一種多層嵌套圓錐面型x射線掠入射光學鏡頭的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于空間光學技術領域，涉及一種掠入射光學鏡頭。
【背景技術】
[0002]X射線脈沖星導航適用于近地空間、深空探測和星際飛行航天器的完全自主導航，可為大多數(shù)空間任務航天器提供位置、速度、姿態(tài)和時間等全面的導航信息，實現(xiàn)航天器的完全自主導航，具有可靠性強、穩(wěn)定性好、精確性高、適用性廣等優(yōu)點，是一項極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦妥灾鲗Ш郊夹g，是提高航天器自主導航系統(tǒng)性能的極佳選擇，具有極其重要的工程實用價值和戰(zhàn)略研究意義。
[0003]X射線脈沖到達時間的測量精度決定X射線脈沖星導航的精度，通過設計X射線光學系統(tǒng)，增大有效集光面積，降低背景噪聲，提高測量脈沖輪廓的信噪比，可提高脈沖到達時間的測量精度，從而保證導航精度。適合脈沖星導航的X射線為軟X射線，能譜范圍一般為0.1keV?lOkeV，屬于軟X射線，普遍采用掠入射光學系統(tǒng)對其進行聚焦收集。
[0004]現(xiàn)有軟X射線掠入射光學鏡頭多采用Wolter-1型結構，通過拋物面主鏡和雙曲面次鏡的兩次反射將軟X射線聚焦在焦平面上，這種結構主要適用于軟X射線目標源的成像，但拋物面主鏡和雙曲面次鏡面形復雜，加工難度大，兩次反射降低了光學鏡頭的總反射率，拋物面主鏡和雙曲面次鏡的之間存在嚴格的耦合關系，需要精確對準才能實現(xiàn)軟X射線的聚焦，裝調難度大。
[0005]另外一種常用的軟X射線掠入射光學鏡頭為龍蝦眼型結構，這種光學鏡頭利用龍蝦眼睛成像的原理工作，可以實現(xiàn)大視場觀測(幾十到幾千平方度)，但其大視場將引入更多的本底噪聲，且瞬時有效面積小，降低了信噪比，僅適用于X射線巡天觀測和監(jiān)測。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術問題是:針對現(xiàn)有技術的不足，提供了一種適用于軟X射線聚焦的多層嵌套圓錐面型X射線掠入射光學鏡頭，利用多層圓錐面鏡片對軟X射線進行反射，將其聚焦于焦平面，實現(xiàn)軟X射線光子的大面積收集，具有結構簡單、有效面積大、抗雜散光干擾、環(huán)境適應性強、加工裝調簡單等優(yōu)點。
[0007]本發(fā)明所采用的技術方案是:一種多層嵌套圓錐面型X射線掠入射光學鏡頭，其特征在于，包括:鏡筒、前熱擋板組件、后熱擋板組件、前準直組件、前輻板、鏡片層、支撐桿、后輻板；鏡片層包括至少兩層嵌套的鏡片，鏡片為錐臺側面形狀的片狀結構且靠近前輻板一端截面的直徑較大，每層鏡片均同軸，每層鏡片內表面鍍有金屬膜；鏡片層套在支撐桿上，鏡筒套在鏡片層外側，鏡筒、鏡片層及支撐桿的一端與前輻板固定連接，另一端與后輻板固定連接；前準直組件包括準直片層和支撐結構，準直片層包括至少兩層嵌套的準直片，準直片為圓筒形，每層準直片均同軸，每層準直片與鏡片層的各層鏡片一一對應，每層準直片與對應的鏡片同軸且與鏡片靠近前輻板一端的半徑相等，準直片層安裝在支撐結構上，支撐結構安裝在前輻板和前熱擋板組件之間，準直片層嵌套在前熱擋板組件內，后熱擋板組件安裝在后輻板未與鏡筒連接的一側；所述前輻板或后輻板包括內圓環(huán)和外圓環(huán)，外圓環(huán)與內圓環(huán)同軸，通過至少兩根輻條相連，輻條與鏡片層接觸的一面開有環(huán)形槽，環(huán)形槽與鏡片一一對應，鏡片層的各層鏡片兩端分別嵌入前輻板和后輻板的輻條上的環(huán)形槽中；所述前熱擋板組件或后熱擋板組件包括內外兩個同軸的圓柱筒，且與各層準直片同軸，外層圓柱筒的直徑大于最外層準直片的直徑，內層圓柱筒的直徑小于最內層準直片的直徑，內外兩個圓柱筒通過輻條連接；X射線光子從前熱擋板組件進入，經(jīng)前準直組件準直后，穿過前輻板，到達鏡片層，在鏡片層上實現(xiàn)掠入射聚焦反射，聚焦反射后的X射線光子穿過后輻板和后熱擋板組件出射。
