空间极紫外太阳望远镜光学性能研究（已处理）

空间极紫外太阳望远镜光学性能研究（已处理） 中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 博士学位论文 空间极紫外太阳望远镜光学性能研究 姓名:陈波 申请学位级别:博士 专业:光学 指导教师:陈星旦;李福田 20030101 长春光学精密机械与物理研究所 博士学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在指 导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本文完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名:徽 2003年7月2口日 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士学位论 文 摘要 随着空间技术和短波光学技术的发展，空间软x射线――极紫外波段观测 研究逐渐成为空间天文学研究的重要组成部分，尤其是在这一波段的空间对日 观测已成为天文学研究的重点。本文根据空间平台上高分辨率对日观测的需要， 发计出一种可以在四个极紫外波段对目同时成像多光谱太阳望远镜 EUT :研 究了极紫外 EUV 波段太阳望远镜光学传输特性;提出了真空紫外波段在轨指 向的标定，解决了高精度指向标定问;研制出一台17(1nm望远镜的地面 样机，验证EUT设计的可行性，攻克了部分关键的技术难关;为进一步的研究 工作奠定了基础。 本文工作中采用EUV波段正入射成像技术，设计出可在13(Ohm、17(1nm、 30(4nm和19(5nm波段同时成像的望远镜。其中前三个波段望远镜的视场为 8(5’×8(5，，角分辨率O(5”;19(5nm波段望远镜为85’x85’全日面观测望远镜， 角分辨率5”。 EUT由前端滤光片组、多层膜正八射光学系统、消杂光滤光片组、探测器和 真空保护舱五个部分组成。由于EUV波段光学元件特有的光谱特性，每个光学 元件的性能指标对EUT的传输效率及成像质量都有重要的影响。本文研究了不 同材料在EUV波段吸收特性，设计出适合空间应用的滤光片组，在13(Onm 波段 采用Si―Zr―Si的夹层型滤光片，透过率为70,;在其它三个波段采用铝膜滤光 片，透过率在45,一65,之间。研究了多层膜的带宽匹配问题及不同入射角度对 反射率的影响，计算出EUT在不同波段的传输效率和传输系数。 为了解决EUT在轨指向偏差的标定问题。在EUT的前端和消杂光滤光片组 实现EUT的四个望远镜在同,波段对日成像。研究由不同波段望远镜获得的太 阳图像处理的方法，建立相应的数学模型，编制计算程序，进行模拟图像处理， 实现不同望远镜间的指向偏差标定。建立地面演示实验装置，验证此在轨标定 方法的可行性。 为验证关键技术，设计出一台焦距3750mm，视场8(5’×8(5’，角分辨率0(5” 的望远镜。望远镜主镜为球面，次镜为平面，所用反射镜为在熔石英基底上镀 制Mo,Si多层膜的EUV波段反射镜，在17(Inm的反射率25,，反射率的均匀性 ?2+5,。在关键技术攻关的基础上，集成出一台17(1nm望远镜。 关键词:空间极紫外多层膜望远镜在轨标定 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士学位论文 Abstract and isan The observationinsoft extreme space x-ray ofthe andaneffectivesolarobservationmethod importantportion spaceastronomy we a solar thisthesis EUVmulti developedincreasingly(In designed spectrumspace onthe of resolutionandwidefieldof telescope EUT basedrequirementhighangular viewforsolar thetransmission ofEUT: observations:investigatedperformance inventedamethodof calibrationonthe orbitand the EUT solved pointinR space high calibration a of17(1nm precisionpointing problems;constructedprototype telescope( testedthe ofEUT some possibilitydesign，anddevelopedcutting-edgetechniques( isincluded