Wolter I型X射线天文望远镜的光学设计

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摘要： 针对国内硬X射线天文观测的需求，研究了1～30 keV能段圆锥嵌套wolterI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127 cm2（在2 keV处）和71 cm2（在30 keV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±15 μm缩小到±3 μm后，系统分辨力由1′提高到13″。

关键词：硬X射线天文观测；WolterI型X射线天文望远镜；非周期多层膜

中图分类号： TH 743文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.06.007

引言

宇宙X射线背景源覆盖0.1～100 keV能段，辐射X射线的天体包括X射线双星、脉冲星、伽马射线暴、超新星遗迹、活动星系核、太阳活动区和遗迹星系团周围的高温气体等。地球大气层对X射线不透明，只能在高空或者大气层以外观测天体的X射线辐射，因此X射线空间望远镜是X射线天文学研究的重要观测工具。目前在轨运行的有Chandra和XMMNewton等[1]。Chandra望远镜由四层WolterI型镜片组成，在镜片表面镀制单层Ir膜，有效集光面积为800 cm2（在0.25 keV处）和400 cm2（在5 keV处），系统分辨力高达0.5″[23]。XMMNewton望远镜由58层镀制单层金属Au膜的WolterI型镜片组成，有效集光面积为1 475 cm2（在1.5 keV处）和580 cm2（在8 keV处），系统分辨力约16″[45]。由于镜片表面镀制单层金属膜，观测能段低于10 keV，因此，上世纪80年代提出X射线超反镜，实现观测能量向高能方向拓展[68]。美国和日本共同研制的InFOCμS气球样机首次采用X射线超反镜实现了20～40 keV能段观测[9]。目前还没有携带X射线超反镜的望远镜在轨运行，国际上正在研究的主要有IXO[10]和AstroH[11]项目。IXO采用嵌套WolterI型结构，镜片表面镀制W/Si非周期多层膜，有效集光面积为0.6 cm2（在6 keV处）和150 cm2（在30 keV处），系统分辨力高达5″。为了降低制作高镜面面形和低表面粗糙度的非球面镜加工难度及加工成本，AstroH采用了圆锥嵌套WolterI型结构，轴上点不再完善成像，考虑公差情况下的分辨力模拟值约为1.7′。

圆锥嵌套结构即采用圆锥面型镜代替WolterI型结构中的抛物-双曲面型镜，能够保证系统的有效集光面积，但是分辨力下降[12]。日本的ASCA、AstroE和AstroH均采用圆锥嵌套结构。对于圆锥嵌套结构的光学设计目前都没有给出过系统的分析，因此文中系统阐述了圆锥嵌套WolterI型结构的光学设计过程。针对国内X射线天文观测需求，给出了合理的望远镜初始结构，并完成了非周期多层膜设计，最终对系统进行性能模拟和公差分析。

1初始结构设计

1.1公式推导

圆锥嵌套WolterI型X射线天文望远镜的光路结构如图1所示。圆锥曲面代替抛物-双曲面，轴上点不再完善成像，系统分辨力有所降低。系统采用嵌套结构以获得大的集光面积。