掠入射聚焦型X射线脉冲星望远镜及在轨数据分析

掠入射聚焦型X射线脉冲星望远镜是XPNAV-1卫星的主载荷,其首要科学探测任务是以PSR B0531+21脉冲星为观测目标,根据在轨实测数据恢复脉冲轮廓,实现基于掠入射聚焦型X射线脉冲星望远镜"看得见"PSR B0531+21脉冲星的目标。掠入射聚焦型X射线脉冲星望远镜主要由多层嵌套准Wolter-I X射线光学系统、硅漂移探测器、磁偏转器、电子学、高能粒子防护罩、高稳定结构等关键部组件组成。介绍了脉冲星探测需求、有效载荷工作原理与设计原则、探测任务、主要技术指标以及在轨观测主任务期间观测数据的初步分析结果。

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″。

菲索式合成孔径望远镜光学系统设计

设计了菲索式合成孔径望远镜光学系统,用3个小口径子孔径合成大口径以获得等效大口径的分辨率。首先,兼顾空间频率u-v覆盖和结构简单化,选择子孔径排列方式为Golay-3阵列,填充因子F=0.44。然后,依据光学系统结构特性,将光学系统分成子孔径、光束控制器和光束组合器,分别进行光学设计。无焦式子孔径采用后接双胶合消色差透镜的卡塞格林结构,孔径为300 mm,视场为0.2°,角放大率为10。光束组合器为五片式结构,采用高折射率玻璃和特殊部分色散玻璃,焦距为600 mm,F/#=6,视场为2°。分析总系统点扩散函数和调制传递函数显示:总系统等效口径为子孔径口径的1.89倍,总系统角分辨率为0.24″。

X射线成像望远镜像质评价的计算机仿真

高分辨率X射线掠入射望远镜的研究和应用越来越广泛。镜片刚体运动误差、表面误差、表面粗糙度、表面散射和衍射是影响X射线成像望远镜成像质量的主要因素。详细分析了刚体运动误差和低频表面误差对成像质量的影响;使用空间解析几何学的二次曲面方程建立WolterI、II型X射线掠入射望远镜镜片的数学模型,降低光线追踪的计算复杂度;借助自主开发的光学仿真软件分析了国内研制的X射线成像望远镜的刚体运动误差和低频表面误差对成像质量的影响,计算出像点艾里斑半径均方根值随误差变化的增长率,对工程上提出合理的制造公差的误差容限有重要的指导意义。

非稳腔运转的准分子激光器

设计了一正支望远镜型非稳腔准分子激光器,与稳定腔相比,非稳腔激光的发散角垂直方向缩小了五倍,水平方向缩小了十倍。

聚焦型X射线脉冲星望远镜Pareto多目标优化与多场耦合分析

为提高聚焦型X射线脉冲星望远镜的探测性能,提出一种聚焦型X射线脉冲星望远镜(Focusing X-ray pulsar telescope,FoXPT)多目标优化与多场耦合分析方法。基于X射线全反射理论构建以探测灵敏度和重量最小化为目标的多目标优化模型,采用改进的Pareto法获得产品的非劣解集。基于弹性力学、热传导和热辐射理论构建了结构-热耦合方程,以遴选的优化结果构建产品三维模型和有限元模型,获得产品应力与位移分布并提取X射线反射镜面形误差,基于高次多项式函数重构结构-热耦合形变后的X射线反射镜面形,并进行拟合和误差分析。采用Monte Carlo光学追踪法对产品的聚集性能进行仿真分析与评价,实现了FoXPT多目标优化与多场耦合分析的有效集成。结果表明:当嵌套层数为17层时,重量和探测灵敏度同时获得满意解,分别为3.112 kg和6.15×10-4 phs/cm2/s/keV,光机热耦合分析最大应力为262.54 MPa,X射线聚焦效率提升至86.83%,满足实际工程设计要求。

掠入射聚焦型X射线脉冲星望远镜装配误差分析与在轨验证

针对掠入射聚焦型X射线脉冲星望远镜多源装配误差影响光学性能的问题,提出了空间X射线聚焦光学产品装配误差分析方法。综合考虑偏心、倾斜、离焦以及装配应力引起面形畸变等装配误差,基于小位移旋量理论和空间位姿变换矩阵构建产品装配误差理论分析模型。采用光矢量计算和蒙特卡洛法定量分析了装配误差对聚焦性能的影响,倾斜误差对聚焦性能影响最大,倾斜误差1’可导致焦斑RMS值增大约0.3~0.4 mm。0’、3.75’和6’视场所允许的倾斜误差极限分别为5.31’、3.14’和1.38’。偏心误差和离焦误差影响较小,视场为0~6’所允许的误差极限约为0.45~0.50 mm,离焦误差允许的变化范围为±5 mm。装配应力与自重产生的最大面形误差约为101 nm,RMS为14.17 nm,6~7’视场的面形误差对焦斑的影响最大(约9.46%)。搭建了具有多自由度调整与图像处理算法的装调系统,实现了焦斑RMS为0.78 mm的精密装配。地面装配试验与在轨遥测数据验证了装配误差理论分析与精密装配方法的有效性。该方法对空间X射线聚焦型望远镜的精密装配研究具有指导意义。

