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″。     

最小膜层厚度对X射线非周期多层膜光学性能的影响

选用能制备小周期的钨/硅(W/S i)作为膜层材料对,着重研究最小膜层厚度对X射线非周期多层膜光学性能的影响。基于矩阵法计算多层膜反射率和单纯形数值优化方法,设计了入射光子能量为8.0keV,掠入射角的宽度分别为0.85°~1.10°,1.40°~1.70°的X射线超反射镜。结合实际实验制备技术,考虑了W/S i两种膜层材料的最小成膜厚度,确定了膜堆中最小膜层厚度为0.5nm~1.0nm。通过改变最小膜层厚度的值,优化设计了上述条件下的非周期多层膜并对其光学性能进行比较。结果表明:同一个工作波长下,随着多层膜工作角度(掠入射)的增加,膜堆中膜层的厚度减小,最小膜层厚度对其光学性能的影响增加,其光学性能变差。     

X射线超反射镜设计

阐述了一种新的X射线超反射镜的设计方法,它是基于经验理论公式的解析设计方法和基于计算机的数值优化设计方法相结合的产物。利用前者提供比较好的初始膜系,再利用后者对该初始膜系进行优化处理,从而获得比较好的设计结果,并大大减少了计算时间。讨论了实际制作出的多层膜存在的表面粗糙度及膜层材料间的相互扩散对多层膜反射性能的影响,并给出了模拟计算的结果。依据上述方法,在比较大的掠入射角情况下,设计出了具有较宽反射带宽的W/CX射线超反射镜。     

宽带平坦型软X射线多层反射膜的设计

提出一种宽带平坦型软X射线多层反射膜的设计方法。给出了18nm 20nm波段的设计结果,整个波段的反射率与25%的最大偏差小于1.5%.这种方法对于软X射线波段的成像、光谱分析等应用有重要意义。     

软X射线多层反射膜的一种新型设计方法

在循环递推法基础上加入随机数运算,得到一种简易、精度高、有较高实用价值的多层发射膜设计方法。给出了设计步骤,进行了一系列多层膜设计。通过比较,这种方法与复振幅平面法所得结果非常接近,甚至有的多层膜的设计结果更好。     

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。     

广角天文望远镜的自动调焦

介绍了一种基于步进电机(无位置检测传感器)和像质反馈的广角天文望远镜自动调焦系统,该系统由步进电机位置开环控制系统和图像清晰度评价系统组成。基于天文图像的特点,提出利用天体点源星像的半高全宽(FWHM)作为图像清晰度的评价参数;为了提高系统精度,对定位控制系统进行了误差分析;测定了调焦当量、光学焦深、系统回差、步进脉冲当量等系统关键机构参数,进而高精度地修正了系统定位误差;分析和测定了温度变化和像质变化的相关性,明确了调焦方向和温度变化之间的定性关系;设计了焦深边缘定位策略,实现了快速调焦。该系统具有"容错"和"自学习"功能,具有较高的自动化和智能化程度。将系统设计应用于SVOM天文卫星地基广角相机阵[1-2](GWAC),实际测试和天文观测表明,调焦系统的定位精度为±3.0μm,调焦精度为0.05pixel,且一次调焦过程即可获得最佳像质,调焦效率较高,系统运行也很稳定,基本满足天文观测的需求。     

大型天文望远镜摩擦传动系统低速特性的研究

研究了大型天文望远镜摩擦传动系统的运行原理和特性,并进行了实验。结果表明,影响摩擦传动低速稳定运行的因素很多,主要有:编码器的测量误差,环境变化引起的误差,摩擦力矩和电机波动力矩等引起的误差,以及加工制造和安装引起的误差。另外在整个传动链中其它部分的摩擦力矩也不可能是一个定值,也存在力矩波动。结果还表明,利用非线性PID控制算法增益参数非线性变化的特性,可以使得控制系统既能达到响应速度快,无超调的目的,又能增强抵抗影响摩擦传动低速稳定运行因素的能力。实验中,低速可以达到0.2″/s,位置精度为0.032″(RMS),证明了这种方法是行之有效的。     

空间软X射线/极紫外波段正入射望远镜研究

介绍国际上空间软X射线/极紫外波段正入射望远镜研究进展情况。着重介绍了长春光机所设计的四波段同时成像空间极紫外太阳望远镜。该望远镜由四个不同波长的多层膜正入射望远镜组成,工作波长分别为12.9nm、17.1nm、19.5nm和30.4nm,视场角为8.5′×8.5′,设计角分辨率为0.5″。为了验证设计方案可行性及关键技术水平,集成出一套17.1nm极紫外望远镜演示样机。     

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。     

天文光学望远镜摩擦驱动滑移动态检测与修正

考虑滑移对摩擦驱动望远镜精度的影响,提出了天文光学望远镜摩擦驱动滑移动态检测与修正的控制方法.建立了滑移动态检测系统、正压力主动调节系统、负载波动模拟和检测系统.用钢带光栅尺检测动负载位置,由同轴安装的角度编码器检测主动摩擦轮位置,根据减速比λ的变化判断主动轮和从动轮之间是否发生了相对滑移.主控单元可编程多轴运动控制器(PMAC)用来实时控制正压力电机进行压力修正并随之修正系统控制算法以提供足够的摩擦驱动力来减轻、消除滑移现象.实验表明:该方法能及时修正望远镜驱动系统出现的滑移,从而提高望远镜跟踪精度及可靠性.在最严重滑移的情况下,系统可在100 ms内判断出滑移,74.2 s完成校正并恢复望远镜的高精度跟踪.此方法既可用于单点摩擦驱动也可用于多点摩擦驱动,能够有效解决非线性干扰带来的滑移问题.     

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.     

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。     

X射线聚焦望远镜镜片黏接装配的数值模拟和分析

对采用圆锥嵌套Wolter-I型结构的X射线聚焦望远镜在装配过程中产生的面形偏差进行了模拟和分析。首先,利用ANSYS有限元软件建立二维模型。然后,以实际装配步骤和夹具为加载和边界条件,通过分析不同半径镜片的装配过程,得到了面形偏差与三根压条的载荷关系曲线,由此优选出了不同半径镜片对应的最佳装配载荷。分析显示:除对应的最大面形偏差外,优选出的装配载荷均可控制在0.1μm以内,满足装配精度要求,而且对应装配载荷下玻璃镜片的最大Mises应力也均小于玻璃的强度极限,不会在装配过程中失效。此外,建立了三维分析模型并与二维简化模型分析结果进行了比较。结果显示:计算偏差主要集中在镜片的前、后两端约5mm范围内,最大偏差为2.3μm;镜片中段两种模型的计算偏差小于0.03μm,表明提出的二维简化模型可以用于玻璃镜片装配的快速面形偏差分析和载荷确定。文中对镜片装配过程的分析可为提高装配精度提供理论依据。