and19(5nmfour whose EUT in13(0nm(17(1rim(30(4nm telescopes 7 formerthree havenarrowfieldsofviewof8(5’×8(5and resolutionsof telescopes high awidefieldofviewof85’x85‘andamoderateresolution O(5”(andtheotheronehas of5(O”forfullsolardisk image( EUTis offour of comprisedpre(filters，fourpiecesmnltilayeroptics， fonrstray andavacuumchamber(Sincethe detectors lightrejectionfilters，four special are characteristicsofEUV andthetransmission components(theimagingquality restrietedthe ofEU―Somefiltershavebeen for severely by components designed EUTafterthestudiesofthematerials inEUV range(We absorbingperformance a13(Onmfilterwith70,transmissionofasandwichstructureof optimized composed filtersarealuminumfilmwiththetransmission Si(Zr-Si otherthree layers(The between45,and65,(Themirrorswithdifferent characteristics multilayers，their transmissioninthe andinfluencewithincidence(havebeenstudiedto the improve inwhich ofthe wascalculated( transmission system emciencysystem For calibrationonthe studied orbit，we realizinghighprecisionpointing space ofthesolar amath a sometreatmentmethods pictures(builtup model，made calculationanddealtwithsomesimulationsolar direction proglfaln images(The deviationsbetweendifferent arecalibrated(Inorderto above telescopes approach insolar aVUVfilteronthe wheel transmission target(weapplied pre―filterwi血high thesolar Haline，ThesolarVUVradiationreachesdetectors thefilter(Then through dilyerent each deviationbetween areobtained H?images by telescope(Theangle foundout the fromthedifferent andthe is telescopes telescopes bycomparingimages isrealized( calibrationofthesolar deviation point For the a of developedprototypetelescope testingcuttingedgetechniques，we whichhasanarrowfieldofviewof8(5’×8(5’and resolutionof0(5”(The highangular a the ismadea concave and deposited primaryplanesecondary prototypeby sphere Mo,Si onttlefused substrates(The andthe multilayer quartz reflectivitypeak uniformitvoftIle mirrorsare 25, andaround reflectivity multilayer respectively ?2(5,at17(1nln( onorbit( Keyword:space，EUVmultilayer,telescope，calibration II 第一章绪论 第一章绪论 ?1(1空间X射线――极紫外波段望远镜研究发展状况 由于地球大气层的吸收，X射线――紫外波段的天体辐射无法到达地面，因 此，只有在空间才能实现对天体该波段的观测。