[0008]所述鏡片層的每層鏡片的圓錐臺的錐角均大于其內側一層鏡片的圓錐臺的錐角，每層鏡片的錐角α、半徑R和鏡片焦距f之間滿足tan a = R/f。
[0009]所述鏡片層的每一層鏡片的厚度均大于其內側一層鏡片的厚度，每層鏡片的厚度t與半徑R之比t/R為常數(shù)。
[0010]所述鏡片層的每層鏡片內表面粗糙度均小于0.5nm，面型精度均小于I μπι;鏡片材料為玻璃。
[0011]所述金屬膜的金屬元素原子序數(shù)大于等于77。
[0012]所述支撐桿兩端分別嵌入前輻板和后輻板的內圓環(huán)中，兩端對稱分布有用于對前輻板和后輻板定位的突起的環(huán)狀結構。
[0013]所述前熱擋板組件的外層圓柱筒沿軸向分為兩個區(qū)域，靠近前輻板的第一個區(qū)域的內表面貼裝有加熱帶和熱敏電阻，遠離前輻板的第二個區(qū)域與第一個區(qū)域之間使用隔熱材料實現(xiàn)熱傳導隔離；所述后熱擋板組件的外層圓柱筒的內表面貼裝有加熱帶和熱敏電阻。
[0014]所述前熱擋板組件或后熱擋板組件內表面的發(fā)射系數(shù)ε 0.85。
[0015]所述光學鏡頭還包括隔熱墊，安裝在支撐結構與前輻板之間或后輻板與后熱擋板組件之間。
[0016]所述準直片層、鏡筒、前輻板或后輻板的材料為銦鋼。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于:
[0018](I)本發(fā)明解決了對軟X射線的聚焦收集問題，能夠增大有效集光面積、降低背景噪聲、增大信噪比；利用超光滑圓錐面鏡片對軟X射線光子進行掠入射反射，并在圓錐面鏡片表面鍍金膜，以提高反射率；采用前準直組件限制視場，消減雜散光，提高鏡頭的信噪比；前熱擋板組件及后熱擋板組件減小熱損失，提供了穩(wěn)定的熱環(huán)境，保證光學性能的穩(wěn)定性，使得本發(fā)明具有抗雜散光干擾能力強、有效集光面積大、環(huán)境適應性強等優(yōu)點。
[0019](2)本發(fā)明采用不同于現(xiàn)有X射線成像光學系統(tǒng)的圓錐面型X射線掠入射光學鏡頭，彌補兩次反射系統(tǒng)中總反射率較低的不足；現(xiàn)有兩次反射光學系統(tǒng)中，前后兩個反射鏡之間存在嚴格的耦合關系，裝調難度極大，本發(fā)明提出的圓錐面型X射線掠入射光學鏡頭可大大降低裝調難度，具有很強的可實現(xiàn)性。
[0020](3)本發(fā)明的前熱擋板組件及后熱擋板組件通過加熱帶加熱的主動方式對鏡頭實施準確熱控，且鏡筒和鏡片層的材料熱膨脹系數(shù)接近，使鏡筒和鏡片之間的溫度梯度較小，熱變形較小，提高鏡頭光學性能的長期穩(wěn)定性。
[0021](4)本發(fā)明具有很強的可實現(xiàn)性和實用性，現(xiàn)有制造技術水平完全可以對其實現(xiàn)，本發(fā)明提出的圓錐面型X射線掠入射光學鏡頭可應用于地面X射線探測設備、空間X射線探測望遠鏡，以及X射線脈沖星導航敏感器。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明的剖視圖；
[0024]圖3為本發(fā)明的鏡片層示意圖；
