统进行建模、分析与仿真,并对仿真结果进行了分析。通过仿真,可以直观、快速地分析系统的性能,并能灵活改变系统的结构和参数,以达到系统的优化设计。     

大型天文望远镜高精度摩擦传动的研究

提出了一种大型天文望远镜高精度摩擦传动的光学检测机构,用来检测主、从动轮旋转轴线的扭转角.并设计了相应的调整机构.利用这套机构使得主、从动轮的扭转夹角控制在30″以内.实验结果表明,在运行过程中没有出现抖动现象.传动系统长时间平稳运行的低速可达0.2″/s,运动位置精度RMS值为0.01″左右.30min内低速可达0.05″/s,位置精度RMS值为0.009″左右.正弦运动幅值30′,最大速度36″/s,最大加速度为0.18″/s2.这些指标满足了LAM OST天文望远镜的技术要求.克服了由于安装等原因导致旋转轴线之间存在扭转角,进而使得天文望远镜所跟踪的目标在视场中出现抖动,甚至严重会漂移出视场的局限,实现了外圆摩擦传动主、从动轮旋转轴线在空间平行的理想位置.     

结合压缩感知和曲波的天文图像去噪

在天文图像去噪中,为了提高迭代曲波阈值算法的去噪重建性能,提出了基于循环平移和曲波维纳滤波的压缩感知迭代重构算法。首先,使用基于曲波阈值的循环平移方法对重构图像进行调整以抑制重构图像中的伪吉布斯效应;接着,用提出的曲波维纳滤波算子替代小波阈值在迭代过程中对图像曲波系数进行筛选以进一步提高重构图像的质量。通过对添加高斯白噪声的Lena图像和月球图像进行重构实验,分析本文算法和当前主流算法的性能。实验结果表明,与传统的压缩感知迭代曲波阈值算法相比,本文算法能够获得较优的去噪性能,有效地保护天文图像的细节信息,峰值信噪比大约提高了2.6~3.2dB。     

拼接镜新型粗共相检测方法

为了实现拼接镜平移误差的大量程、快速检测,提出了一种利用白光(400～700nm)远场光斑相干性来检测拼接镜piston误差的方法。该方法以两半圆孔间的非相干衍射图案为模板,利用互相关算法求解实际衍射图案与模板图案间的互相关系数,通过设定0.85阈值,实现拼接镜piston误差的粗共相检测。搭建了一套室内拼接镜的主动共相检测实验光路系统,其中拼接镜是由4块对边长为100mm,曲率半径为2 000mm的正六边形球面反射镜组成,利用白光(400～700nm)远场光斑相干性测量拼接主镜各子镜间平移误差的方法进行了理论与仿真分析。利用波前探测器和主动光学技术实现了拼接镜精共焦误差的检测与调节,通过远场光斑相干性和主动光学技术实现了粗共相的检测和调节。实验表明:该方法耗时短、能量利用率高,可实现无限量程、±250nm精度的检测和调节,适合拼接镜的粗共相检测和调节。