近20年来，随着空间技术的日 趋成熟，在空间平台上的观测成为现实，空间天文学研究逐渐成为天文学研究的 热点，并取得了一系列令世人瞩目的研究成果。其发展带动了天文学研究的进 步，也促进了相关学科的发展。 太阳是距离地球最近恒星，人类的活动尤其是航天活动受太阳活动的影响最 严重。作为探索自然的前沿和空间环境预报的需要，太阳和日球层物理性质的探 测成为世界各国首选内容，并给予优先支持。各国为此发射了130余个航天器， 至今，天上仍然有近20颗航天器在运行。美国在二十一世纪的前10年内投 入数十亿美元，再发射50颗此类航天器。随着这些天文探测器的陆续发射和在 空间运行，空间光学技术也得到了飞速的发展，一批性能优异的空间观测光学仪 器相继问世，尤其是美国与欧洲近来特别注重EUV波段成像技术的开发，研制 出各种类型的EUv波段望远镜。在这些空间观测仪器中，无论是在计划研制的 SOLAR ORBITER和HIRES卫星上，还是正在空间运行的太阳和日球天文台 EUV波段成像望远镜都已成为主角。由此可见，EuV波段在太阳活动的诊断与 预报方面具有举足轻重的作用，EUT的研究有重要的科学意义和广阔的应用背 景。 1(1(1空间x射线――极紫外成像观测 早在1962年人类就开始利用火箭探索天体的x射线辐射。虽然火箭在大气 外的飞行时问只有短短的5分钟时间，但也足够完成许多新发现。例如发现了 蟹状星云是x射线源，还发现了一些其他亮的可变的恒星级x射线源，甚至象 银河系以外的天体M87也是x射线源。除此之外，还知道存在比较强的宇宙x 射线背景辐射。这时期对天体的x射线辐射研究以新发现为主，而深入的研究 博士学位论文题目:空间极紫外太阳望远镜光学性能研究 必须由可长期在地球大气层外工作的卫星上的x射线观测仪器完成。 1970年自由号 Uhuru X射线卫星发射标志x射线天文学的正式诞生。它 不仅完成了首次的x射线的巡天，把发现的x射线源从30个增加到三百余个， 而且它从恒星级X源的变化性质证认出是X射线食双星，一方面它把天体中, 种重要过程――吸积从理论上给予空前的重视，并发展成为吸积天体物理。另 一方面它证认出双星系统中一个应是致密星一中子星和黑洞。尤其对后者，使 得黑洞不仅是理论的预言而且成为可能实际证认的天体。它还发现星系团相关 联的气体具有强的x射线发射能力。超新星遗迹也成了x射线天文观测研究的 主要目标。 1978年爱因斯坦天文台发射是x射线天文的又一个里程碑。它首次采用掠 射式x射线望远镜聚焦和大面积成像正比计数器对宇宙源进行观测。这使卫星 探测X射线的灵敏度和角分辨率都大大提高，保证能检测到弱源，从而使x射 线天文研究从银河系内走到银河系外。它最重要的贡献在于发现类星体和活 动 星系核是最强的x射线发射天体。另外，它还发现x射线源中包括各种类型的 天体，有恒星形成区，正常恒星和正常星系。 90年代发射的ROSAT卫星和爱因斯坦卫星同样工作在软x射线波段。它的 一项主要任务是执行X射线巡天。由于它有极低的仪器噪声，因此，在探寻更 弱的X射线源上有极强的能力。它巡天的结果发现了8万个x射线源，比之Uhuru 巡天的三百多源提高了二个量级。首先检测到活动星系核中Fe 6,7keV x 射线发射线的是1987年发射的Ginga卫星。因为其能量分辨率还很低，在6keY 只有5，谱线极不清楚。此后1993年发射的ASCA卫星上掠射x射线望远镜， 采用CCD探测器，使能量分辨率提高到50，成为第一个工作波段lOkeV的具有 x射线聚焦系统的X射线卫星。它成功地探测到源于活动星系核的FeK。线， 并系统研究了活动星系核，得出活动星系核中心发射区是极强吸引力场区，有 力地支持了大质量黑洞的存在。 1999年搭载美国哥伦比亚航天飞机发射升空的x射线望远镜AXAF，它兼有 高的角分辨本领和高的能量分辨本领。前者超过地面天文的角分辨本领，后者已 相当于地面的光谱仪的能力。因此，它对天体的X射线发射特性研究有质的提高。 第一章绪论 1(1(2太阳X射线――紫外波段观测 太阳紫外和x射线辐射对于研究太阳大气，尤其是色球和日冕的结构极为 重要。因为太阳光球主要波段的辐射可延伸到160nm附近，色球的主要辐射集 射也包含着太阳高层大气和太阳活动现象的重要信息。同时，太阳短波辐射和 粒子流又是形成地球电离层和产生某些地球物理效应的能量来源，因此对它们 的研究有着重要意义，而这些研究只能借助于空间太阳观测进行。 空间太阳观测始于第二次世界大战之后，在20世纪40至50年代，主要是 利用探空火箭观测太阳的紫外和X光辐射。美国海军研究室 NRL 从1946年 开始用V一2火箭携带紫外光栅摄谱仪拍摄了直到2lOnm的太阳紫外光谱。