宽视场龙虾眼X射线聚焦成像光学器件的自主研发

Wide-field time-domain astronomy will enter a golden era of multi-wavelength and multi-messenger observations. In the high-energy astrophysics realm it has become a consensus to adopt focusing technique in the building of wide-field X-ray monitors. The emerging novel micro-pore optics X-ray focusing technology is capable of achieving uniform, wide-field X-ray imager, which has been adopted in several space astronomical missions world-wide, including Einstein Probe, a candidate mission in the CAS space science program. The proposed objectives of this project are to develop and master the micro-pore optics technology. Its outcome will be a complete set of optics system of micro-pore wide-field X-ray focusing camera, which can satisfy the scientific and space engineering requirements.

大视场时域天文将迎来多波段、多信使的黄金时代。在时域高能天体物理领域，能够实现聚焦成像的光学系统是大视场X射线全天监测发展的大势所趋。新兴的微孔龙虾眼镜片是目前能在工程上有效实现均匀、大视场的X射线聚焦的成像器件。该技术以为国际上几个有影响的空间项目所采用，包括中科院先空间先导专项背景型号项目爱因斯坦探针和空间站软X射线全天监视器项目。但目前该光学器件的制造技术的核心还掌握在国外唯一的商业公司手中，价格极为昂贵，且风险和设计的可控性差。本项目拟联合科研单位与国内已有该技术研制基础的工程单位，共同开发微孔镜片技术。目标为宽视场相机组件的全面国产化、研制具有良好科学性能和航天力学性能的轻量化、宽视场X射线聚焦光学器件，全面掌握宽视场X射线成像技术。项目的研究成果为（1）满足科学实用指标的微孔器件样品；（2）基于此器件的满足空间环境和工程检验指标的宽视场X射线望远镜光学系统。

本项目按照项目任务书中的研究内容和计划执行，已圆满完成了全部研究任务。成功研制出国内首款满足X射线天文探测需求的微孔成像器件（MPO），并开展了X射线检测，科学性能达到或超过指标要求。角分辨率4-5角分（半高全宽，最高3角分），有效面积与理论值吻合度为93%，曲率半径精度达到4.6‰，指标达国际先进水平，部分指标国际领先。此外，研发了基于该MPO镜片的聚焦镜组件，测试结果表明可以满足空间环境要求。在本项目实施之前国内基本上无可参考技术。项目组基于对国产MPO研制工艺的理论分析，建立半解析数值模型，并自行设计和建成了大型X射线束流测试平台，以评估和分析研制工艺对器件性能指标的影响，指导研制流程和工艺的改进。经过四年的反复攻关和大量试验，项目组在精密微孔阵列结构制造技术、大曲率半径球面成型技术、内壁低粗糙度腐蚀技术以及大长径比通道内壁镀制反射膜技术等四项关键技术上取得突破，使得研制出的MPO镜片在微孔阵列结构均匀性、球面面型、通道内壁反射率等多方面性能上获得极大提升。项目研制期间申请发明专利11项，发表学术论文3篇。本项目研制的MPO具有完全自主知识产权。所研制MPO镜片为我国空间科学先导专项二期正在研制的爱因斯坦探针卫星（EP）的科学载荷研制提供了核心技术和关键器件，实现了我国大视场X射线聚焦成像关键探测技术从零到一的突破。MPO镜片国产化大大降低了EP卫星项目对国外产品的依赖程度和研制成本。该成果还具有其它的空间科学探测和技术应用前景。