聚焦型X射线望远镜的统一蒙卡模型及其应用

The focusing X-ray telescope, which is the very important scientific instrument for X-ray astronomical observations, promoted the rapid development of X-ray astronomy, and is also the research focus in the future astronomical observation techniques. In order to optimize the design of the optical system, detector system and the radiation shielding of the focusing X-ray telescope， as well as estimate its scientific performance capabilities. In this project, we will build a unified monte-carlo model of the focusing X-ray telescope based on Geant4 and its extensions, which includes the grazing angle incidence X-ray tracing process and the scattering process of grazing angle incidence charged particles, as well as the interactions (such as electromagnetic interactions) between particles and materials. In addition, by monte-carlo simulations with this unified model and data analysis, we will (1) estimate the detection background by applying the orbital environment as input to optimize the radiation shielding design of the telescope, to reduce the radiation damage of the detector as well as to reduce the detection background to obtain better sensitivity; (2) investigate the scientific performances of the telescope for different kinds of X-ray sources.

聚焦型X射线望远镜是在X射线天文观测中的重要科学仪器，它推动了X射线天文学的快速发展，也是未来天文观测技术中的研究热点。为了聚焦型X射线望远镜的光学系统、探测器系统以及辐射屏蔽等结构的优化设计，以及望远镜的科学性能的估计。在本项目中，我们将利用软件包Geant4及其扩展程序包，建立聚焦型X射线望远镜的统一蒙卡模型，实现掠入射X射线的反射聚焦过程和掠入射荷电粒子的散射过程，以及X射线和其它粒子与物质的相互作用过程。并利用此模型，通过蒙卡模拟和数据分析的方式研究：(1)根据空间辐射环境，估计望远镜的探测本底水平，并研究其辐射屏蔽的优化设计，以改善探测灵敏度，减少探测器的辐射损伤；(2) 估计望远镜对其科学目标源的观测能力。

在国际上，聚焦型X射线望远镜技术已经成功而广泛地应用在了多个天文科学卫星上，也逐渐成为了我国空间观测领域的一个研究热点，但在我国，这项技术还处在起步发展阶段。聚焦光学系统是聚焦型X射线望远镜设计的基础，在其设计的过程中，需要通过模拟仿真的方式对其进行研究，包括单个光学器件以及整个光学系统的优化。为了顺利研制X射线聚焦望远镜，我们利用Geant4和Root软件，以EP卫星为平台，利用蒙特卡罗和统计分析的方法成功完成了统一蒙卡模型的核心功能模块，实现了掠入射X射线的聚焦过程。并通过与Q软件的相应结果进行定量地比较，验证了蒙卡模型的功能和可靠性。.基于这套蒙卡模型，我们对MPO龙虾眼光学进行了一系列研究，包括其有效面积，点扩展函数（PSF）等。并根据有效面积和成像质量，优化了光学镜片的关键设计参数，以及焦平面的位置。我们还模拟分析了由光学镜片的制造工艺和镜片的装配所引起的PSF的变形，从而评定镜片的质量，以及镜片安装过程中的误差因素，从而促进镜片的制造工艺和实验操作规范的改良。另外，对于EP的主要载荷WXT，我们研究了各种可能来源所产生的本底，并以减少本底计数率为原则，优化了望远镜的屏蔽设计，以及探测器的设计参数，包括探测器的镀膜和探测器的厚度。.本项目按照计划稳步推进，顺利完成，并发表一篇SCI文章，一篇国内核心期刊文章，以及一项软件著作权。