一种X射线折射聚焦与探测系统

技术领域：

本发明属于X射线探测与应用技术领域，涉及一种X射线折射聚焦与探测系统。

背景技术：

X射线折射聚焦与探测系统是利用折射原理实现X射线光子聚焦探测的新型系统，当X射线穿透材料发生折射的同时，材料吸收而导致衰减是一项不可忽略的因素，能量越低，吸收衰减越大。X射线脉冲星辐射呈幂律谱分布，且辐射通量弱，为了实现低能X射线光子的探测，需要较大的X射线聚焦与探测面积，可通过多个阵列式透镜单元拼接形成。2019年，瑞典皇家理工学院M.Wujun等人提出阵列排列折射透镜来构建硬X射线望远镜的概念，根据单个复合折射透镜对13.5keV的X射线聚焦性能，他们设计了一种阵列式望远镜的结构。本发明将针对低能段的软X射线信号的探测，利用X射线低衰减材料铍，而非不适用太空环境的光刻胶材料，也非目前广泛用于同步辐射源且对X射线衰减更大的硅材料，来设计低衰减的折射透镜结构，并开发相应制作技术。这是本发明区别于国际相关工作的主要创新点之一，国内尚未有阵列式X射线折射透镜的文献资料。

1996年，X射线复合折射透镜的概念被提出，此后开发了多种材料及相应制作技术。但除了与半导体工艺匹配的材料，尚未在其它材料(如铍)上更具效率地制备阵列式复合折射透镜。本发明所涉及的阵列式X射线透镜可采用热压技术对铍材料进行复合折射透镜批量化加工，铍材料的使用及透镜加工方法的开发是X射线望远镜聚焦单元轻量化及低X射线衰减特点的综合体现。

用于脉冲星导航的X射线折射聚焦与探测系统应具有较高的角分辨率，如1角分乃至更高，本发明可提供角分辨率望远镜的技术支撑。然而，针对脉冲星导航所需的软X射线探测频段(0.5-10keV)，X射线折射聚焦与探测系统无法将所有能量同时聚焦于一点。实际上，针对宽谱的探测将导致探测器在焦平面上出现较大的焦斑，若要探测到大部分能量的光子，会降低角分辨率。为此，综合权衡了光子探测效率和角分辨率，在最佳能量设计值的焦平面上设置光阑结构，对应阵列式聚焦特点，该光阑也为阵列式。进一步，为防止X射线从透镜阵列平面上的非透镜区域入射进来，需在这些区域镀制X射线阻挡层。该设计不同于M.Wujun等人提出的设计概念，能有效提高望远镜的角分辨率，且系统更加轻量化。

当前，X射线折射聚焦与探测系统主要用于对同步辐射源X射线波段的聚焦与显微成像等，同步辐射的光束尺寸决定了透镜尺寸在1mm以内。近些年，国外开展了将折射透镜用于硬X射线光子的探测，提出利用光刻胶构建阵列式X射线折射透镜，并结合高能探测器构成X射线望远镜结构的概念。他们与现有X射线望远镜卫星项目NuSTAR、ASTRO-H上基于反射式X射线聚焦与探测系统相比，在重量上显著降低，焦距大幅缩短，对X射线空间探测的载荷比要求大幅度降低。但光刻胶材料因自身特性，难于长期适用于实际太空环境，目前，国外尚处于概念阶段，尚未见到空间应用的报道，国内处于技术跟踪阶段。

国内开展X射线折射透镜研究已十余年，所用材料主要为铝、硅、PMMA、光刻胶，对应的加工技术为激光打孔、深反应离子刻蚀、极紫外或X射线光刻，这些透镜主要用于同步辐射源上对硬X射线光子的聚焦。国内尚未提出或实施将折射透镜用于脉冲星软X射线信号探测的概念。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种X射线折射聚焦与探测系统，能实现轻量化、短焦距，又能进行模块化拼接形成大探测面积。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种X射线折射聚焦与探测系统，其特征在于：包括阵列式X射线折射透镜、阵列式光阑和X射线探测器；阵列式X射线折射透镜用于将平行的X射线进行高增益聚焦；阵列式光阑用于限制焦斑大小，提高角分辨率，并滤除照射在阵列式光阑非孔区域的空间噪声粒子；X射线探测器将聚焦的X射线光子转换成电信号，读出光子的能量、时间、位置信息。

