李连升，梅志武，谢军，姜坤，石永强，曹振，左富昌
1．北京控制工程研究所，北京 100094 2．光电测量与智能感知中关村开放实验室，北京 100190 3．中国空间技术研究院，北京 100094 4．北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094
脉冲星作为20世纪60年代天文学的四大发现之一，引起国际多领域的广泛关注。脉冲星属于高速自转的中子星［1］，自传周期非常稳定，毫秒脉冲星自转周期变化率稳定性高达10−19～10−21，是自然界中最精准的天文时钟，被誉为人类在宇宙中航行的“灯塔”，在脉冲星时间基准、脉冲星导航以及宇宙起源和演化等领域具有重要的研究价值。作为航天器天文导航的一种，X 射线脉冲星导航具有天文导航的共性特点：自主性强、抗干扰能力强、可靠性高、可同步定位定姿、导航误差不随时间积累。基于脉冲星光子到达的时间信息，脉冲星导航可用于航天器时间基准自主维持、卫星星座自主导航以及深空探测器自主导航等领域。
此外，脉冲星还是宇宙中天然的极端物理实验室，超强引力场为广义相对论和引力波的检验提供了便利场所。脉冲星的理论和观测研究对推动天文、天体物理、核物理、粒子物理、广义相对论和引力波等领域的发展具有重要意义。然而，脉冲星自身辐射相对较弱，同时空间高能辐射环境存在来源多、相互作用机理复杂、分布差异大、具有时变性等特点。因此，如何高效率、高信噪比、高灵敏地开展脉冲星X射线波段的探测变得尤为重要。
脉冲星探测技术是开展脉冲星科学研究与脉冲星计时导航工程应用的基础。而天基脉冲星探测的主要设备是X射线望远镜。如何实现脉冲星微弱信号在复杂空间辐射环境下的高信噪比探测，提升探测灵敏度和计时导航精度，是该领域长期面临的主要挑战。这不仅与高信噪比的X射线探测器件、高信噪比电子学、高精度热控等密切相关，更依赖于具有高光学增益的X射线聚焦光学系统。半个多世纪以来，X射线聚焦光学经历了长足的发展和进步。1952年德国科学家Wolter在Compton发现的X射线全反射现象［2］的基础上，提出了3种共轴聚焦且由不同二次曲面组合而成的X射线聚焦光学系统，具备高光学增益且无慧差等优点。自此，Wolter-Ⅰ聚焦光学逐渐应用于早期的空间太阳X射线爆发探测与脉冲星观测等领域。随着X射线光学、材料科学、先进制造科学等学科的快速发展，半个多世纪以来，特别是近20年以来，空间X射线望远镜的口径、性能、规模等都取得了重大进步。
本文在回顾国内外X射线脉冲星探测历程的基础上，从脉冲星计时导航领域的实际工程应用出发，讨论脉冲星目标可见性与探测设备需求。重点聚焦空间X射线聚焦光学系统，对其基本原理、性能指标进行分析，从其发展历程的视角回顾了X射线聚焦光学系统在脉冲星探测领域的应用，并将其归纳为3大历史阶段，给出了具体应用的典型型号任务，最后对未来X射线聚焦光学系统发展的方向进行总结与展望。
1.1 X射线脉冲星
脉冲星是20世纪60年代天文领域的四大发现之一，开启了一个新兴的天文研究领域，并对现代天体物理学产生了深远的影响。1974年，Hewish教授因发现脉冲星获得诺贝尔物理学奖［3］。脉冲星是死亡恒星经过超新星爆发的产物之一，一般被认为是高速自转、周期稳定、具有超强磁场、直径约10 km的超致密的中子星［4］（如图1所示）。很多中子星是将自身转动的动能转化为辐射能向四周发射的脉冲信号，通常包括射电、可见光、红外、极紫外、X射线或伽马射线等不同波段的信号，地基或天基观测设备接收来自脉冲星辐射的脉冲信号，即为脉冲星探测。
图1 脉冲星自转模型［4］Fig. 1 Pulsar rotation model［4］
脉冲星可从不同的维度进行分类，从辐射谱段可将脉冲星分为射电脉冲星、X射线脉冲星、γ射线脉冲星等。根据有无伴星可分为脉冲星双星和孤立的脉冲星；
根据演化历史和自转周期长短，通常可分为常规脉冲星和毫秒脉冲星。根据供能机制的不同，可将其分为旋转供能脉冲星、吸积供能脉冲星、热供能脉冲星、磁供能脉冲星和核供能脉冲星等。
脉冲星探测任务的主要目的包括2方面：一是发现新的脉冲星，二是对已知脉冲星开展精细探测，构建完备自主的脉冲星数据库，供科学研究和工程应用。目前，已发现的X射线脉冲星辐射流量比较微弱，自转周期约为毫秒量级，表1为美国Microcosm公司选择的8颗导航脉冲星。
表1 Microcosm公司挑选的8颗导航脉冲星Table 1 Eight navigation pulsars selected by Microcosm
1.2 探测需求
1.2.1 脉冲星可探测性
主要包括脉冲星可探测性、脉冲星品质因子和脉冲星空间分布［5］：
1）脉冲星可探测性分析。影响因素主要包括第三体阴影遮挡、X射线干扰源、探测器视场限制等。太阳系内的天体遮挡主要包括地球、太阳、月亮、金星等，其中太阳辐射是主要干扰源，一般根据X射线望远镜所在轨道参数设定规避角。此外，X射线望远镜的视场也需考虑。
