一种用于软X射线聚焦的抛物面型掠入射光学镜头

摘要

本发明提出一种用于软X射线聚焦的抛物面型掠入射光学镜头，包括抛物面镜片、光阑组件、镜筒、前挡板、后挡板、热控组件、前准直环组件、定位销、定位销压圈；所述抛物面镜片的内表面镀铱膜；定义镜头接收入射光线端为前端；所述光阑组件包括前光阑、中光阑、后光阑、支撑柱和光阑压板。利用超光滑的内抛物面镜片对X射线光子进行掠入射反射聚焦，抛物面镜片的内表面镀铱膜，以提高反射率，采用三个光阑限制视场，消减杂散光，前准直环组件减小热损失，热控组件主动加热，二者共同提供稳定的热环境，保证光学性能的稳定性，镜筒为抛物面镜片和光阑组件提供支撑作用，并提供外部接口和前准直环组件的接口。本发明具有结构简单、抗杂散光干扰、容易实现等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于空间X射线探测和X射线脉冲星导航任务中实现软X 射线聚焦收集的掠入射光学镜头，属于空间光学技术领域。

背景技术

X射线脉冲星导航适用于近地空间、深空探测和星际飞行航天器的完全自 主导航，可为大多数空间任务航天器提供位置、速度、姿态和时间等全面的导 航信息，实现航天器的完全自主导航，具有可靠性强、稳定性好、精确性高、 适用性广等优点，是一项极具发展潜力的新型自主导航技术，是提高航天器自 主导航系统性能的极佳选择，具有极其重要的工程实用价值和战略研究意义。

X射线脉冲到达时间的测量精度决定X射线脉冲星导航的精度，通过设计 X射线光学系统，增大有效探测面积，降低背景噪声，提高测量脉冲轮廓的信 噪比，可提高脉冲到达时间的测量精度，从而保证导航精度。适合脉冲星导航 的X射线为软X射线，能谱范围一般为0.1-10keV，属于软X射线，普遍采用 掠入射光学系统对其进行聚焦收集。

现有软X射线掠入射光学系统多采用Wolter-I型结构，通过两次反射将软 X射线聚焦在焦平面上，这种结构主要适用于软X射线目标源的成像，两次反 射降低了反射率，且前后反射镜之间具有严格的耦合关系，增大了装调难度。 另外一种软X射线光学系统为龙虾眼型结构，具有这种结构的软X射线光学系 统视场较大，将引入更多的背景噪声，仅适用于X射线巡天观测，且结构更复 杂，装调难度大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的上述不足，提供一种用于软X 射线聚焦的抛物面型掠入射光学镜头，利用抛物面镜片对软X射线进行反射， 将其聚焦于焦平面，实现软X射线光子的收集，具有结构简单、抗杂散光干扰、 容易实现等优点。

本发明的技术方案是：一种用于软X射线聚焦的抛物面型掠入射光学镜头， 包括抛物面镜片、光阑组件、镜筒、前挡板、后挡板、热控组件、前准直环组 件、定位销、定位销压圈；所述抛物面镜片的内表面镀铱膜；定义镜头接收入 射光线端为前端；所述光阑组件包括前光阑、中光阑、后光阑、支撑柱和光阑 压板，前光阑、中光阑、后光阑均各自配有两个光阑压板，光阑压板位于光阑 两侧并将光阑压紧后固定安装在支撑柱上；

前挡板通过螺钉安装于镜筒前端，提供镜头的安装接口；所述镜筒为筒状 结构，前光阑的前光阑压板与前挡板固定安装；后光阑的后光阑压板的外圆周 开有凹槽，镜筒后端的内圆周开有凹槽，通过定位销实现后光阑压板与镜筒的 周向定位，定位销压圈安装于镜筒后端，对定位销实施压紧；抛物面镜片为圆 筒形结构，外表面为圆柱面，内表面为抛物面，且圆柱面的轴线与抛物面的轴 线同轴；抛物面镜片前端口径大，后端口径小，且端面均为平面；抛物面镜片 内套于镜筒内部；后挡板通过螺钉安装于镜筒后端，提供外部安装接口，后光 阑压板与抛物面镜片的后端面贴合，同时后光阑压板与后挡板固定安装，实现 光阑组件轴向定位；中光阑位于抛物面镜片的轴向中间位置；

前准直环组件包括外壳和内部挡板，内部挡板的主体为圆筒结构，圆筒外 部在轴向方向上均匀布置三个相同的环状板，每个环状板上各开有允许入射光 线通过的环状槽；外壳为圆筒结构，一端与内部挡板的一端固定，另一端与镜 筒前端固定，使内部挡板与镜筒之间相对位置固定；

