平行式Schmidt型龙虾眼X射线光学系统研究

　　引言

　　X射线的光学常数决定其很难通过折射的方式实现聚焦，通常采用掠入射反射的方式。典型的掠入射光学系统包括KB型光学系统、Wolter型光学系统等，这些光学系统虽然具有较高的空间分辨力，但是严重的离轴像差以及光学元件的反射特性使视场受到限制，如KB显微镜的视场只有约200μm，Wolter望远镜的视场只有角分量级[1-2]。龙虾眼(lobster-eye，LE)型光学系统源于模仿龙虾的视觉系统，由多个通道的掠入射反射镜构成，结构上的球对称性决定了它没有特定的光轴，任意方向上的聚焦能力都相同，因此具有其它X射线光学系统无法企及的大视场特性。Schmidt[3]与Angel[4]分别提出了两种不同结构的龙虾眼系统：Schmidt结构适合于大型、高集光面积的系统，Angel结构适合于小型轻便的系统[5]。

　　目前，龙虾眼光学系统主要应用于天文观测领域，作为ASM(all　sky　monitor)实现大视场巡天，例如ESA的Lobster-ISS计划[6];在安全检查仪器领域，美国物理光学公司正在研制基于龙虾眼光学系统的便携式X射线安检设备[7-9]，有望用于未来大型集装箱的安全检查;此外，龙虾眼系统的改良结构也正尝试应用于中子聚焦[10]。龙虾眼光学系统的大视场特性使其在未来的空间天文观测、大尺度等离子体诊断等领域都具有重要的应用前景。文中以Schmidt结构龙虾眼系统为基础，建立了有限物距的成像系统，演示了大视场下的X射线聚焦和成像特性。

　　1　初始结构设计

　　Schmidt型与Angel型龙虾眼系统的结构形式分别如图1和图2所示。

　　Angel结构是由许多排列在球面上的微小矩形元胞组成，与真实的龙虾眼相似，如果元胞足够小，Angel结构的分辨力可以达到角秒量级[11]。但是，元胞式的Angel结构制作方式较为复杂，难以获得较好的表面粗糙度。Schmidt结构由多组平面反射镜组成，以一维结构为基础，通过两个一维结构的正交叠加得到二维聚焦系统。相对于Angel型结构，Schmidt型结构适合于大型系统应用，其分辨能力较差，但因为方便在反射镜表面镀膜，因此可以扩展到较高的能量段。

　　Schmidt和Angel结构都是由两个正交的反射面，根据掠入射全外反射原理实现X射线的二维聚焦成像，其成像原理如图3所示，所有反射面中心沿周向均匀分布在半径为R的圆弧上，且延长线都通过这一圆弧的曲率中心C。

　　如图3(a)所示，物距无穷远时不同视场的光线将会聚在半径为r/2的像面上，虽然实现了大视场，但也导致其像面不再是平面而是以C为中心的球面。图3(b)为有限物距情况下，物点A发出的光线被不同位置镜片反射会聚在点A′，由于X射线全外反射临界角的存在，并非所有的镜片都被利用，当光线掠入射角度θ+小于全外反射临界角时，该反射镜才参与反射。如图所示，在物体具有一定尺寸的情况下，AB是以C为中心的一段圆弧，物点B发出的光线通过与A相同的方式会聚于B′，但利用了不同位置的镜片，图中下方部分镜片由于光线入射到其表面的角度超出全外反射临界角而不再参与反射，而上方参与反射的镜片数目会增加。此时可以认为是以BC连线作为光轴，所用参与反射的镜片均分布在光轴附近的小范围内，所以不同位置的点成像情形相同。物体尺寸继续增大，沿周向增加镜片就能实现更大视场的成像，这就是龙虾眼系统大视场的原因。此外，龙虾眼系统需要采用双面反射镜也是龙虾眼系统能够实现大视场的原因之一。