2）脉冲星品质因子。对于X射线脉冲星计时导航而言，脉冲星辐射流量密度、信号周期等辐射特征是探测的关键量，信噪比是直接影响脉冲到达时间（Time of Arrival， TOA）的关键因素，根据信噪比确定脉冲星的品质因子。主要考虑：① 脉冲轮廓半峰全宽值、脉冲形状分布及其对测量时间精度的影响；
② 相同轮廓内存在的多个峰值，及其信号频率对导航精度的影响；
③不同脉冲星之间存在较大的辐射背景噪声。
3）脉冲星空间分布［6］。主要参考GPS系统几何精度因子（Geometric Dilution of Precision， GDOP）的概念，但又与全球定位系统存在差异，不同脉冲星的TOA测量误差不同，如果采用最小二乘法很难获得理论上的最优解。通常采用加权最小二乘法根据误差量的大小赋予不同的权重系数，可获得高置信度的定位精度。此外，尽量选择星源位置固定的脉冲星，即WDOP（Weighted Dilution of Precision）值相对不变，构建基于WDOP的脉冲星计时导航列表，遴选出最优组合。
1.2.2 探测设备需求
根据X射线脉冲星导航原理可知，其核心是获得高精度的TOA观测量。TOA的测量精度取决于Δt的测量精度，这与测量积分脉冲轮廓的信噪比密切相关。TOA精度与脉冲轮廓信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）和脉冲宽度W之间关系为［7］
由式（1）可知，应选择辐射流量大、辐射脉宽较窄的脉冲星。同时，在航天器重量体积功耗允许的范围内应尽可能提高X射线望远镜的有效探测面积和单次累计观测时间，提升脉冲星观测信噪比。
根据望远镜在轨应用场景可知，脉冲星观测面临3大挑战：自身辐射微弱、空间辐射环境复杂、X射线易散射。因此，如何提升聚焦望远镜的信噪比和灵敏度是主攻方向，具体包括：① 选用具有高光学增益的X射线望远镜，显然Wolter-Ⅰ型聚焦望远镜是理想的选择；
② 增大有效探测面积，这主要包括2个方面，一是增大望远镜口径和嵌套层数，二是镀制高原子序数的膜层材料，提高反射效率；
③ 延长在轨观测时间，基于脉冲星辐射能谱服从幂律谱分布的统计特性，甄别空间有效光子。此外应具备较高的能量分辨能力，区分脉冲星辐射光子与空间辐射本底噪声；
④ X射线脉冲星望远镜工作在复杂的空间环境，存在大量高能辐射背景噪声，这就要求望远镜具备较强的空间本底抑制能力。
2.1 基本原理
X射线在自然界电磁波谱中的位置如图2所示，根据波长不同可将X射线分为软X射线和硬X射线。实际上，由于物质中的原子共振及其引起的短吸收长度等问题曾一度严重影响了X射线成像与探测技术的发展。这主要是由于X射线波长短、能量高，使得光子能量与物质原子内电子的束缚相当，且光子波长与原子尺度接近所致。因此，X射线辐射在介质中的传播过程异于传统的可见光和红外波段。
图2 电磁波谱示意图Fig. 2 Schematic diagram of electromagnetic spectrum
1922年，美国物理学家康普顿首次发现了X射线的全反射现象。当X射线入射角小于临界角时，X射线在物质表面可发生全反射，被称为掠入射角［8］，如图3所示。根据麦克斯韦方程组推出的矢量波方程可获得X射线复折射率近似表达式为n=1－δ+iβ，式中：δ为X射线折射率小量；
β为材料的消光系数。可见，X射线的折射率实部小于且非常接近于1。X射线在介质表面的折反射现象同样遵循菲涅尔定律，即
图3 X射线折反射示意图［8］Fig. 3 Schematic diagram of X-ray refractive reflection［8］
式中：φ和γ分别表示光线的折射角和入射角；
n表示材料的折射率。为获得X射线发射全反射角，假定消光系数β≈0，则n≈1－δ，Shell定律可表示为
X射线发射全反射时，入射的X射线不穿过介质，而是沿着反射材料界面传播。根据临界入射条件并对其进行一阶近似可得：
式中：δ与物质原子的散射因子相关，即
式中：re为电子经典半径；
λ为X射线波长；
N为原子数密度；
f1为原子的复数散射因子。由式（4）可知，增大波长、采用原子序数高的材料均可增大X射线临界掠入射角。
目前，国内外科研人员已设计并研制出了多种不同类型的掠入射聚焦X射线光学系统，分类维度较多。比如，按照结构形式划分，可分为K-B反射镜（单层、双层阵列）、Wolter型反射镜（Wolter-Ⅰ、Wolter-Ⅱ、Wolter-Ⅲ）、微孔反射镜（龙虾眼、硅微孔、微电子机械系统（Mico-Electro-Mechanical System，MEMS）微孔等）。根据加工制造方式可分为直接抛光、热复制、电铸复制、MEMS加工等。从X射线光学基体材料划分，可分为玻璃基、镍/镍钴基、铝基、硅基等。实际上，由于反射镜主要服役于空间不同轨道的极端环境，对材料提出了低膨胀系数、高热导率、力学性能、轻量化、高刚度、高反射率等要求，在制定X射线反射镜方案时，选择合适的基体和膜层材料至关重要。
2.2 性能指标
2.2.1 反射率