空间带电粒子谱仪性能测试及能量刻度

采用金硅面垒探测器及CsI(Tl)探测器设计制作了一套△E-E型探测空间粒子的望远镜系统,利用α粒子、质子、氧离子、铁离子4种粒子对该望远镜系统和电子学系统进行性能测试和能量刻度。电子学的增益系统分为三挡,分别为1.0、1/3和1/12.75。实验结果表明:对于α粒子,采用1/3挡,在△E_1和△E_2探测器中每道能量分别是H_1=0.107 MeV和H_2=0.123 MeV。对质子能量的刻度,采用1挡,每道能量H值为0.016 7 MeV,这个H值几乎不随能量变化,在CsI探测器中,每道能量H为1.047 MeV。对氧离子的能量刻度采用1/12.75的挡别,刻度出每道能量是1.11 MeV。在探测器中,沉积能量高于50 MeV,电子学系统进入饱和状态。对铁离子的标定结果与氧离子的结果相同。

平视显示器的视差调校研究

平视显示器图像源上同一光点给出的瞄准线束的不平行性称为平视显示器的视差。视差能引起视觉疲劳并带来瞄准误差。应针对平视显示器视差产生的三种根源采取相应对策消除平视显示器视差。示数观测镜是用于光装工位的平视显示器视差调校设备 ,精确方便。双管平视显示器视差检测仪选用两单筒凯涅尔型望远镜组装 。

地基多孔径成像系统验证实验设计

基于工程实践中高分辨率目标成像技术的需求,讨论了光学合成孔径成像技术的成像原理以及在提高成像分辨率方面的优越性,阐述了国内外在相关领域取得的科研成果及存在的技术难点。在现有加工工艺及装调检测条件下,设计了基于两个子望远镜的合成孔径成像实验。以斐索型多孔径望远镜为研究对象,从几何光学理论出发,讨论了地基斐索型合成孔径成像系统实验的可行性。分析实验中关键组件的调整精度,提出了合成孔径成像系统精确成像的方案。实验中设计了分辨率<±0.03mm的微调机构来保证系统获得清晰的像,并使用分辨率达到0.05μm的压电直线精密驱动器来保证两束光相位同步。分析结果表明,本文设计的地基多孔径成像系统实验切实可行,可得到合成孔径成像系统分辨率的确切值,为进一步研究合成孔径成像系统奠定了基础。

XPNAV-1卫星聚焦型X射线脉冲星望远镜在轨稳定性分析

聚焦型X射线脉冲星望远镜(FXPT)是脉冲星导航试验(XPNAV-1)卫星的核心载荷,为中国首款在轨工作的聚焦型X射线望远镜,其在轨稳定性一直备受关注。首先,分析了XPNAV-1卫星对具有特征能谱辐射的超新星遗迹观测数据评估FXPT在轨性能的稳定性的可行性,发现拟合得到的FXPT能量响应参数存在较大误差,且缺乏长期超新星遗迹观测数据,难以支持望远镜在轨性能长期稳定性分析。其次,通过处理分析XPNAV-1卫星于2016年11月―2019年11月间1455次4.1×10^(6)s Crab脉冲星观测数据,发现FXPT在9.5 keV附近长期较稳定地存在大量的X射线光子,且其能量分布曲线近似高斯分布,排除了其来自脉冲星辐射可能性后,推断其来自于FXPT的超上阈信号,同时发现在7.5 keV能量处存在特征谱线辐射,判断其来自于望远镜镜片材料Ni的受激辐射Kα射线。继而提出了一种利用望远镜本征特征能谱和超上阈信号共同监测其在轨稳定性的方法,通过分析近4年XPNAV-1卫星对Crab脉冲星的观测能谱,发现FXPT于2017年10月后性能趋于稳定,该方法有效弥补XPNAV-1卫星无携带辐射标定装置的缺点。同时恢复出Crab脉冲星累积脉冲轮廓,且轮廓形状与RXTE卫星观测结果的相似度为98.6%,FXPT能够精准地获取Crab脉冲星的脉冲轮廓。

王(王受)琯：LAMOST之旅

一个星期四的下午,在北京中关村,我有幸采访到了已84岁高龄的王(王受)琯院士。一头华发,一脸慈祥,一身朴素——是王老给我的最初印象。听说我对LAMOST感兴趣,王老的兴致很高,谈起LAMOST,王老似乎有太多的话要讲,从他的每一句话中,我可以感受到王老对于LAMOST所倾注的心血以及对于LAMOST所融入的深深的感情!

