高分辨率嵌套式X射线成像望远镜关键技术研究

The nested X-ray imaging telescope with high resolution and high effective collecting area are the base of the research on a variety of astronomical objects. The observing and imaging of the highly energetic object by using the X-ray imaging telescope with high performance make it possible to understand the formation and structure of the universe. The nested Wolter-I X-ray telescope has high-throughput, compact and good imaging properties and is also a hot topic in recent years for X-ray observational tools. There is not any successful example in China for making X-ray imaging telescope. It is very important in astrophysical science and applications to develop this kind of telescopes. This project will focus on the research of thin glass slumping, hot wire cutting, assembly and integration of X-ray imaging telescope with slumped glass segments in order to let the telescope with a few ten arc-seconds resolution. All of this research will lay the foundations for Chinese astrophysical developments.

高分辨率大集光面积的嵌套式X射线成像望远镜观测涉及到许多新的重要天文学问题，谁能优先得到高分辨率高灵敏度的观测结果，谁就能最先得到宇宙现象的新认识，谁就能占领高能天文学的学术制高点。嵌套式Wolter-I型X射线成像望远镜具有效聚光面积大、系统结构紧凑、成像质量好等特点，仍是目前国际上高分辨率X射线天文观测仪器研究的热点之一。尤其是我国尚未有成功研制的先例，迫使我国的许多卫星计划得不到有效开展。因此，研究高分辨率嵌套式X射线成像望远镜关键技术具有重要科学意义和应用价值。本项目将开展高分辨率嵌套式X射线望远镜用镜片的高精度制作与检验研究，探寻薄玻璃无缺陷切割方法，摸索超薄反射镜镜片嵌套式组装技术优化，研究高分辨率嵌套式X射线成像望远镜性能评价，实现亚角分甚至角秒量级分辨率的嵌套式X射线望远镜研制，支撑我国X射线天文观测的发展。

“重子缺失”问题是星系宇宙学长期未解开的一个谜，造成我们对星系形成与演化理解的很大不确定性。尽管细节有些差异，几乎所有理论模型都得出类似的结论：一部分“缺失”的重子物质分布在大尺度纤维状结构的热气体中，而另一部分则分布在星系周围的热晕里。由于预期的辐射在X 射线波段并且非常弱，现有的观测手段还无法提供数据来验证这个理论图像。高效率高分辨率X 射线成像光谱技术将是解决这个问题的关键。通过研制发射卫星及大视场、高效率、高分辨 X 射线成像和光谱观测手段，探测宇宙大尺度纤维状结构及星系周物质分布，致力于发现宇宙中“缺失”的物质的空间分布及其物理与化学性质，以取得完善星系形成与演化理论的突破性成果，具有的重要意义，并牵引“以我为主”的国际大科学计划。.为此，项目围绕高分辨率嵌套式X射线成像望远镜关键技术，在以下多个方面开展研究内容：嵌套式X射线成像望远镜用薄玻璃镜片的高精度制作与检测、薄玻璃镜片无缺陷切割、薄玻璃镜片嵌套式集成装配方法与技术优化、高分辨率嵌套式X射线成像望远镜性能评价等。在过去四年内已完成了全部的研究内容，并取得了显著的研究进展，突破了多项核心关键技术，制作了高精度的薄玻璃镜片，其表面面形：<30 角秒；中高频粗糙度：<0.5nm；优化了激光辅助无缺陷热丝切割工艺，薄玻璃镜片边缘无微小损伤和裂纹，满足了航天发射的力学性能要求；破解了薄玻璃反射镜镜片嵌套式组装的技术难题，完成了嵌套式望远镜的样机研制，其嵌套层数21 层，镜片的装配误差<30 角秒；在上海光源和德国PANTER装置上完成了多款嵌套式X射线成像望远镜的性能评价，特别是在上海光源上建立了完整的嵌套式X射线望远镜的测试装置、方法和数据分析，得到了角分辨率、集光面积等结果，其中，焦距2米的望远镜，分辨率达到~50角秒，相比于10米焦距的美国NuSTAR望远镜的精度提升了5倍，实测的望远镜角分辨率优于美国NuSTAR的水平，满足了我国“寻找丢失重子之谜HUBS”卫星对于望远镜性能的需求。