X射线作为电磁波，同样可根据菲涅尔方程计算介质对软X射线的反射率。以下讨论n=1，即X射线由真空到理想光滑的介质表面时的掠入射反射率，掠入射角表示为γ。由菲涅耳公式和折射定律推到可获得其反射率公式
式中：
实际上，当X射线入射至超光滑光学表面时，加工残留导致的粗糙度与X射线波长相当时可引起反射率损失，产生偏离反射方向的散射，同时也会造成X射线聚焦成像质量下降。
根据文献［9］可知，表面散射对X射线成像的影响从重到轻分别是：① 由于散射导致无法聚焦，该情况严重降低X射线光通量；
② 大角度散射产生纱状背景光，降低焦平面的对比度或信噪比；
③ 小角度散射导致模糊成像，降低角分辨率。因此，X射线光学反射镜基底材料以及膜层材料表面粗糙度直接影响反射率和成像质量。可见，X射线望远镜的表面微观形貌及粗糙度要求非常高，而在工程实际中，与理想的情况存在较大差异，特别是反射镜表面的高频加工误差，即粗糙度，直接影响X射线反射率。X射线实际反射率可表示为
式中：R为粗糙镜面的反射率；
R0为理想光滑表面的反射率；
σ为镜面粗糙度的均方根。
当粗糙度一定时，反射率与掠入射角γ负相关，而当X射线能量一定时，反射率随掠入射角单调递减。通常，给定X射线反射镜轴向长度与光学口径，其集光面积与最大入射角正相关，而反射率与掠入射角负相关，因此设计人员一般将反射率与掠入射角乘积最大时所对应点的入射角为最佳掠入射角，如图4所示。
图4 反射率随表面粗糙度和掠入射角的变化Fig. 4 Variation of reflectivity with surface roughness and grazing angle of incidence
由图4可知，反射镜表面粗糙度越大，其反射率越低，掠入射角增大也会导致反射率降低。通常，对于掠入射X射线聚焦光学系统而言，由表面粗糙度引起的波前误差为2σsinγ，根据Marshal衍射极限标准，为获得聚焦中心具有80%以上的光强密度，需满足波前像差<λ/14，即
因此，一般要求X射线反射镜镜面粗糙度<1 nm。实际上，为获得较高的反射镜效率并具有较宽的探测能段，在工程研制过程中一是要求反射镜表面具有<0.5 nm的粗糙度，二是要求镀制多层高原子序数膜层。
2.2.2 角分辨率
角分辨率是表征X射线望远镜具备分辨空间X射线辐射源最小间距的能力，是X射线望远镜反射镜成像能力的重要指标。目前，无论是在脉冲星观测领域，还是在太阳精细成像等其他领域，空间X射线观测正从“看得见”向“看得清看得准”的方向发展。角分辨率越高，意味着X射线望远镜既能区分相邻很近的目标天体，也意味着能看清辐射天体的局部精细信息。实际上，与可见光望远镜不同，X射线望远镜的角分辨率采用50%的焦斑能量包络函数作为判据，将其与望远镜的焦距相比作为计算公式
式中：AR（Angular Resolution）表示角分辨率；
HPD（Half Power Diameter）表示50%能量对应的焦斑直径（如图5所示）；
F表示X射线望远镜的焦距，因HPD与角分辨率强相关，所以很多文献中也用HPD表示X射线望远镜的角分辨率。软X射线掠入射望远镜成像质量的影响因素包括几何像差、孔径衍射、表面散射和剩余误差（装调误差、环境因素和加工误差等）。实际上，反射镜面的斜率决定了光束的反射方向，经过长距离传输，子午方向微小的斜率误差都将在横向空间尺度上被放大，使聚焦束斑畸变和展宽，降低X射线反射镜的空间角分辨率。
图5 X射线望远镜角分辨率示意图Fig. 5 Schematic diagram of angular resolution of an X-ray telescope
2.2.3 探测面积
以经典的Wolter-Ⅰ型X射线聚焦光学系统为例进行说明，如图6所示。与其他波段光学系统的探测面积不同，X射线聚焦光学系统的探测面积是指每层反射镜在焦距方向上的投影之和，主要包括几何面积和有效面积。
图6 Wolter-Ⅰ型X射线聚焦光学系统Fig. 6 Wolter-Ⅰ X-ray focusing optical system
由图6可知，焦点处的入射角度γ是第一主镜掠入射角的4倍，而X射线光子在次镜处的入射角与主镜处的入射角相等。Wolter-Ⅰ光学系统抛物面镜与双曲面镜之间连接处所对应的反射镜半径与焦距和掠入射之间的关系可表示为
实际上，Wolter-Ⅰ光学系统的几何面积是其反射镜在垂直光轴方向上的投影面积，即
式中：L为主镜的长度（光轴方向）；
r为主次镜连接处反射镜的半径。
几何面积为每层聚焦光学系统在光轴方向上投影面积之和，如图7所示。有效面积是指光学系统几何面积与不同能点处的反射率的乘积，国际标准表征为～cm2@1.5 keV或～cm2@5.9 keV。
图7 掠入射聚焦光学系统几何面积Fig. 7 Geometric area of grazing incidence focusing optical system
3.1 K‑B聚焦反射镜