Positioning Error of Optoelectronic Telescope Compensated by Bipolar PWM Driving Mode

The optoelectronic telescope has two sets of control systems: azimuth one and elevation one, and both are driven by PWM power amplifier with high efficiency and wide speed regulation range. The diagram of the azimuth control system is demonstrated, the nonlinear factors is analyzed at low speed, and some related experiments are carried out. The results show that the positioning error with unipolar is 86 codes(106.21″), while 18 codes (22.23″) is with bipolar PWM driver.

轻量化大面积嵌套聚焦型X射线望远镜

嵌套聚焦型X射线望远镜在脉冲星自主导航、X射线天文学等领域有广泛的应用需求。论文开展了紧凑型、大面积、嵌套聚焦型X射线望远镜的光学优化设计,成功探索出基于轻质平面玻璃的X射线掠入射反射镜热成型、镜面精密切割、嵌套同轴共焦装配等工艺流程,研制了一款轻量化、大面积、嵌套聚焦型X射线望远镜(NFXT)。NFXT镜面轴向长度300 mm,厚度0.3 mm,镜面溅射Ir金属膜,膜层厚度300 nm,镜面粗糙度优于0.3 nm(rms)。NFXT共计11层嵌套,每层圆周向等分3个扇区,内8层镜面为近似抛物面的锥形镜,外3层为抛物面镜,11层镜面同轴共焦装配。NFXT净几何面积175 cm^(2),有效探测面积130 cm^(2)@1.5 keV,轴上视场聚焦光斑半径0.85 mm(EoE=50%),包络尺寸(直径×高度)为200 mm×326 mm,能谱响应范围0.2~12 keV,后工作距1300 mm,重量4.25 kg。NFXT技术突破,为国内开展脉冲星导航试验验证,以及研制先进的X射线天文卫星提供关键技术支撑。

内腔式KTP OPO发散角的实验研究

实验研究了非临界相位匹配 (NCPM)的内腔式KTP光学参量振荡器 (OPO)的光束发散角与OPO谐振腔参数的关系。证明了望远镜型共焦非稳谐振腔是压缩OPO光束发散角的有效方法。

Nd：YAG激光器非稳腔设计与性能研究

研究了Ｎｄ：ＹＡＧ固体激光器虚共焦望远镜型非稳腔的设计方法，对固体激光器特有的热透镜效应及工作物质折射率对腔长的影响做了分析，并对该腔型的输出模式、发散角、输出能量密度及脉冲宽度等主要性能参数做了实验研究。

相位差异法探测波前的误差分析及消除方法

针对附加像差为离焦模式的相位差异波前探测技术在实际工程应用中遇到的各类误差问题,以探测拼接型望远镜的共相误差为例,通过数值仿真对焦面位置误差、离焦量误差、图像对准误差、曝光延时误差及噪声误差对波前探测精度的影响进行了定量分析。并提出了通过改进相位差异算法进行消除相应误差项的方法,使得波前探测的均方根误差分别由校正前的0.06λ、0.0581λ、0.0754λ、0.0796λ、0.0737λ分别下降为5.8834×10-4λ、6.664×10-4λ、3.5853×10-5λ、6.1837×10-5λ、0.0013λ,且对于各误差项在较大误差范围内,仍可以保持上述相同量级的波前探测精度。结果表明:该方法可以有效地消除误差,大幅度提高波前传感精度,对于相位差异波前探测技术在实际工程中的应用具参考意义。

相位差波前检测方法应用于平移误差检测的实验研究

相位差波前检测方法由于其结构简单,对环境要求低,测量精度较高等优点,被应用于诸多领域.本文针对拼接型天文望远镜中主镜的共相位检测问题,对相位差波前检测方法在拼接主镜各子镜间平移误差测量进行理论分析,并搭建了实验光路.实验结果表明:相位差波前检测方法对拼接镜平移误差的测量精度高于λ/20(λ为波长),满足系统对拼接平移误差的要求.