一种嵌套式分段型类Wolter-I型结构及其设计方法技术

本发明专利技术涉及一种嵌套式分段型类Wolter‑I型结构及其设计方法，应用于X射线望远镜，包括依次设置的主镜、次镜和探测器，所述主镜和次镜均由多个反射镜嵌套而成，所述次镜分段为次镜前段和次镜后段，平行光线经主镜、次镜前段或经主镜、次镜后段反射至探测器。本发明专利技术将嵌套式类Wolter‑I型结构中的主镜保持不变，其次镜分成两段圆锥面镜，两段圆锥面镜分别将光线会聚到像面。该结构具有中等的系统分辨率及较低的制作难度和成本。在理论上，相比于嵌套式类Wolter‑I型结构，本发明专利技术的系统分辨率能够提高一倍，而集光面积仅下降约5％，且其制作难度和成本仍然能控制在较低的水平。

【技术实现步骤摘要】
一种嵌套式分段型类Wolter-I型结构及其设计方法
本专利技术涉及掠入射X射线望远镜研制领域，尤其是涉及一种嵌套式分段型类Wolter-I型结构及其设计方法。
技术介绍
在X射线天文观测领域，掠入射反射式成像望远镜扮演者极其重要的角色，掠入射反射式成像结构主要包括Wolter-I型结构、龙虾眼结构和Kirkpatrick-Baez型结构，其中，X射线成像望远镜主要采用Wolter-I型结构。德国科学家HansWolter于1952年提出三种应用于X射线显微镜的掠入射反射式结构，三种结构均由两个同轴共焦的旋转对称的圆锥曲面构成。Wolter结构近似满足阿贝正弦条件，能够消除系统的轴上像差。VanSpeybroeck和Chase于1972年指出，Wolter-I型结构能够应用于X射线天文观测领域，该结构是由一对同轴共焦的旋转抛物-双曲面构成。为了获得更大的集光面积，人们提出了嵌套结构，从而，嵌套式Wolter-I型结构成为了X射线望远镜最具代表性的结构。之后，为了降低Wolter-I型结构中抛物-双曲面镜的加工和制作难度，人们提出了圆锥近似结构，即类Wolter-I型结构。因为Wolter-I型结构中的抛物-双曲面镜的曲率半径非常大，所以可用圆锥面代替二次曲面，其缺点就是轴上点不能完善成像，一定程度上损失了系统分辨率。随着X射线天文观测事业的发展，对X射线望远镜的集光面积和分辨率的要求越来越高。集光面积的提高可以通过嵌套层数、反射镜及其所镀膜层方面着手，而系统结构、反射镜的质量和装调精度是影响分辨率的主要因素，反射镜的质量和装调精度均可以通过优化工艺来实现。就系统结构而言，目前最常用的两种望远镜结构Wolter-I型望远镜和类Wolter-I型望远镜存在以下问题：能获得高分辨率的Wolter-I型望远镜制作困难且造价高昂，比如美国于1999年发射的Chandra望远镜，虽然其分辨率高达0.5”，但仅其4层嵌套层，共8组镜片，花费的成本就高达15.5亿美元，耗时10多年完成；而制作难度和成本相对较低的类Wolter-I型望远镜因其结构特点，其分辨率会下降到几十个角秒甚至更大，比如美国2012年发射的NuSTAR望远镜的分辨率约43”，日本2016年发射的ASTRO-H望远镜的分辨率约100”。由此可见，需要提出一种新的设计结构，在提高分辨率的同时，保障有效集光面积、控制制作工艺难度、花费和时间。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种嵌套式分段型类Wolter-I型结构及其设计方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种嵌套式分段型类Wolter-I型结构，应用于X射线望远镜，包括依次设置的主镜、次镜和探测器，所述主镜和次镜均由多个反射镜嵌套而成，所述次镜分段为次镜前段和次镜后段，平行光线经主镜、次镜前段或经主镜、次镜后段反射至探测器。进一步地，所述主镜和次镜前段间的轴向间距与所述次镜前段和次镜后段间的轴向间距相等。进一步地，所述次镜前段和次镜后段均采用圆锥面镜。一种如所述的嵌套式分段型类Wolter-I型结构的设计方法，包括以下步骤：1)设定主镜、次镜前段、次镜后段的初始参数；2)计算次镜分段前，即嵌套式类Wolter-I型结构的最外层反射镜的主镜和次镜的位置；3)根据步骤2)计算次镜前段内边缘半口径和次镜后段外边缘半口径；4)逐一计算其余各嵌套层的结构参数。进一步地，所述初始参数包括反射镜厚度t、主镜和次镜前段间的轴向间距以及次镜前段和次镜后段间的轴向间距gap、主镜轴向镜长L、次镜前段轴向镜长以及镜后段轴向镜长(L-gap)/2、系统焦距f、嵌套层数N和系统外半口径R。进一步地，所述嵌套式类Wolter-I型结构的最外层反射镜的主镜和次镜的位置的计算过程包括：201)计算最外层结构的掠入射角θ1：202)计算最外层主镜外半口径Rout1、主镜内半口径Rin1、次镜外半口径rout1和次镜内半口径rin1：进一步地，所述步骤3)具体包括：301)求解下列方程获得最外层次镜前段倾角α1和最外层次镜后段倾角β1：302)计算最外层次镜前端内边缘半口径rmid11与最外层次镜后段外边缘半口径rmid21：进一步地，所述各嵌套层的结构参数包括第i个嵌套层的主镜外半口径Routi、主镜内半口径Rini、次镜外半口径routi、次镜内半口径rini、次镜前端内边缘半口径rmid1i、次镜后段外边缘半口径rmid2i以及掠入射角θi，其中i为嵌套层的序数，为2到N的正整数，i由小到大依次表示嵌套层由外向内。进一步地，所述步骤4)中，考虑相邻两层结构的不挡光条件：Δi＝L×tan(2αi-2θi)+t其中，Δi为相邻外层次镜前端后边缘与内层次镜后段前边缘的径向间隔。进一步地，所述各嵌套层的结构参数通过以下公式获得：rini＝routi-1-Δirouti＝rini+L×tan(3θi)与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、分辨率高：本专利技术将分段设计为次镜前段和次镜后段，对于每一嵌套层，轴向平行光入射时，主镜分别反射到两个分段次镜中心的光线，将被两个分段次镜分别反射至像面中心，相较于现有类Wolter-I型结构，本专利技术系统分辨率能够提高一倍，但其集光面积仅损失约5％。2、制作难度和成本较低：本专利技术结构简单易操作，相较于Wolter-I型结构，本专利技术结构的制作难度和成本要低得多。3、集光效率高：本专利技术在设计各层结构的参数时考虑不挡光条件，在轴向平行光入射时，内层次镜后段内边缘恰好不挡外层次镜前段外边缘的反射光线，这种结构能够最大化系统轴上集光面积。附图说明图1为嵌套式类Wolter-I型结构示意图；图2为嵌套式分段型类Wolter-I型结构示意图；图3为嵌套式分段型类Wolter-I型结构各参数定义示意图；图4为嵌套式类Wolter-I型结构的点列图；图5为嵌套式分段型类Wolter-I型结构的点列图；图6为分段型结构与不分段结构的轴上有效集光面积曲线；图7为七种不同膜系的反射率曲线。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。为了在嵌套式类Wolter-I型结构的基础上，使X射线望远镜获得更高的分辨率，本专利技术实现一种应用于X射线望远镜的嵌套式分段型类Wolter-I型结构，该结构基于嵌套式类Wolter-I型结构实现。嵌套式类Wolter-I型结构如图1所示，Z轴代表光轴，轴向平行光1经过主镜2，反射至次镜3，然后会聚到位于像面的探测器4上。如图2所示，本专利技术的嵌套式分段型类Wolter-I型结构包括依次设置的主镜2、次镜和探测器4，主镜2和次镜均由多个反射镜嵌套而成，其中，次镜分段为次镜前段31和次镜后段32，平行光线1经主镜2、次镜前段31或经主镜2、次镜后段32或经主镜2、次镜前段31、次镜后段32会聚到位于像面的探测器4上。主镜1和次镜前段31间的轴向间距与次镜前段31和次镜后段32间的轴向间距相等。次镜前段31和次镜后段32均采用圆锥面镜，两段圆锥面镜分别将光线会聚到像面。如图3所示为嵌套式分段型类Wolter-I型结构的结构参数示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种嵌套式分段型类Wolter‑I型结构，应用于X射线望远镜，包括依次设置的主镜、次镜和探测器，所述主镜和次镜均由多个反射镜嵌套而成，其特征在于，所述次镜分段为次镜前段和次镜后段，平行光线经主镜、次镜前段或经主镜、次镜后段反射至探测器。