1948年，Kirkpatrick和Baez首次提出了X射线掠入射聚焦光学系统K-B反射镜［10］，由抛物面反射镜和双曲面反射镜组成且垂直结构，如图8所示。1970年，美国Aerobee 170火箭完成了国际首台KB反射镜发射，X射线反射镜的基材为微晶玻璃，采用传统抛光技术完成加工，镀厚度为150 nm铬膜，探测能段0.2～1 keV，成功观测到了超新星遗迹。20世纪70～90年代之间，K-B反射镜在制备技术和观测非太阳X射线领域取得了长足进步。
图8 K⁃B聚焦反射镜［10］Fig. 8 K⁃B focusing optics［10］
2009年，美国宇航局联合欧空局和日本提出了当时下一代大型X射线望远镜项目［11］，采用K⁃B反射镜作为主要光学系统，但在面积相同的情况下，KB反射镜焦距是传统Wolter-Ⅰ反射镜的2倍，这在很大程度上限制了K⁃B反射的应用。此外，将球面镜替换为柱面镜可有效消除K⁃B反射镜的球差，但其严重的慧差和视场倾斜依然制约了其在天文领域的应用。近年来，为增大有效探测面积，位于捷克首都的Rigaku Innvoative Technologies Europe （RITE）科研人员设计并研制了一种基于多层阵列（Multi Foil Optics， MFO）的硅基材料K⁃B反射镜［12］，焦距600 mm，口径40 mm×40 mm，如图9所示。
图9 多层阵列K⁃B聚焦反射镜［12］Fig. 9 Multilayer array K⁃B focusing mirror［12］
3.2 Wolter聚焦反射镜
1952年，德国物理学家Wolter基于将2种二次旋转曲面反射镜组合原理提出了3种典型的X射线掠入射聚焦光学系统［2］（Wolter-Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）。该类聚焦光学系统的特点是其主次镜同轴共焦，实现了轴上无像差，具有较高的空间角分辨率。目前，基于传统抛光技术的微晶玻璃基体的Wolter-Ⅰ型反射镜已在轨应用的型号主要包括美国Einstein高能天文物理观测台、ROSAT伦琴X射线天文卫星和钱德拉 X 射线空间天文台。
1978年，Einstein高能天文物理观测台［13］（High Energy Astrophysical Observatories， HEAO）成功发射，搭载了人类首台X射线成像望远镜。主要指标：焦距3.45 m；
4层嵌套Wolter-Ⅰ，最大口径Φ=58 cm，角秒级角分辨率，成功观测到的大量天体以及取得的科学成果颠覆了人类对 X 射线天文学的看法。
1990年，德、英、美3国联合研制的伦琴卫星［14］（ROSAT）在美国发射升空，卫星上搭载了一台大型软X射线成像望远镜，工作波段为0.1～2.4 keV。该望远镜采用了4层嵌套的Wolter-Ⅰ型结构，口径Φ=83 cm，焦距240 cm，有效面积1140 cm2@1.5 keV，视场38′×38′，角度分辨率5″。掠入射反射镜镜体材料为Zero⁃dur玻璃，表面镀金膜，如图10所示。
图10 ROSAT卫星搭载的X射线聚焦望远镜［14］Fig. 10 X-ray focusing telescope onboard the ROSAT satellite［14］
1999年12月，Chandra X 射线空间天文台［15］成功发射，是迄今为止人类建造的最为先进、最为复杂的太空望远镜之一，被称为“X射线领域的哈勃”。其主要载荷为1台4层嵌套的 Wolter-Ⅰ型X射线成像望远镜（如图11所示），焦距10 m，视场30′，有效面积400 cm2@1.5 keV，角分辨率0.5″，工作波段0.2～10 keV。反射镜采用抛光工艺对厚度约为2～3 cm 微晶玻璃进行直接加工，反射镜内表面镀铱（Ir）膜，最大口径Φ=123 cm。
图11 Chandra X射线聚焦望远镜［15］Fig. 11 X-ray focusing telescope onboard Chandra［15］
4.1 玻璃复制聚焦反射镜
薄玻璃由于密度小以及热膨胀系数低等优点被认为是有潜力的X射线反射镜基底材料［16］。薄玻璃片热弯复制是X射线反射镜的主要制备方法。具体工艺过程包括：平面玻璃置于芯轴模具、薄玻璃升温、玻璃软化、温度保持、在重力作用下玻璃弯曲变形、复制芯轴面形，玻璃薄片的尺寸大于芯轴的面积，经过脱膜后再根据最终使用需求进行薄片尺寸的剪裁，获得满足设计要求的X射线反射镜镜片。通常，为了提高反射率往往采用真空蒸发工艺镀制金属铱或金膜层。
目前，研究玻璃复制的科研机构主要集中在美国NASA、欧洲马普所、日本部分大学以及中国的同济大学、中国科学院西安光学精密机械研究所、北京控制工程研究所等单位。迄今为止，基于该技术路线研制的X射线聚焦反射镜在轨应用的仅有一台望远镜，即美国NASA发射的NuSTAR卫星（如图12所示）［17］，探测能段为8～80 keV。NuSTAR搭载了2套X射线聚焦镜，单套聚焦镜采用133层薄玻璃套嵌的Wolter-Ⅰ型圆锥近似结构，焦距为1003 cm，厚度为20 cm，长度为40 cm。但由于采用了Wolter-Ⅰ圆锥近似结构，致使其角分辨率仅为58″。