[0025]圖4為本發(fā)明的鏡片層剖視圖；
[0026]圖5為本發(fā)明的前輻板示意圖；
[0027]圖6為本發(fā)明的后輻板示意圖；
[0028]圖7為本發(fā)明的前準直組件示意圖；
[0029]圖8為本發(fā)明的前熱擋板組件示意圖；
[0030]圖9為本發(fā)明的后熱擋板組件示意圖；
[0031]圖10為本發(fā)明的光路示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述:
[0033]如圖1和圖2所示，本發(fā)明提出了一種多層嵌套圓錐面型X射線掠入射光學鏡頭，包括:鏡筒1、前熱擋板組件2、后熱擋板組件3、前準直組件、隔熱墊6、前輻板7、鏡片層8、支撐桿9、后福板10。
[0034]如圖3和圖4所示，鏡片層8包括多層嵌套的鏡片，鏡片為錐臺側面形狀的薄片，每層鏡片均同軸，每層鏡片內表面鍍有金屬膜；每一層鏡片的圓錐臺的錐角均大于其內側一層鏡片的圓錐臺的錐角，每一層鏡片的厚度均大于其內側一層鏡片的厚度；每層鏡片靠近前輻板7 —端截面的直徑大于靠近后輻板10 —端截面的直徑；鏡片材料為玻璃；每層鏡片所鍍金屬膜的金屬元素原子序數(shù)大于等于77，以提高鏡片反射率，實現(xiàn)掠入射角為1.25°時X射線的反射率>68%@1.5keV。為了保證各層鏡片的焦點重合，各層鏡片的圓錐臺的錐角不同，錐角α、鏡片的半徑R和鏡片焦距f之間滿足tana =R/f，其中半徑R表示每層鏡片靠近前輻板7 —端截面的半徑，鏡片焦距f表示每層鏡片靠近前輻板7 —端到焦平面的距離；為了保證鏡片的剛度基本相同，須使鏡片的厚度t與鏡片的半徑R之比t/R為常數(shù)，一般取t/R = 3.5 X 10 3，其中，半徑R表示每層鏡片靠近前輻板7 —端截面的半徑。鏡片可采用熱壓成型、電鍍、拋光等工藝實現(xiàn)，須保證面形精度優(yōu)于I μ m，其中熱壓成型和電鍍工藝均需定制模具，每層鏡片需要一個模具，模具面形精度優(yōu)于0.5 μ m，表面粗糙度優(yōu)于0.4nm ;可采用磁控濺射、ALD等工藝進行鏡片鍍膜，鍍膜后保證粗糙度小于0.5nm。
[0035]如圖5所示，前輻板7采用銦鋼材料，前輻板7包括內圓環(huán)和外圓環(huán)，兩個圓環(huán)同軸，外圓環(huán)上有與外部結構固定的耳片，外圓環(huán)與內圓環(huán)通過多個輻條相連，輻條的個數(shù)可根據(jù)鏡頭的整體尺寸改變，每個輻條與鏡片層8接觸的一面開環(huán)形槽，環(huán)形槽與每層鏡片一一對應，用于固定鏡片，環(huán)形槽深度為2mm，環(huán)形槽寬度為0.3mm，每個環(huán)形槽距的前輻板7中心的距離與對應的鏡片的半徑相同。
[0036]如圖6所示，后輻板10與前輻板7類似，采用銦鋼材料，后輻板10包括內圓環(huán)和外圓環(huán)，兩個圓環(huán)同軸，外圓環(huán)與內圓環(huán)通過多個輻條相連，輻條的個數(shù)可根據(jù)鏡頭的整體尺寸改變。每個輻條與鏡片層8接觸的一面開環(huán)形槽，環(huán)形槽與每層鏡片一一對應，用于固定鏡片，環(huán)形槽深度3mm，環(huán)形槽寬度0.4mm，每個環(huán)形槽距前輻板7中心的距離與對應的鏡片的半徑相同。
[0037]如圖7所示，前準直組件包括準直片層4和支撐結構5。準直片層4包括多層嵌套的準直片，準直片為圓筒形的薄片，每層準直片均同軸，每層準直片與鏡片層8的各層鏡片一一對應，每層準直片的軸向長度從內層向外層線性減小，每層準直片厚度為0.2mm，小于對應鏡片的厚度，以避免遮擋，采