阵列式X射线折射透镜由轻元素材料制造，选择为Be材料；阵列式X射线折射透镜由数量众多的微小抛物面型透镜组成，每个透镜都能够将平行入射的X射线进行聚焦。

在阵列式折射透镜与X射线探测器之间放置阵列式光阑，限制焦斑大小，提高角分辨率；阵列式光阑经过硅片刻蚀、镀膜与键合制作而成，光阑孔数量与折射透镜数量相同，且安装时两者光轴准确重合。

阵列式光阑后端紧贴着X射线探测器，穿过阵列式光阑后形成的光斑能够被X射线探测器探测；X射线探测器选择高时间分辨率、高能量分辨率及具有位置信息读出的硅基探测器。

脉冲星辐射的X射线光子穿过阵列式折射透镜后，实现X射线光子的聚焦，再穿过阵列式光阑孔，汇聚在X射线探测器焦平面上，并被X射线探测器获取。

阵列式折射透镜与X射线探测器的距离设置为25cm，保证2keV的X射线光子具有高透过率；对于能量更高的X射线光子，经阵列式折射透镜的焦距大于25cm；对于能量更低的X射线光子，经阵列式折射透镜的焦距小于25cm，通过调整阵列式光阑的孔径尺寸，实现脉冲星辐射的软X射线光子的整个能段最高效率探测。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

1、本发明为一种轻量化、短焦距、可模块化拼接的X射线折射聚焦与探测系统。其技术创新性表现在：

(1)选用轻元素材料铍，制作X射线折射透镜，其重量比现有体制X射线探测系统减轻1倍以上。

(2)提出一种低衰减阵列式X射线复合折射聚焦系统的设计与优化方法，可实现软X射线光子较高效率的探测。

(3)采用热压成形技术批量化制作阵列式复合折射透镜，配置阵列式光阑和硅基X射线探测器，可实现模块化拼接。

(4)X射线折射透镜采用阵列微型结构，焦距可控制在25cm以内，短焦距有利于X射线折射聚焦与探测系统的轻小型化。

2、轻量化是面向脉冲星导航的X射线望远镜所必须具备的特征，相较于传统的基于多层嵌套结构的Wolter-I型X射线望远镜，阵列式复合折射透镜由于采用轻质材料与短焦距方式，在保证探测面积的前提下，大幅降低X射线望远镜重量与体积。

3、空间工程应用的X射线折射聚焦与探测系统载荷发展的方向之一是制作技术简便和低成本化，传统用于脉冲星导航的X射线望远镜即Wolter-I型聚焦系统需要高精度嵌套大量反射镜片，镜片粗糙度和面型精度要求极高，技术工艺复杂度高，制造难度大，成本高，复合折射透镜聚焦系统利用较成熟的微纳制作技术，通过降低实现难度来大幅度降低制造成本。

4、目前X射线脉冲星导航技术正处于发展阶段，国内外尚无实用成熟的脉冲星导航终端，本发明涉及的X射线折射聚焦与探测系统可适于脉冲星导航工程应用，具有体积小、质量轻、焦距短等优点，又能有效抑制本底、减小功耗。

附图说明：

图1为本发明X射线折射聚焦与探测系统结构图；

图2为阵列式光阑截面示意图；

图3为折射式X射线聚焦原理示意图；

图4为准直型X射线聚焦原理示意图；

图5为Wolter-I型X射线聚焦镜工作原理示意图。

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。为便于理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明为一种X射线折射聚焦与探测系统，包括阵列式X射线折射透镜、阵列式光阑和X射线探测器；阵列式X射线折射透镜用于将平行的X射线进行高增益聚焦；阵列式光阑用于限制焦斑大小，提高角分辨率，并滤除照射在阵列式光阑非孔区域的空间噪声粒子；X射线探测器将聚焦的X射线光子转换成电信号，读出光子的能量、时间、位置等信息。

阵列式X射线折射透镜由轻元素材料制造，该类型材料对软X射线具有更低的衰减系数，是用来制作X射线折射透镜的理想材料，一般选择为Be材料。阵列式X射线折射透镜由数量众多的微小抛物面型透镜组成，每个透镜都能够将平行入射的X射线进行聚焦。

在阵列式折射透镜与X射线探测器之间放置阵列式光阑，限制焦斑大小，提高角分辨率。阵列式光阑为由整块薄硅片刻蚀而成，光阑孔数量与折射透镜数量相同，且安装时两者光轴准确重合。