图12 NuSTAR X射线聚焦望远镜［17］Fig. 12 X-ray focusing telescope onboard NuSTAR［17］
4.2 铝箔复制聚焦反射镜
为获得大面积、轻量化的X射线聚焦光学系统，国内外科研人员基于铝箔复制技术实现薄壁、轻量化、多层嵌套、大面积的X射线聚焦光学系统。通常采用环氧树脂复制技术对密度较小的材料（如铝箔）进行制备，一般只能实现圆锥面面形的X射线反射镜研制。该技术虽在一定程度上可实现>100层的嵌套获得大面积，但其角分辨仅为几个角分，成像性能相对其他同类光学系统较弱。因此，该类望远镜主要应用于X射线偏振测量、光谱学、以及X射线计时等领域。
目前，基于铝箔复制技术的X射线望远镜主要包括美日联合研制的Suzaku、ASTRO-H、以及美国2017年搭载国际空间站的NICER等。
Suzaku［18］卫星搭载了2种X射线望远镜XRT-I和XRT-S，二均为Wolter-Ⅰ型的圆锥近似结构，采用铝箔复制技术实现反射镜成形，如图13所示。只是XRT-I的嵌套层数为175层，XRT-S的嵌套层数为168层，整体结构均由4个模块构成，焦距分别为4.75 m和4.50 m，视场角均为20′@1 keV，有效面积均为450 cm2@1.5 keV。
图13 Suzaku X射线聚焦望远镜［18］Fig. 13 X-ray focusing telescope onboard the Suzaku［18］
2016年，日本牵头联合多国参与研制的旗舰型X射线望远镜ASTRO-H成功发射（短期工作后出现故障解体），但依然取得大量高质量观测数据和科研成果。其装备的两台基于铝箔复制技 术 制 造 的 硬X射 线 望 远 镜［19］（Hard X-ray Telescope， HXT）如图14所示，采用Wolter-Ⅰ型的圆锥近似结构，口径450 mm，焦距12m，嵌套层数210层，工作波段为5～80 keV，视场9.17′×9，17′，角 分 辨 率HPD优 于1.7′@30 keV，有效面积达到800 cm2@6 keV，铝箔厚度150～300 μm。
图14 ASTRO-H X射线聚焦望远镜［19］Fig. 14 X-ray focusing telescope onboard the ASTRO-H［19］
2017年，美国宇航局研发的中子星内部组成探测器［20］（Neutron star Interior Composition Ex⁃plorer， NICER）是搭载国际空间站的有效载荷，首次在轨验证了脉冲星计时导航的可行性。搭载有X射线时变探测器（X-ray Timing Instru⁃ment，XTI）并包含56个X射线聚焦望远镜（Xray Concentrator Optics，XRC）。XCR的焦距为1.085 m，口径为105 mm。采用24层嵌套的抛物面，通过单次反射进行X射线的聚焦，如图15所示。基于铝箔复制技术制造的抛物面粗糙度达到0.5 nm，单层入射角收集范围为0.4°～1.4°，单镜筒有效面积约为32 cm2@1.5 keV，91% 的X射线聚焦在2 mm的焦斑范围内。
图15 NICER X射线聚焦望远镜［20］Fig. 15 X-ray focusing telescope onboard NICER［20］
4.3 电铸镍复制聚焦反射镜
由于玻璃与铝箔复制工艺自身的局限性，导致其角分辨率仅能实现1′左右的水平，这在一定程度上影响了空间X射线观测科学产出。为此，美国NASA马歇尔太空飞行中心、意大利 Media Lario Technologies（MLT）公司等机构迅速开展了基于电铸镍复制技术路线的X射线反射镜关键技术研究，期望获得大面积的同时也能进一步提高角分辨率。具体工艺过程［21］主要涉及芯轴模具超精密车削、超精密抛光及检测、光学镀膜、电铸纯镍复制、反射镜与芯轴分离等关键环节，具体流程如图16所示。目前，电铸镍X射线望远镜依然是当前的主流空间X射线望远镜。
图16 反射镜加工工艺流程［21］Fig. 16 Fabrication process of mirrors［21］
在1993—1999年间，意大利MLT技术公司联合相关单位研制了世界上首台电铸镍X射线望远镜，并应用于卫星BeppoSax［22］。随后，又为伽马射线风暴探测器Swift（Swift Gamma-Ray Burst Explorer）配备了电铸镍Wolter-Ⅰ型X射线望远镜的光学系统［23］，如图17所示。
图17 SWIFT卫星的X射线望远镜［23］Fig. 17 X-ray telescope onboard SWIFT satellite［23］