随后 的观测逐步向更短波长推进，直至延伸到25nm的极紫外波段。同时，还利用光 度计、光子计数器和电离室 有各种透射窗口和充填气体 等核物理技术，探 测各种波段的太阳x射线辐射强度。在50年代，他们用V一2和Aerobee火箭监 测了几乎一个太阳活动周的X射线流量及其变化，发现了太阳耀斑期间X射线 辐射增强和光谱辐射波长变短的现象。1959年和1960年，分别拍摄到太阳Ly n 121(6nm 单色像和X射线单色像。在这些照片上，可以看到太阳活动区上真 空紫外辐射和x射线的位置和强度。 60年代以后，美国和前苏联开始利用人造卫星对太阳进行更加多样化的大 量观测。美国海军研究室在1960一1976年间发射了11颗“太阳辐射观测” Solarad 卫星系列，其主要任务就是长期连续监视太阳的紫外和x射线辐射 OSO 卫星系列，取得了许多重要的观测成果。它们的观测包括高质量的太阳 紫外和远紫外光谱，日冕、活动区和耀斑的x射线辐射，以及Ly?、远紫外和 X射线波段的太阳单色像，并且由OSO一4观测成功地证实了冕洞的存在。OSO一8 配各有观测耀斑紫外光谱的设备，它获得的耀斑光谱资料，用于研究耀斑期间 活动区和耀斑本身的温度和密度变化过程，以及耀斑能量的传播途径。 在利用近地卫星观测太阳电磁辐射的同时，美国和前苏联发射了一批进入 地球磁层以外的行星际探测器 深空探针 ，它们主要观测太阳的粒子流 包括 太阳风和耀斑发射的高能粒子 、太阳磁场和行星际磁场，以及太阳活动的地磁 博士学位论文题目:空间极紫外太阳望远镜光学性能研究 效应。1959年前苏联“月球”2号和3号，以及1961年美国的“探险者”和“水 手”等卫星先后对太阳风进行直接探测，证实了太阳风现象，并取得了太阳风 的平均密度和速度等基本资料。同时，还观测到耀斑后几分钟有高能粒子到达 地球和一二天后大量等离子体到达地球的现象。美国于1963,1973年间发射的 由10个“探险者”卫星组成的“行星际监测台” IMP 和前苏联于1972年发 射的“预报者”行星际监视台系列，对太阳的粒子发射和行星际磁场进行了长 期监测，取得大量资料。 美国于1973年发射了载人科学实验卫星“天空实验室” Skylab ，标志着 太阳空间观测进入了一个新阶段。“天空实验室”的主要科学目标之一就是观测 太阳。它所携带的“阿波罗望远镜组合” ATM 上装载9种太阳观测仪器，包 括白光日冕仪、紫外光谱仪、远紫外光谱仪、远紫外单色光照相仪、x射线望 远镜、x射线光谱仪、Hq照相机和电视摄像机等。在它200多天的飞行期间， 取得了3万多张白光日冕照片和2万多张太阳x光照片。观测到一百多次太阳 物质抛射现象，以及日冕和日珥结构的变化。更为难得的是观测到1973年6 月15日一个2级耀斑发展过程中的紫外光和x射线单色像，以及该耀斑的紫外 和x射线谱。 1980年2月发射的美欧合作观测卫星“太阳极大年使者” sMM 和日本于 间，它们的主要目标是观测太阳耀斑。SMM上有太阳x射线成像和光谱观测仪， 以及Y射线、日冕和偏振观测仪器。“火鸟”主要用作太阳软x射线和硬x射线 成像观测。它们取得的资料与地面的可见光和磁场观测结合，在太阳耀斑物 理 过程的研究方面取得重要进展。 1991年8月发射的日、美、英合作观测卫星“阳光” Yohkoh 则处在太阳 活动22周峰年，它的主要目标也是观测太阳耀斑。卫星上软x射线望远镜 SXT 的波段范围为o(3,6nm，由变换滤光片选择不同波长。其空间分辨率达到2(5”， 时间分辨率对宁静太阳为lmin，对耀斑为0(5s。硬x射线望远镜 HIT 的波 为O(5s。还带有白光照相仪和宽带光谱仪，光谱仪的波段包括软x射线、硬X 4 第一章绪论 射线和v射线。Yohkoh的观测资料与地面观测资料配合，已经进一步揭示了关 于太阳耀斑和活动区磁弧方面的一系列重要性质。 的科学目标则是太阳风和行星际磁场探测。它的轨道设计借助木星引力而离开 过太阳北极区，直接探测到由太阳极区冕洞发射的太阳风。观测证实极区太阳 风比低纬太阳风速度更大。它还将于2000,2001年阳J再次通过太阳两极区。以 往的探测卫星基本上都是在黄道面附近，Ulysses则首次实现了对黄道面以外 的日地空间探测在研究太阳和日球的三维结构上迈出了重要的一步。 1995年10月发射的欧美合作的SOHO的科学目标是太阳和目球的大尺度结 构，特别是日冕和超日冕，以及日震和磁场。这颗定位在拉格朗日点Lt上的太 阳同步卫星装置多种观测仪器，其中日冕诊断光谱仪 CDS 观测波段为15, 50nm，正是日冕的重要共振线发射区，主要探测宁静日冕的温度和密度分布; 远紫外成像望远镜 EIT 可获得紫外和X射线单色像，用于研究色球和日冕结 构的演化:太阳紫外和X射线单色像，用于研究色球和日冕结构的演化;太阳 紫外辐射测量仪 SUMER 着重于观测色球和过渡区的精细结构，其射线分辨率 极高，可研究物质流和波动引起的谱线Doppler加宽;紫外日冕仪光谱仪 UVC$ 通过观测1(3--i0太阳半径日冕区中某些谱线的强度和轮廓，来推测外冕中电 子和离子温度、密度和运动速度;而大视角分光日冕仪 LASCO 则可探测1(1, 30太阳半径的广大日冕区中的质量、动量和能量传输与结构演化;此外还有4 种太阳风遥测和实地测量仪器，以及3种日震研究设备，从而构成对太阳和日 球的全方位探测。 