热控组件包括缠绕于镜筒外表面的线圈和温度传感器，线圈对镜筒进行加 热，温度传感器测量温度，实现镜筒和抛物面镜片的温度控制。

所述抛物面镜片材料为微晶玻璃，抛物面镜片的抛物面粗糙度需达到亚纳 米量级，且镀有厚度不低于20nm的铱膜，抛物面的平均倾斜角为0.5-1.5°。

所述前光阑、中光阑、后光阑均为铅板，前光阑压板、光阑压板、后光阑 压板均为铝板。

所述镜筒采用铟钢或碳纤维材料。

所述前准直环组件的外壳采用钛合金材料，对内部挡板进行表面处理，使 内部挡板的热发射率低于0.03。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明创新设计了一种用于软X射线聚焦的抛物面型掠入射光学镜 头，利用内表面粗糙度达到亚纳米量级的抛物面镜片对X射线光子进行掠入射 反射聚焦，并在抛物面镜片的内表面镀厚度不低于20nm的铱(Ir)膜，以提 高反射率，采用三个光阑限制视场，消减杂散光，前准直环组件减小热损失， 热控组件主动加热，二者共同提供稳定的热环境，保证光学性能的稳定，镜筒 为抛物面镜片和光阑提供支撑，并提供外部接口。产品具有结构简单、抗杂散 光干扰、容易实现等优点；

(2)本发明创造性地采用不同于X射线成像光学系统的抛物面型掠入射 光学镜头，实现X射线的单次反射聚焦，弥补了两次反射系统中反射率较低的 不足。现有两次反射光学系统中，前后两个反射镜之间存在严格的耦合关系， 装调难度极大，本发明提出的抛物面型掠入射光学镜头可大大降低装调难度， 具有很强的可实现性；

(3)本发明的热控组件和前准直环组件分别通过主动方式和被动方式对镜 头实施精确热控，且镜筒材料和抛物面镜片材料的热膨胀系数匹配，可减小镜 筒和抛物面镜片之间的温度梯度，减小热变形和热应力，大大提高镜头光学性 能的长期稳定性；

(4)本发明的光阑组件采用铅板和铝板组合方式，即可阻挡杂散光，又具 有高强度，严格限制视场，使镜头具有高信噪比；

(5)本发明解决了软X射线的聚焦收集难题，可提高X射线探测系统的 有效面积、降低背景噪声、增大信噪比，具有很强的可实现性和实用性，现有 制造技术水平完全可以对其实现。随着软X射线在各个领域的广泛应用，本发 明提出的抛物面型掠入射光学镜头可应用于地面X射线探测设备、空间X射线 探测航天器，以及X射线脉冲星导航敏感器等。

附图说明

图1A为本发明抛物面型掠入射光学镜头的示意图；

图1B为本发明抛物面型掠入射光学镜头的剖视图；

图2A为本发明抛物面型掠入射光学镜头光阑组件剖视图；

图2B为本发明抛物面型掠入射光学镜头光阑组件示意图；

图3为抛物面型掠入射光学镜头镜筒与光阑组件周向定位示意图；

图4为本发明抛物面型掠入射光学镜头前准直环组件剖视图；

图5A为本发明抛物面型掠入射光学镜头抛物面镜片剖视图；

图5B为本发明抛物面型掠入射光学镜头抛物面镜片剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1A与图1B所示，本发明提出一种用于软X射线聚焦的抛物面型掠入 射光学镜头，包括抛物面镜片13、光阑组件、镜筒1、前挡板7、后挡板16、 热控组件3、前准直环组件、定位销20、定位销压圈15。定义镜头接收入射光 线端为前端；

如图2A与图2B所示，前光阑10、中光阑14、后光阑18、光阑压板11、 前光阑压板9、后光阑压板17、支撑柱12组成相对独立的光阑组件，前光阑 10、中光阑14和后光阑18起到限制视场的作用；前光阑10的前光阑压板9 与前挡板7固定安装；

如图1B和图3所示，后光阑18的后光阑压板17的外圆周开有凹槽a、B， 镜筒1的内圆周开有凹槽，通过定位销20实现后光阑压板17与镜筒1的周向 定位，定位销压圈15安装于镜筒1后端，对定位销20实施压紧；后挡板16 通过螺钉安装于镜筒1后端，提供外部安装接口，后光阑压板17与抛物面镜 片13的后端面贴合，同时后光阑压板17与后挡板16固定安装，实现光阑组 件轴向定位；中光阑14位于抛物面镜片13的轴向中间位置；