1999年，电铸镍X射线望远镜技术发展至巅峰期，欧空局的旗舰型牛顿X射线望远镜［24］（Xray Multiple Mirror-Newton， XMM-Newton）成功发射，其兼顾了角分辨率和有效探测面积2大核心指标。该望远镜由3套58层嵌套的Wolter-Ⅰ型X射线光学系统组成，视场30′，焦距 7.5m，探测能段为0.1～12 keV，有效面积1430 cm2@1.5 keV，角分辨率优于15"，如图18所示。
图18 XMM-Newton X射线望远镜［24］Fig. 18 X-ray telescope onboard XMM-Newton satellite［24］
2019年6月，俄德合作卫星伦琴伽马光学频谱仪SRG（Spektrum-Roentgen Gamma）发射升空），其主载荷eROSITA望远镜由意大利MLT公司研制［25］，该望远镜由7套54层Wolter-Ⅰ型X射线光学系统组成，焦距1.6 m，工作能段0.2～10 keV，有效面积约380 cm2@1.5 keV，角分辨率优于18"，如图19所示。
图19 eROSITA X射线望远镜［25］Fig. 19 eROSITA X-ray telescopes［25］
2016年11月，中国发射的首颗脉冲星导航试验卫星，搭载了由北京控制工程研究所研制的电铸镍X射线聚焦望远镜［26］。探测面积为30 cm2@ 1.5 keV，视 场 为2ω=15′，最 大 口 径Φ=100 mm，角分辨率65″。近年来，该单位又攻克核心关键技术并研制了大口径成像型X射线聚焦反射镜，如图20所示。此外，开展电铸镍X射线反射镜研制的单位还包括同济大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学等。
图20 电铸镍X射线聚焦X射线望远镜［26］Fig. 20 Focusing X-ray telescope based on electro⁃formed nickel technology［26］
2023年，中国还将发射国家天文台牵头研制的爱因斯坦探针（Einstein Probe， EP）卫星，其主载 荷 后 随X射 线 望 远 镜［27］（Follow-up X-ray Telescope，FXT）同样采用了意大利MLT公司研制的电铸镍反射镜，由54 层Wolter-Ⅰ反射镜嵌套组成，焦距1.6 m，轴上角分辨优于30″，工作波段0.3～10 keV，有效探测面积为300 cm2@1.5 keV（单镜筒），如图21所示。
图21 爱因斯坦探针卫星后随X射线望远镜［27］Fig. 21 Follow-up X-ray telescope onboard the EP［27］
为进一步提升角分辨率、降低重量，电铸镍钴成为复制技术方案的发展方向，美国NASA、意大利MLT公司以及中国北京控制工程研究所均在开展关键技术攻关和样机研制。国外已有电铸镍钴X射线望远镜应用于X射线偏振测量、太阳观测等型号任务［28］，中国已研制了如图22所示的薄壁高性能电铸镍钴X射线反射镜，后续将用于北斗四期等型号任务。
图22 电铸镍钴芯轴及X射线反射镜［28］Fig. 22 Electroformed nickel cobalt mandrels and X ray mirror［28］
随着对大面积、高分辨率、低成本的迫切需求，X射线聚焦光学系统的加工技术也取得了快速发展，特别是随着超精密抛光、确定性去除、微纳加工等先进加工技术取得了一系列突破性成果，新一代X射线聚焦光学系统也应运而生。从反射镜结构形式划分，可将其分为整体式直接加工和分片式直接加工。以下主要针对近五年来新一代X射线聚焦光学系统的发展进行总结。
5.1 薄玻璃Wolter-Ⅰ聚焦反射镜
美国NASA马歇尔空间飞行中心（MSFC）和意大利MLT公司［29］发展了X射线薄玻璃反射镜的整体式超精密加工方法，如图23所示。该法与Chandra反射镜的加工方式类似，面临的主要挑战：一是如何将传统的Chandra反射镜的研磨与抛光技术应用于大口径薄玻璃反射镜的一体化加工；
二是选择与石英玻璃热膨胀系数接近的支撑结构材料（通常采用SiC），并开展热匹配性设计。整体加工的最大优点在于多层嵌套反射镜加工和装调的零件数量较少，旋转对称结构对膜层应力及装调引固定起的面形变化相对不敏感。
图23 石英直接抛光方法［29］Fig. 23 Quartz direct polishing approach［29］
目前，美国NASA已完成宽视场X射线望远镜（Wide Field X-ray Telescope， WFXT）的详细设计与反射镜加工，具体指标：反射镜厚度为1～2 mm，视场1°×1°，全视场角分辨率5～10″（反射镜面形为改进的多项式面形结构），78层嵌套，最大口径为1100 mm，如图24所示［29］。实际上，为实现5″的角分辨率，除在反射镜面形结构上改进之外，还采用了确定性直接抛光技术。该技术主要分为2步，首先是采用研磨技术加工至圆锥面形，然后通过计算机数控抛光技术实现自由曲面面形的超精密加工，目前该技术路线的成熟度还有待进一步提高。