阳过渡区和日冕进行高分辨观测。TRACE着重于观测太阳的小尺度精细结构， 它将与SOHO较低的时空分辨率的大尺度 直至30个太阳半径 成像和光谱资 料，以及MDI MichelsonDopplerimager 提供的磁图相配合，研究过渡区 和日冕的构造，期望能够揭示太阳高层大气加热和动力学现象 如冕洞的形成 和日冕物质抛射 的物理。 正在进行中的未来太阳空间观测计划还有我国的“空间太阳望远镜” SST 。 博士学位论文题目:空间极紫外太阳望远镜光学性能研究 它的主要科学目标是太阳三维向量磁场和速度场的高分辨观测 空间分辨率约 0(1” 。和高分辨率 约0(5” 极紫外成像观测。SST将由6台仪器组成: i 最主要的光学望远镜有效口径达1m，焦比为3(5:1，观测视场2(8’×1(5『，采 用与多通道太阳望远镜相似的一组偏振光束分裂器和多通道可调双折射滤光 器，以实现在可见区的10条谱线波长上测量太阳光球和色球的向量磁场和视向 远镜可观测HeII II 太阳单色像。其中He19(5rim的望远镜视场为全日面，空间分辨率O(5”。 iii 口径为4(7cm的分光日冕仪，空间分辨率约3”。 iv 宽带光谱仪，可观测2, 和白光望远镜，观测全日面H。单色像和白光像，分辨率约l”。 vi 太阳和行星 际射电频谱仪，可在lOOkHz,60MHz波段范围测量流量密度和圆偏振。 1(1(3空间软X射线――极紫外望远镜发展 从国际上空间观测发展看，空间天文学、尤其是空间太阳物理研究是推动空 间观测研究的源动力，其发展带动高性能的软x射线――EuV波段光学仪器的不 断进步。目前软x射线和EUV波段望远镜主要有两类，一类是掠入射型望远镜， 由两块旋转非球面反射镜组成，优点是工作波段范围宽，最短可达Inm:缺点是 非球面加工困难，有效聚光面积小、体积大、仪器重。另一类是多层膜正入射望 远镜，优点是体积小，聚光能力强，波长选择性好，光学镜面加工相对容易，成 像质量高;缺点是工作波段较长，受镀膜工艺和材料的限制。目前这两种类型的 望远镜都有应用。早在1952年德国科学家Wolter提出了掠入射x射线成像系统 的设计原理。这是一种由两个非球面回转体组成的同轴共焦系统，它克服了单个 非球面回转体反射镜因不满足阿贝正弦条件而引起轴外成像存在严重彗差的缺 陷，从理论上实现了在软x射线波段具有较高角分辩的成像。但是，由于受当时 工艺水平、制造技术及运载工具的限制，直到七十年代，这种掠入射成像系统才 在x射线天文观测和研究中得以广泛应用。典型的应用，如美国、西德、日本、 第一章绪论 荷兰相继研制出高空间分辨率的x射线望远镜，并搭载卫星开展对日观测和空间 x射线源观测，当时，这些望远镜的集光面积仅有十几平方厘米到几十平方厘米， 空间分辨率为2”一10”。为提高聚光能力，实现对空间较暗目标的观测，美国于 八十年代初开始研制六层套叠式大型X射线轨道望远镜 AXAF ，既由口径不同 的多个软x射线掠入射光学系统叠套在一起构成的望远镜。最外层口径达1(2mm， 焦距lOm，聚光面积1000cm2，空间分辨率l，，。 80年代起，随软x射线多层膜技术的发展，新一代软x射线多层膜正入射成 像望远镜的研究十分活跃，并获得了高分辨率的软x射线观测图像，工作波长也 扩展到了几十个纳米。这方面具有代表性的工作有1985年lO月25日美国首次 采用多层膜软x线成像望远镜成功地进行了Si?4(4nm处太阳日冕的观测，该望 远镜由美国LockheedPalo A1to实验室和LawrenceBerkeley实验室合作研制: 主镜为球面，曲率半径2m，口径40mm，离轴使用;主镜用溅射方法镀有w,c软 x线多层膜，共30层，其中钨膜厚度为0(765nm，碳膜厚度为I(45nm，反射率的 峰值波长位于4(386nm，采用KodakSD一212软x线胶片记录太阳图像。 中心和Lawrence 多层膜望远镜再次成功地进行了1711-17(5nm处太阳日冕观测。望远镜的主镜为 球面，曲率半径l_2m，口径64mm;次镜亦为球面，曲率半径O(5?，口径250mm; 组合焦距2m，分辨率1(2”;主、次镜表面粗糙度好于0(3nm，镀有Mo,Si多层 反射率为35,，望远镜系统采用Kodak胶片记录图像。 PaloAlto 1988年3月17日发射的多层膜正入射望远镜是由美国Lockheed 实验室与Colorado大学大气与空间物理实验室合作研制成功，利用光电记录式 软x线多层膜正入射望远镜得到日蚀前太阳图像;该望远镜主镜为球面，焦长 0(75m，分辨率为1(5”，离轴使用;Mo,Si多层膜17(1nm处峰值反射率为33,; 用128x128微通板作探测器进行光电记录，分辨率为16”。 