一种锥形结构Wolter-I型X射线聚焦光学系统及其设计方法

本发明属于光学精密机械，具体涉及一种锥形结构wolter-i型x射线聚焦光学系统及其设计方法。

背景技术：

1、随着x射线空间观测的发展，一系列空间天文卫星陆续发射，x射线聚焦望远镜的需求越来越广泛。wolter-i型聚焦镜依靠其多层嵌套结构可以获得更大的有效面积和更高的空间分辨率，成为了x射线空间观测领域的主流聚焦光学系统。x射线经抛物面和双曲面两次反射到达焦点，多层嵌套后可显著提高有效集光面积。然而，聚焦镜外层镜片由于x射线掠入射角度大反射率较低，对光学系统有效面积的贡献较小，这极大限制了聚焦镜性能指标的进一步提升。为满足x射线空间观测任务对宽视场、高分辨率、大有效面积光学系统的需求，可制造性约束条件下轻量化x射线聚焦镜设计成为了亟需解决的问题。

技术实现思路

1、为了克服x射线聚焦镜外层镜片存在的x射线掠入射角度大、反射率较低、对光学系统有效面积贡献较小的不足，本发明提出了一种锥形结构wolter-i型x射线聚焦光学系统及其设计方法。

2、本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

3、一种锥形结构wolter-i型x射线聚焦光学系统，包括镜片、锥形轮毂、遮光轴、镜头外壳和法兰；其中：

4、所述镜片为锥形结构，由数层单镜片嵌套组成，数层单镜片为同一光轴；

5、所述锥形轮毂用于支撑和固定镜片；

6、所述遮光轴用于遮挡无效口径中的入射光子；

7、所述镜头外壳用于包络镜片；

8、所述法兰用于锥形轮毂和遮光轴、镜头外壳的连接。

9、上述的x射线聚焦光学系统，所述镜片总层数为40层，单镜片的厚度为0.1mm；最内层单镜片直径为80mm，镜壳长度为250mm；每层单镜片的镜壳长度随直径增加而线性增大；最外层单镜片直径为180mm，镜壳长度为300mm。

10、锥形轮毂共有9根辐条，每根辐条上设置凹槽，单镜片位于凹槽中，锥形轮毂与镜片胶接。

11、遮光轴外径为75mm，高度为250mm。

12、镜头外壳内径为185mm，高度为320mm。

13、上述的x射线聚焦光学系统，所述镜片为镍钴合金，镀有幂律分级堆栈pt/c多层膜。

14、上述的x射线聚焦光学系统，所述镜片镀有pt/c多层膜中，最大双层厚度为2nm～11.5nm，pt层与双层厚度之比为0.72。

15、上述的x射线聚焦光学系统，锥形轮毂为inconel 600材料。

16、上述的x射线聚焦光学系统，所述遮光轴为铝合金材料。

17、上述的x射线聚焦光学系统，所述镜头外壳为铝合金材料。

18、上述的x射线聚焦光学系统，所述法兰为inconel 600材料。

19、一种设计锥形结构wolter-i型x射线聚焦光学系统的方法，包括镜片设计；

20、所述镜片设计，采用总评价函数优化镜片参数和响应特性。

21、所述总评价函数为考虑点扩散函数的评价函数、考虑能量包围函数的评价函数、考虑最小散射的评价函数、考虑最大有效面积的评价函数的乘积。

22、上述的设计x射线聚焦光学系统的方法，所述考虑点扩散函数的评价函数为c*exp{-(hpd-25″)2/[2*(20″)2]}，其中c为标准化因子，取值为1.3，hpd为半功率直径。

23、所述考虑能量包围函数的评价函数为目标点上的能量包围函数与视场边缘附近的能量包围函数的比值。

24、所述考虑最小散射的评价函数为一个直径为1′的圆内所包含的到达焦平面的光线的比例。

25、所述考虑最大有效面积的评价函数为有效面积与整个光学系统可实现最大有效面积的比值。

26、本发明的有益效果是：

27、一种锥形结构wolter-i型x射线聚焦光学系统，采用锥形结构多层嵌套镜片，通过增加镜头外壳长度弥补了外层镜片由于x射线掠入射角度大而反射率低的不足，显著提高外层镜片对整个光学系统有效面积的贡献。

28、一种锥形结构wolter-i型x射线聚焦光学系统，采用锥形结构多层嵌套镜片，焦平面偏移量随镜壳直径增大而减小，可有效提高离轴角分辨率，相比传统采用相同长度多层嵌套镜片的聚焦光学系统具有更宽的视场。

29、一种锥形结构wolter-i型x射线聚焦光学系统，采用幂律分级堆栈pt/c多层膜，不同能量光子在堆栈的不同深度反射，通过不同界面反射的干涉叠加，获得更高的积分光子通量，有效提高了镜片的反射率和能量响应范围。

技术特征：

1.一种锥形结构wolter-i型x射线聚焦光学系统，其特征在于，包括镜片(1)、锥形轮毂(2)、遮光轴(3)、镜头外壳(4)和法兰(5)；

2.根据权利要求1所述的x射线聚焦光学系统，其特征在于，所述镜片(1)总层数为40层，单镜片的厚度为0.1mm；最内层单镜片直径为80mm，镜壳长度为250mm；

3.根据权利要求1所述的x射线聚焦光学系统，其特征在于，所述镜片(1)为镍钴合金，镀有幂律分级堆栈pt/c多层膜。

4.根据权利要求3所述的x射线聚焦光学系统，其特征在于，所述镜片(1)镀有pt/c多层膜中，双层厚度为2nm～11.5nm，pt层与双层厚度之比为0.72。

5.根据权利要求1所述的x射线聚焦光学系统，其特征在于，所述锥形轮毂(2)为inconel 600材料。

6.根据权利要求1所述的x射线聚焦光学系统，其特征在于，所述遮光轴(3)为铝合金材料。

7.根据权利要求1所述的x射线聚焦光学系统，其特征在于，所述镜头外壳(4)为铝合金材料。

8.根据权利要求1所述的x射线聚焦光学系统，其特征在于，所述法兰(5)为inconel600材料。

9.一种设计权利要求1至8任一的x射线聚焦光学系统的方法，其特征在于，包括镜片设计；

10.根据权利要求9所述的设计x射线聚焦光学系统的方法，其特征在于，所述考虑点扩散函数的评价函数为c*exp{-(hpd-25″)2/[2*(20″)2]}，其中c为标准化因子，取值为1.3，hpd为半功率直径；

技术总结
本发明涉及一种锥形结构Wolter‑I型X射线聚焦光学系统及其设计方法，属于光学精密机械技术领域，解决X射线聚焦镜外层镜片存在的X射线掠入射角度大、反射率较低、对光学系统有效面积贡献较小的技术问题，其X射线聚焦光学系统包括镜片、锥形轮毂、遮光轴、镜头外壳和法兰，镜片为锥形结构，由数层单镜片嵌套组成，数层单镜片为同一光轴。其设计X射线聚焦光学系统的方法，包括镜片设计，所述镜片设计，采用总评价函数优化镜片参数和响应特性，所述总评价函数为考虑点扩散函数的评价函数、考虑能量包围函数的评价函数、考虑最小散射的评价函数、考虑最大有效面积的评价函数的乘积。

技术研发人员：郑人洲,强鹏飞,闫永清,李悦,盛立志,杨彦佶
受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/12/2