图24 加工过程中的大口径薄玻璃X射线反射镜［29］Fig. 24 Large-diameter thin glass X-ray reflectors dur⁃ing manufacturing［29］
5.2 仿生龙虾眼聚焦反射镜
仿生龙虾眼聚焦反射镜是基于仿生学思想提出的一种X射线聚焦反射镜。1979年Angel［30］模仿龙虾眼方形结构特性，提出了一种新型龙虾眼X射线天文望远镜，如图25所示。仿生龙虾眼聚焦反射镜是由多行多列编排在球面上的微孔组成，所有微孔均在同一球面上，入射的X射线通过超光滑的微孔内壁反射，分别经过互垂直排列反射镜的两次反射后聚焦于后端的探测器焦面上，该类反射镜最大的特点是成“十字”像。实际上，这种不存在特定光轴的特点可实现更大范围的拼接，获得宽视场探测，特别适合用于空间X射线全天候监测。
图25 Angel龙虾眼成像原理［30］Fig. 25 Angle-type Lobster-eye imaging principle［30］
仿生龙虾眼聚焦反射镜的制备通常采用玻璃纤维制备微通道板的方法，主要包括玻璃粉料制备、熔制成形、拉管制棒、管棒配合、拉制单丝、排复丝棒、拉制复丝、 排列坯板、热熔压、切片、抛光、热弯、通道刻蚀等工艺。
目前，基于仿生龙虾眼机理的X射线反射镜的典型型号任务包括：国际空间站载荷的Lobster-ISS［31］，2012年美国发射的星系X射线漫 散 射 型 号［32-33］（Diffuse X-ray emission from the Local galaxy，DXL），搭载了一款龙虾眼X射线望远镜（如图26所示），其主要指标：视场9.2°×9.2°，角分辨率1080″，有效面积2.7 cm2，焦距37.5cm。采用该技术方案的型号任务还包括中法合作卫星SVOM［34］，其采用了英国莱斯特大学设计、法国Photonics公司研制的龙虾眼X射线望远镜，以及中国正在研制的爱因斯坦探针卫星，其主要载荷之一是宽视场X射线望远镜，其光学系统是由北方夜视技术股份有限公司研制。
图26 搭载DXL的龙虾眼X射线望远镜［32-33］Fig. 26 Lobster-eye X ray telescope onboard DXL［32-33］
5.3 MEMS聚焦反射镜
针对未来宇航任务对X射线光学系统低成本、轻量化的迫切需求，国内外科学家尝试利用微电子机械系统MEMS技术［35］研制轻量化的X射线聚焦反射镜。该领域代表性工作主要包括：日本东京都立大学基于Wolter-Ⅰ聚焦原理，采用MEMS技术完成了轻量化X射线望远系统的试制。该技术利用离子深刻蚀［36］（DRIE）在4 in（1 in=2.54 cm） Si片上刻蚀出20 μm线宽的微孔（微孔侧壁为反射面），采用长时间退火及化学机械抛光（CMP）对反射面进行抛光，并通过对2部分掩膜进行球面成形、镀膜和对准装调获得整个8层嵌套的光学系统，经过150 h的退火平滑过程，能够实现2.6′的空间角分辨率，如图27所示。
图27 基于MEMS技术实现的X射线望远镜［36］Fig. 27 X ray telescope based on MEMS technology［36］
此外，ESA的水星探测计划BepiColombo［37］搭载了X射线成像光分光计（The Mercury Imaging X-ray Spectrometer， MIXS）载荷，其成像望远镜（MIXS-T）是基于MEMS技术实现的近似Wolter-Ⅰ型结构（如图28所示），前后反射镜曲率半径分别为1.33 m和4 m，视场为1.1°，焦距为1 m，由于采用圆锥面形近似二次曲面，角分辨率仅为9′。
图28 BepiColombo搭载水星X射线成像光分光计［37］Fig. 28 MIXS onboard BepiColombo［37］
5.4 硅微孔聚焦反射镜
目前，欧空局正在研制的下一代旗舰型X射线望远镜ATHENA［38］（Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics）采用了硅微孔聚焦反射镜技术路线，预计2030年发射，其中SPO（Silicon Pore Optics）光学反射镜由荷兰Cosine公司承制［39］。硅微孔聚焦反射镜得益于硅半导体工业的大规模发展，可充分体现出低成本、高性能以及批量化生产的优势。
主要生产过程包括单晶硅锭切割晶圆、多次研磨（提高厚度均匀性）、边缘倒圆角、蚀刻、双面抛光（RMS0.1 nm）、切割、弯曲成型等。具体来说，SPO将商用硅片切割成需要的矩形镜片，沿着光轴方向在镜片上加工出一系列厚度很薄的凹槽，槽的底面实现X射线的反射，槽的侧壁实现多层镜片的支撑连接，多层镜片相互堆叠进而形成X射线传过的微孔阵列。单镜将弯曲成需要的面形以实现X射线聚焦，研制过程如图29所示。该技术路线研制的X射线聚焦反射镜由于受硅材料硬度、脆性等物理性质影响，难以实现小口径、短焦距的小型化反射镜的研制，根据作者与其技术首席专家沟通确认，目前可实现最短焦距为6.5 m。此外，SPO聚焦反射镜可实现5″的空间角分辨率，明显优于除传统微晶玻璃超精密抛光反射镜之外的其他光学系统；