阵列式光阑后端紧贴着X射线探测器，穿过阵列式光阑后形成的光斑能够被X射线探测器探测。X射线探测器选择高时间分辨率、高能量分辨率及具有位置信息读出的硅基探测器。

脉冲星辐射的X射线光子穿过阵列式折射透镜后，实现X射线的聚焦，再穿过阵列式光阑孔，汇聚在X射线探测器焦平面上，并被X射线探测器获取。

为了实现X射线折射聚焦与探测系统对X射线脉冲星在软X射线能段上最高探测效率，且保证该探测系统具有较小的空间体积，阵列式折射透镜与X射线探测器的距离设置为25cm，保证2keV的光子具有高透过率。对于能量更高的X射线光子，经阵列式折射透镜的焦距大于25cm；对于能量更低的X射线光子，经阵列式折射透镜的焦距小于25cm，可通过调整阵列式光阑的孔径尺寸，实现脉冲星辐射的软X射线光子的最高效率探测。本发明X射线折射聚焦与探测系统由阵列式X射线折射透镜、阵列式光阑和X射线探测器组成。

阵列式X射线折射透镜(如每个口径100微米)实现平行入射的X射线光子聚焦；

阵列式光阑用来限制焦斑大小，提高角分辨率，屏蔽阵列式光阑非孔区域的空间噪声粒子；

X射线探测器将聚焦的X射线光子转换成电信号，读出光子的能量、时间、位置等信息。

X射线折射聚焦与探测系统工作原理：阵列式折射透镜可对准脉冲星收集其辐射的X射线光子，该透镜是针对2keVX射线进行优化设计的。能量为2keV的X射线光子经过阵列式折射透镜聚焦，穿过阵列光阑的微孔，汇聚在焦点处(透镜后25cm处)。焦点处放置阵列式光阑，并紧贴放置X射线探测器，X射线光子可通过阵列式光阑的微孔被X射线探测器捕捉。对于能量更高的X射线，透镜对它们的聚焦效果不理想，焦距较远，在25cm的焦点位置会形成焦斑，能量越大，形成的焦斑越大。此时，阵列式光阑的作用才会体现，因为角分辨率可用焦斑尺寸除以焦距来表示，所以控制阵列光阑的孔径可限制焦斑尺寸，进而控制角分辨率。若孔径为30微米，则角分辨为20角秒。同理，对于能量比2keV低的X射线，通过透镜后的焦距短于25cm，所以在25cm处也将形成焦斑，也可通过控制阵列式光阑的孔径大小实现高分辨。同时，阵列式光阑还可避免非平行X射线光子穿过阵列透镜上非透镜的位置入射到X射线探测器，从而抑制背景噪声，提高探测信噪比。

以下就目前已存在的准直型和Wolter-I型软X射线望远镜，和本发明所涉及的X射线折射聚焦与探测系统进行对比分析。

1、本发明与准直型对比

在物理结构上，折射式透镜与准直型的系统结构都较简单，它们收集X射线光子的原理如示意图3、图4所示。折射式X射线探测系统使用透镜阵列对较大面积的X射线光子进行聚焦，在焦平面形成多焦点结构，利用与透镜阵列相同面积的焦平面探测器接收X射线光子信号；而准直型探测系统通过准直器限制所要接收X射线光子视场，即以准直器来限制视场，落在视场范围内的X射线光子被探测器所接收。两类探测系统探测器面积即为该系统探测面积的上限。

以下对两类X射线探测系统的视场、角分辨率、探测效率和噪声水平等性能进行对比。首先，准直式的视场决定于准直器结构的深宽比，如我国HXMT卫星低能望远镜的视场为1.6°×6°，而折射式的视场由透镜开口尺寸与系统尺寸有关，一般选择在若干角分乃至角秒级，能够覆盖脉冲星视线方向范围。若两类探测系统所用的X射线探测器面积相同，则两者的背景噪声水平相当，因大视场探测系统在收集脉冲星光子信号时，同时收集更大范围的脉冲星星云信号，会严重地影响脉冲星信号的信噪比，而折射式因视场较小，能够较好地屏蔽各类空间粒子噪声，具有较高的信噪比。其次，在角分辨率方面，折射式探测系统具备的聚焦结构搭配特殊设计的系统结构，能大幅提升角分辨率，本发明的角分辨率可达1角分以内，相比准直式，具有数量级的提升。最后，在探测效率方面，假设两类探测系统所用的X射线探测器一样，那么，由于折射式需要X射线穿过透镜阵列而聚焦，会对X射线造成一定的衰减，对于2keV的X射线光子能量，约61.8％的X射线光子会穿透；而准直型在准直器上方有一层软X射线遮光膜，用以去除空间中的可见光和紫外线信号，允许软X射线透过，从而降低探测噪声。HXMT卫星低能望远镜的遮光膜设计为“铝/聚酰亚胺/镍网”三层结构，铝膜厚度200nm左右，用以阻挡可见光，聚酰亚胺膜厚度在400nm左右，主要加强遮光膜的力学性能。两种材料对2keVX射线的透过率约为85％，暂无镍网的占空比数据，无法得出最后的透过率。若考虑占空比为80％，则2keV X射线的透过率约68％。