【技术特征摘要】
1.一种嵌套式分段型类Wolter-I型结构，应用于X射线望远镜，包括依次设置的主镜、次镜和探测器，所述主镜和次镜均由多个反射镜嵌套而成，其特征在于，所述次镜分段为次镜前段和次镜后段，平行光线经主镜、次镜前段或经主镜、次镜后段反射至探测器。2.根据权利要求1所述的嵌套式分段型类Wolter-I型结构，其特征在于，所述主镜和次镜前段间的轴向间距与所述次镜前段和次镜后段间的轴向间距相等。3.根据权利要求1所述的嵌套式分段型类Wolter-I型结构，其特征在于，所述次镜前段和次镜后段均采用圆锥面镜。4.一种如权利要求2所述的嵌套式分段型类Wolter-I型结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)设定主镜、次镜前段、次镜后段的初始参数；2)计算次镜分段前，即嵌套式类Wolter-I型结构的最外层反射镜的主镜和次镜的位置；3)根据步骤2)计算次镜前段内边缘半口径和次镜后段外边缘半口径；4)逐一计算其余各嵌套层的结构参数。5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述初始参数包括反射镜厚度t、主镜和次镜前段间的轴向间距以及次镜前段和次镜后段间的轴向间距gap、主镜轴向镜长L、次镜前段轴向镜长以及镜后段轴向镜长(L-gap)/2、系统焦距f、嵌套层数N和系统外半口径R。6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述嵌套式类...

【专利技术属性】
技术研发人员：王占山，廖颖宇，沈正祥，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31