搭载苏联SpectrumX-G卫星，对非太阳X射线源进行普查，并对固定x射线源进 行长期监测;EUVITA由八个极紫外多层膜正入射望远镜组成，中心波长位 于 博士学位论文题目:空间极紫外太阳望远镜光学性能研究 5(0―25(Onm之间，带宽为l_0nm，空间分辨率为lO”，视场为l。;主镜为球面， 口径200ram，焦长1(4r[【，离轴使用;探测器为微通道板 MCP 。 美国LosAlamos和Sandia国家实验室研制的超软x射线成像传感器列阵， 软x射线,极紫外多层膜正入射望远镜组成;每个望远镜聚光面积25cm2，分辨率 的科学目标为:绘制出空间软x射线分布图;监测已知的强软x射线源;探测瞬 间的软x射线辐射;研究恒星软x射线辐射。ALEXIS发射具有很高的科学研究 和应用价值。 MSSTA 由十七个软X线多层膜正入射成像望远镜组成;其中采用两个双曲面 分辨率好于0(75”;这一望远系统用来研究104K至107K温度范围的太阳大气结 构和动力学。表1(1(1给出MSSTA光学系统特征参量。 表1(11给出MSSTA的Rechey―Chretien望远镜光学参量 焦距 3500mm 总长 1000mm 主次镜间隔 800mm 主镜直径 127ram 次镜直径 49ram 7 视场角 48 F数 28 主镜曲率 (0(004464cm。1 次镜曲率 (O(010625cm。l 二次曲面系数 。1(08192，一4(68042 第一章绪论 表1(1_2EIT工作波段和观测目标 波段 离子 峰值温度 观测目标 30(4nm Hell 8(0xl04K 色球及冕洞 17(1nm FelX(X 8(0x104K 冕洞内日冕及跃迁区域边界结构 19(5nm FeXII 8(0x104K 冕洞外安静区域 28(4nm FeXV 80x104K 活动区 另外，美国自1994年起开始研制TRACE极紫外波段探测器，采用卡塞格林 型望远镜。其特点是将反射镜镀成四个部分，分别对不同的工作波长有较高的反 射率，并配有可旋转的滤光片组，在望远镜焦面上获得不同的工作波长的太阳图 像，TRACE的工作波段和带宽如表l_1(3。 表1(1(3TRACE工作波段和带宽 波N: nm 带宽 nm 离子 大气区域 太阳温度范围Log T 2500 宽带 连续 光球 3(6(3(8 170(0 宽带 连续 色球 3(6―4(O 1570 3(0 C1，Fell，连续 色球 3(6(4(0 121(6 8(4 HI 40(45 Lv。 色球 155(0 3(0 C? 跃变区 4(8(5(4 17(1 I(1 Fe? 日冕 5(2(6(3 19(5 1(4 Fe? 日冕 5(7(6(4 28(4 1(4 FeXV 日冕 6(1，6(6 我国80年代初在空间天文卫星项目支持下，开展了空间掠入射软X射 线太 阳望远镜研制工作，后因天文卫星项目中途终止未能继续进行。但在许多关键基 础技术上长春光学精密机械与物理研究所 简称我所或长春光机所 打下了坚实 的基础，使我所的超光滑表面加工、检测技术，软x射线光谱技术，镀膜技术等 与软x射线天文望远镜研制有关的很多技术都有了很大的提高。可以加工出面形 精度10nm、表面粗糙度低于lnm的超光滑表面。建立起了超高真空镀膜装置以 及相应的光谱测试装置，可镀出厚度0(1um的铝滤光片，并对其透过率、冲击、 博士学位论文题目:空间极紫外太阳望远镜光学性能研究 振动等光学和力学性能进行了检测。建有70m长的高真空软X射线检测装置，可 对焦距2m以下的望远镜性能进行工作波长性能检测。 ?1(2研究内容及重点解决的问题 根据空间高分辨率太阳观测的要求及我国现有的基础和条件，设计出适合空 间使用的极紫外太阳望远镜:分析影响望远镜光学性能的主要因素;完成望远镜 部分光学元件的性能检测;研究各种光学元件在不同的波段范围内的性能对望远 镜传输特性的影响;研究指向精度0(1”的EUT在轨指向标定方法;研制出17(1nml 太阳望远镜的地面演示样机，验证EUT设计的可行性，攻克关键技术难关。 ?1(3研究工作意义及应用价值 自上世纪70年代起，国际上开始空间正入射EUV波段望远镜研究及应 用。 目前发达国家的空间正入射EUV波段望远镜技术已从最简单的单一多层膜反射 且可在一个望远镜上分别镀有不同工作波段的多层膜，使同一望远镜通过更换不 同的滤光片而选择不同的工作波段。美国、日本和欧洲已相继研制出了多台空间 EUV波段望远镜，并在科学研究、空间天气预报和军事应用中发挥了重要作用。 我国自上世纪八十年代开始短波光学研究以来，己建立起了较完善的EUV波 段光学仪器研究平台，但该波段空间用高分辨率成像仪器研制尚属空白。