2、本发明与Wolter-I型对比

Wolter-I型X射线探测系统的工作原理示意见图5，其通过掠入射方式聚焦，并通过多层嵌套方式增加接收面积。随着聚焦镜口径的增大，X射线的掠入射角也随之增大，反射效率随之降低。倘若焦距要求较短，在保证效率的前提下，聚焦镜的口径必然受限。

下面从结构与性能上对Wolter-I型与折射型透镜系统进行对比分析。首先，根据前面的分析，在结构上，因镜片面积很大，同时为了实现X射线光子的掠入射聚焦，镜片表面粗糙度要求极高，约为0.5nm，故Wolter-I型镜片的加工难度很大，大面积的镜片所用材料较多，再加上多层嵌套的辅助结构，如轮毂等，增加了探测系统的整体重量；折射式的聚焦部分为轻质材料透镜，透镜薄，且材料密度低，即使100mm×100mm的探测面积，铍透镜的重量也不足2g，聚酰亚胺透镜重量相近，在重量上远低于Wolter-I型聚焦镜。另外，两种聚焦结构对表面粗糙度的要求不同，折射透镜表面粗糙度要求比反射聚焦镜片低1000倍。而且，折射聚焦方式可通过改变透镜开口尺寸和透镜单元个数来控制焦距，容易使焦距低于0.5m，大大低于Wolter-I型聚焦镜数米的焦距，因此，其体积上更具优势。

其次，从视场、角分辨率、探测效率等指标进行对比。折射式在2keV能量处的分辨率为30″时，视场为2.75′，视场较Wolter-I型小。在分辨率方面，基于玻璃直接抛光的聚焦镜(Chandra望远镜)至今保持着0.5″的分辨率记录，基于镍电铸镜片的聚焦镜也能实现优于30″的分辨率。总体而言，两种聚焦镜都能达到30″的角分辨率，Wolter-I型性能更高。

关于探测效率，对于Wolter-I型，主要取决于镜面反射率；对于折射型，主要取决于透镜透射率。Wolter-I型使用旋转抛物面和旋转双曲面两次反射，假定一次反射的聚焦效率为80％，则两次反射的总聚焦效率为64％；折射透镜的透射率与透镜材料、透镜开口尺寸和选择的工作波长有关。本发明所设计折射透镜用铍，开口尺寸为100μm，光子能量为2keV。根据计算，折射透镜的透射率约为61.8％。可见，Wolter-I型透镜的聚焦效率与折射透镜的聚焦效率基本相当。Wolter-I型透镜探测面积还取决于透镜孔径和嵌套层数；折射型透镜探测面积，除与透镜的孔径有关外，还与透镜阵列的大小有关。

实际上，Wolter-I型与准直型相比，在噪声水平、角分辨能力等方面具有较大优势，但其主要缺点是体积重量难以适于导航载荷要求，而且制造难度较大。针对这些问题，本发明提出了折射式聚焦和探测系统的解决方案。其主要意义在于：

(1)轻量化，是面向脉冲星导航的X射线探测系统所必须具备的特征，相较于基于多层嵌套结构的Wolter-I型X射线探测系统，阵列式折射透镜由于采用轻质材料与短焦距方式，在保证探测面积的前提下，大幅降低空间X射线探测系统重量与体积。

(2)降低技术难度，这是脉冲星导航终端发展的重要方向之一，Wolter-I型聚焦系统需要多层镜片嵌套，镜片粗糙度要求非常苛刻，技术工艺复杂度高、制造难度大、成本高；折射透镜系统利用较成熟的微纳制作技术，通过降低加工难度来降低制造成本。

相比于Wolter-I型X射线探测系统，X射线折射透镜在重量与体积上具有很大优势，可模块化拼接成所需面积，高角分辨率容易实现。重量和体积的降低又降低了卫星发射的成本。另外，制作难度的降低，也会降低经济成本，有利于其应用的推广。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，均应包含在发明的专利保护范围内。