如图4所示，前准直环组件包括外壳2和内部挡板8，用于减小整个镜头 对冷空间的视场，从而减小热损失，内部挡板8的主体为圆筒结构，圆筒外部 在轴向方向上均匀布置三个相同的环状板，每个环状板上各开有允许入射光线 通过的环状槽；外壳2为圆筒结构，一端与内部挡板8的一端固定，另一端与 镜筒1前端固定，确定内部挡板8与镜筒1之间相对位置固定；

如图1A所示，热控组件3包括缠绕于镜筒1外表面的线圈和温度传感器， 线圈对热控组件3加热，温度传感器测量温度，实现镜筒1和抛物面镜片13 的温度控制，以满足空间的低温环境，保证光学性能的稳定性。

如图5A和图5B所示，用于软X射线聚焦的抛物面型掠入射光学镜头的抛 物面镜片13是圆筒形结构，内表面为抛物面的镜片，抛物面的粗糙度需达到 亚纳米量级，且镀有厚度不低于20nm的铱(Ir)膜，实现X射线光子的高反 射率，抛物面的平均倾斜角为0.5-1.5°，抛物面镜片13的外表面为圆柱面，圆 柱面的轴线与内抛物面的轴线同轴，以便于装调，抛物面镜片13前端口径大， 后端口径小，且两个端面均为平面，装调时作为定位面。

如图2A和图2B所示，用于软X射线聚焦的抛物面型掠入射光学镜头的光 阑组件由前光阑10、中光阑14、后光阑18、支撑柱12和光阑压板11、前光 阑压板9、后光阑压板17，前光阑10、中光阑14、后光阑18均各自配有两个 光阑压板11，光阑压板11位于光阑两侧并将光阑压紧后固定安装在支撑柱12 上，前光阑10、中光阑14、后光阑18均采用铅材料，起限制视场的作用，铅 对X射线和高能粒子具有很好的阻挡作用，鉴于铅材料硬度、强度低，光阑压 板11、前光阑压板9、后光阑压板17均采用铝材料，且具有加强筋，以提高 力学环境适应性。

如图1A和图1B所示，用于软X射线聚焦的抛物面型掠入射光学镜头的前 挡板7通过螺钉固定于镜筒1的前端，提供外部安装接口，且前挡板7与光阑 组件固定，实现光阑组件的定位。

如图1A和图1B所示，用于软X射线聚焦的抛物面型掠入射光学镜头的 后挡板16通过螺钉固定于镜筒1的后端，对后光阑压板17和定位销压圈15 实施压紧。

如图1B所示，用于软X射线聚焦的抛物面型掠入射光学镜头的定位销压 圈15通过螺钉固定于镜筒1的后端，对定位销20实施压紧。

如图1A和图1B所示，用于软X射线聚焦的抛物面型掠入射光学镜头的镜 筒为筒状结构，对抛物面镜片13、光阑组件、热控组件3、前准直环组件提供 定位、支撑与固定，同时提供外部接口，用于与应用本发明抛物面型掠入射光 学镜头的系统连接，镜筒采用铟钢或碳纤维材料，以匹配抛物面镜片13的微 晶玻璃材料。

如图1A所示，用于软X射线聚焦的抛物面型掠入射光学镜头的热控组件3 包括线圈和温度传感器，安装于镜筒1外部，实现镜筒1和抛物面镜片13的 温度精确控制，减小热梯度，减小热变形和热应力，保证镜头光学性能稳定性。

如图1A、图1B和图4所示，用于软X射线聚焦的抛物面型掠入射光学镜 头的前准直环组件位于整个镜头的前端，包括外壳2和内部挡板8，内部挡板 8的主体为圆筒结构，圆筒外部在轴向方向上均匀布置三个相同的环状板，每 个环状板上各开有允许入射光线通过的环状槽；外壳2为圆筒形结构，一端与 内部挡板8的一端固定，另一端与镜筒1前端固定，以确定内部挡板8与镜筒 1之间的相对位置固定，前准直环组件的外壳2采用钛合金材料，对内部挡板 8进行表面处理，使内部挡板8的热发射率低于0.03，用于减小整个镜头对冷 空间的视场，从而使热损失最小，配合热控组件同时为整个镜头提供稳定的热 环境。

实施例1

本发明抛物面型掠入射光学镜头主体结构中抛物面镜片13的平均掠入射 角为1.25°，镜片长度为140mm，视场为±7.5′，焦距1200mm，前端口径101mm， 后端口径94.9mm，Ir膜厚度为20nm。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。