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。

X射线聚焦望远镜光学设计

X射线聚焦望远镜是X射线空间观测的重要设备,针对X射线聚焦望远镜光学设计工作,采用掠入射原理对X射线进行聚焦,利用蒙特卡罗算法仿真镜片面型和粗糙度对角分辨率影响,并确定了不同分辨率水平对镜片面型的不同需求;对X射线聚焦望远镜有效面积进行分析,并确定了膜层结构、层数与有效面积的关系,最终完成了焦距5.25 m、嵌套层数45层,有效面积为842和563 cm^2@6 keV的X射线聚焦望远镜设计.

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。

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。

X射线聚焦镜的超精密制造

X射线聚焦镜用于收集和汇聚宇宙中X射线辐射,是X射线天文卫星观测载荷的核心部件。本文采用镍基底电铸复制方法,在包括化学镀镍磷合金、模具超精密加工、模具镀膜、电铸镍基体以及脱模的全工艺链上进行了大量工艺探索和装备研发,并最终完成了X射线聚焦镜的批量超精密制造。实验结果表明,聚焦镜模具加工精度-表面粗糙度小于0.5 nm RMS,面形精度优于0.5μm,镜片角分辨率为33.5″HPD(能量半高宽),验证了工艺的可靠性和先进性。

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。

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。

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。