可实现模块设计、研制与装配。但受加工体制限制，仍未突破Chandra望远镜0.5″角分辨率的水平。
图29 SPO 研制过程［39］Fig. 29 Development process of SPO［39］
5.5 单晶硅聚焦反射镜
美国NASA Goddard Space Flight Center （GSFC）提出了Silicon Meta-shell Optics技术方案［40］，该技术路线将先进的确定性抛光技术与单晶硅材料完美融合，可实现近乎无内应力的超薄反射镜制造。同时，单晶硅材料还具有诸如低热胀系数、高弹性模量、高热导率、低密度等优势。目前，美国NASA正在开展下一代旗舰型X射线天文望远镜Lynx的关键技术攻关与研制工作。望远镜的主要性能指标：探测能量范围0.2～10 keV，空间角分辨率0.5″，光学视场20′×20′，有效探测面积2 m2@ 1 keV。为了实现大视场、高离轴角分辨率以及较短的系统尺寸，Lynx针对传统的Wolter-Ⅰ型反射镜面形进行改进，采用Wolter-Schwarzschild设计，由满足阿贝正弦条件的2片非球面组成。
单晶硅镜片的加工过程与半导体硅片相似，具 体 过 程 如 图30所 示［40］，其 将150 mm×150 mm×75 mm的单晶硅块进圆锥成形，经过轻量化、刻蚀、抛光后剪裁成100 mm×100 mm×0.5 mm，最终通过离子束对面形进行精修达到实际要求。单晶硅薄片通过镀制低应力的膜层实现X射线高反射率。
图30 单晶硅薄片制备过程［40］Fig. 30 Development process of silicon meta-shell optics［40］
Lynx望远镜基于模块化思想，将37492片单晶硅反射镜片组装成611个镜组，每个镜组模块独立进行装配和测试。然后将611个镜组模块进一步集成为12个分离反射镜单元，最后实现整个嵌套反射镜的装配，具体过程如图31所示［40］。
图31 单晶硅嵌套反射镜装配过程［40］Fig. 31 Assembly process of nested silicon meta-shell optics［40］
脉冲星探测在航天器自主导航、天基时间基准构建以及空间科学等领域具有重要价值。目前，美国SEXTANT项目、中国脉冲星导航试验卫星（XPNAV-01）和“慧眼”天文卫星开展了近地空间脉冲星导航试验，并提出了基于在线计时的信号处理与定位快速解算方法，对脉冲导航工程应用做出了有益尝试[41]。日本也将发射瞳卫星备份星（X-Ray Imaging and Spectroscopy Mis⁃sion，XRISM）继续开展脉冲星观测及其科学研究。中国也将发射爱因斯坦探针卫星开展宽谱段X射线科学观测与研究，同时配置了后随聚焦X射线望远镜和大视场龙虾眼望远镜。国际上还有许多开展X射线脉冲星探测的重大型号任务，特别是随着科学研究的逐步深入和工程应用的顺利实施，X射线脉冲星探测领域的研究水平必将迈上新台阶。
如何实现高精度的计时观测是开展空间科学研究与脉冲星导航、计时的重要基础。然而，脉冲星辐射信号相对微弱，无论是射电观测还是空间X射线观测，均需要大口径望远镜开展长时间持续观测，以获得高质量的观测数据。特别是对于空间X射线波段观测而言，研制高效率、轻量化的X射线望远镜至关重要，而望远镜的核心在于X射线聚焦光学系统。为此，本文对空间X射线聚焦光学系统的发展趋势总结如下：
1）鉴于脉冲星自身辐射的微弱性，X射线波段的单光子探测与成像观测仍以聚焦体制的X射线光学系统发展为主。考虑不同的应用场景和特殊需求，空间X射线聚焦光学的主要发展方向是高效率、大面重比、轻质化。未来空间应用主要以Wolter-Ⅰ型、龙虾眼型以及微孔型X射线聚焦光学系统等3类光学系统发展为主。
2）从X射线聚焦光学的研制角度来看，其制造方法已从最初的直接加工发展到目前相对成熟的复制工艺以及新时代的直接加工工艺路线。主要发展方向：一是基于新工艺和常用材料，比如对微晶玻璃采用高精度自动化的抛光技术和工艺，可同时实现X射线反射镜的轻量化和高角分辨率；
二是基于新工艺，比如基于深度刻蚀法和MEMS加工工艺，研制轻小型化的X射线聚焦光学系统；
三是基于新材料，比如单晶硅，研制轻质化的大面积X射线聚焦反射镜，同时通过对反射镜面形改进与加工质量控制提升性能。
3）从X射线聚焦光学的应用场景分析，用于脉冲星科学观测的X射线望远镜以大面积（>1000cm2）、高效率（双次反射效率>50%@1.5 keV）、高角分辨率（优于10″）为主，重量和体积功耗是其次关注的指标。用于深空探测领域航天器的导航终端，发展趋势为小型化、轻质化，其中探测面积满足要求即可（通常>40 cm2），质量<10 kg，具备角分级的空间角分辨率。
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