通过该 课题研究，掌握空间用EUV波段高分辨率成像仪器的设计方法，攻克关键技术难 关，研制出该波段目前最高分辨率的EUV望远镜地面模型样机，为进一步的 工程 研制奠定基础。 参考文献 resolutionsolar [1](Acton，D(S(et observations，SolarObs， Sunspot，NM， a1(，Highspectral USA，P7I一89( H J(Harris andvisible and [2](J(ECarbary,EDarlington，Tetc，Ultraviolet imaging JohnsonandRichardBHoover and of [3]James analysis B(Hadaway，R(Barry etc(，Design fortheStanford,MSFC solar V01(1160， opticalsystem telescopearray,SPIE multi―spectral lO 第一章绪论 P195―208，1989( 4 Richard andDavidR C(Baker ofthe B(Hooveg Gabardi，Performancemulti― spectral Phittip solar III characterizationofthe and telescopearrayoptical Richey??ChretienCassegrain telescope，SHEV01(1343，p189―202，1990 5 ArthurB(C(Walker FLindblom with Jr，Joakim resolution etc(，High imagingmultilayer soft of andFUV modest and x-ray,EUVtelescope cost，SPIE aperture V01(1494，p320??332， 1991( 6 S Brune r’J Tsuneta，L?Acton，MLemen，WBrown，R(Caravalho，RCatura，S(Freeland，B and soft for Jurcevich，M(Morrison，YOgawara，THirayamaJ(Owens， Thex-raytelescope Thesolar-A mission，Solar Physics，136:37-67，1991( 7 Van andB(Aschenbach V01( P(Gondoin，K etc，XMM Katwijk telescopedevelopment,SHE 2209，p438―450，1994( et and for [8]M(E(BrunegR(C(Camra，J(E(Harveya1(，Design performancepredictions GOESSXI Vol telescope，SPIE3442，1998，P192-202( J(R forthe [9] Delaboudiniere，GE(Artaner,J(Brunaud，Extreme-ultraviolet imagingtelescope SOHO mission，http:,,soho(nascom(nasa(gov,( 王绶瑭周又元，《x射线天体物理学》，科学出版社，1999年。 [10】 [11]航天科技集团第五研究院，中科院国家天文观测中心，空间太阳望远镜总体方案可行性 论证报告，2000年6月。 【12]林元章，《太阳物理导论》，科学出版社，2000年。 博士学位论文题目:空间极紫外太阳望远镜光学性能研究 第二章空间极紫外太阳望远镜设计 在EUV波段的反射成像系统中有三种影响成像质量的主要因素，它们是衍 射、几何像差和散射。其中的衍射影响随着波长的变短而迅速地变小，尤其在 EUV波段衍射的影响可以忽略不计;几何像差与工作波长无关，在可见和EUV 波段的讨论方法和计算结果一致;而散射的影响随工作波长的变短而迅速增大， 成为提高该波段工作的望远镜的分辨率的主要障碍之一，并且不同频率范围内 的粗糙度对望远镜产生不同的影响。 EUT设计是针对空间用小视场、高分辨率、短工作波长的光学系统特点进行 的。尽管EUV多层膜的出现可以提高该波段光学元件的反射率，但在所用的几 个波段，多层膜反射率最高也只有65,，远不如可见光波段光学元件的反射率 高。因此，在光学设计上要充分考虑望远镜空间应用的特点，采用体积小、质 量轻、光学反射面少的光学设计方案。同时因望远镜工作在EUV波段，对光 学 表面粗糙度要求极高，其均方根值必须在亚纳米范围，否则散射会使反射率明 显降低，也会使分辨率下降。 本章分别就几何像差和散射对EUT的影响作详细地讨论，设计出EUT，并最 终给出EUT的分辨率设计指标。 ?2(1EUT光学设计 2(1(1光学设计要求 长都属于EUV范围，观测空间分辨率要求较高，拟选用多层膜正入射望远镜的方 案，设计目标为: 1 同时对13(Onm、17(1nm、19(5nm和30(4mm四个波长成像; 2 足够大的入瞳，获得所需的能量，实现高分辨率成像: 3 EUV波段多层膜反射率不高，应尽量减少望远镜反射面，提高能量传输效率; 4 望远镜在空间卫星上使用，应尽量采用结构紧凑的方案，以减小EUT尺寸， 降低重量: 第二章空间极紫外太阳望远镜设计 5 卫星姿态控制精度不高，无法满足设计要求，需采用像移补偿机构，以达空 间分辨率要求; 6 EUT升空后长时间面向太阳观测，使用温度与地面装调时温度水平差异较 大，特别是EUT前后部分温差大，需在结构设计中采用稳定的结构， 以保证 总体指标实现: 7 EUT工作在EUV波段，对光学元件面形精度要求高，需采用无应力装夹工艺， 以保证EUT光学元件不变形; 8 采用适当热控方案，确保EUT升空后能达到光学设计要求。 具体设计参数见表2(1(1。其中19(5rim是进行全日面观测用，其余三个波长 是进行1,4日面观测用。 表2(1(1望远镜光学设计指标 波长 rim 视场角 角分辨率 13(0,17(1,304 8(5’×8(5’ O5” 19(5 85’×85‘ 5” 2(1(2 EUT类型选择 据上面选型要求，只有反射型望远镜设计方案可以应用，本EUT用于I,4 日面观测的望远镜要求角分辨率很高，达0(5”。而对全日面成像的望远镜视场 较大，达1(40。单一反射面不能同时校正几种主要的像差，无法达到设计要求。 而双反射镜系统可以同时校正系统的主要像差 球差和彗差 ，所以拟采用双反 哥式 两类，卡式具有相同焦距情况下体积最小，且各种像差对装调误差不 敏感的优点。而哥式具有实出瞳，便于消除杂散光对成像质量的影响。此外， 要求时才采用。下面讨论双反射望远镜的优缺点，以确定出适合空间使用的 具 体设计方案。 博士学位论文题目:空间极紫外太阳望远镜光学性能研究 a 1 i?,一―,’ j、、,, S? f ，] 卧 t b 图2(11双反射结构示意图 双镜反射望远镜结构如图2(1(1所示，为了方便下面的讨论定义图中的符 号:yt――主镜半径，y:――次镜半径，R。――主镜顶点曲率半径，R厂次镜 顶点曲率半径，S。、J:――物像距，f。――主镜焦长，d――主次镜间距，D一 一主镜口径。在本文的讨论中还定义:sA――球差，SC――弧矢彗差，Tc―― 子午彗差，As――像散，DI――场曲;TAs――横向像散，Tsc――横向弧矢彗 差，TsA――横向球差;AsA――角球差，AAs――角像散，ATc――角子午彗差， Asc――角弧矢彗差，ADI――角场曲。定义了表2(1-2的归一化的望远镜 参数。 4 第二章空间极紫外太阳望远镜设计 表2(12归一化双镜望远镜参数表 p Rz,R。， k y2,yI， m2一S12,s2， mkf。次镜到后焦面距离 f(B Dn，后焦距 F1 fI,D， F f,D， m 击伊箬，七 筹 y StOp n , iP 』 n( L l ， ‘ L一(:;粤』扬 ??‘---―-----一--------d 图2(12单一反射面的光学系统光路图 为了研究双反射镜系统的像差，首先考虑单一反射面的光学系统如图 2(1(2 所示，光线经光学表面反射后的光程差G OPL-OPL 主光线 即: G A。y+AlY2+A’lX2+A2Y3+A’2Y2y+A: P4 2(1(1 OPL代表不同光线的光程，将如图2(1(2所示的光栏移动L，用y+L代替 y代入 2(1(1中，则有公式 G Boy+BlY2+B 7lx2+Bz x2y+y3 +B3P4 其中:B。 ‰+2LA(十3L钮:+4L2A:， B。A(+3LA2+6L。A; B 71 A，l+LA2+2L2A(1 B。 A3 B: x2y+y3 y3 A2+4LA。 +x2Y A'2+4LA， 而对多个反射镜光学系统，则有光程差G， ?G』，本文只讨论双反射镜光 ， 博士学位论文题目:空间极紫外太阳望远镜光学性能研究 学系统即G。。 G。+G。，所以有: ， 、k+l Bh 毋。+Bk2f丝1 2(1(2 L，I, 其中:B。(为主镜的像差系数，B。为次镜像差系数，k代表像差级次。再由每个反 射镜的像差系数公式推导出表2(1(3所示的双反射镜光学系统的像差公式。进而 求得双反射系统的角像差公式为表2(1(4。 表21(3双镜系统像差系数 表2(1(4双镜望远镜角像差 际J芍屦香柙保爱阴影啊外，征近仃翌延镜砹计盯，尬曼考屣保回芎凹1霄况 对于双反射镜光学系统像面曲率为公式2(1(3。 驴zc击一寺 啦” ? 。(? 耻”鲁 k 丢 t呐 其中:k。为Petzval像面，k。为弧矢像面，k。为子午像面，k。为平均像面。 1 或到诗计 第二章空间极紫外太阳望远镜设计 如果K(:-1，则由球差为零求得K，;一 !!_芸 ，。取m o，且次镜为双曲