2018, Vol. 61
2. 天基空间环境探测北京重点实验室, 北京 100190;
3. 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室, 北京 100190;
4. 中国科学院大学, 北京 100049
, PENG SongWu1,2,3,4, WEI Fei1,2,3
, SUN TianRan1,3, WANG YongSong1,2,3, LENG Shuang1,2,3
2. Beijing Key Laboratory of Space Environment Exploration, Beijing 100190, China;
3. Environmental Space Situation Awareness, E-SSA, Beijing 100190, China;
4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
太阳风的周期变化和短期剧烈活动是影响地球空间环境的重要驱动因素.太阳活动造成的空间环境异常变化会严重干扰地球无线电通讯、导航定位等技术系统正常工作，危害航天活动安全，对国民经济、人类生命健康等产生不利的影响(都亨等, 1998; Collier et al., 2010).太阳风-地球磁层电离层全景观测卫星任务(Solar wind magnetosphere Ionosphere Link Explorer，SMILE)是中国科学院与欧空局联合发起的一项空间科学探测合作项目.SMILE卫星将首次实现对日面地球磁层顶、极间区与极光椭圆区的全景实时成像，观测驱动空间天气的变化的完整事件链条，揭示太阳风-地球磁层相互作用的关联与因果关系，了解空间天气变化的驱动因素.该任务在人类进一步完善地球磁层物理模型，提升空间环境预报能力方面提供了重要的科学支持.SMILE卫星上搭载四台科学载荷：软X射线成像仪，极紫外成像仪，低能粒子分析仪和磁强计.
地球磁层的观测主要有两种方法，高能中性原子成像法和软X射线成像法(Branduardi-Raymont et al., 2012). SMILE卫星软X射线成像仪通过对地球磁层和极间区的软X射线成像探究太阳风-地球磁层的耦合作用.太阳风中包含的高价重离子与地球外层空间存在的中性原子或分子碰撞时，发生电荷交换(Solar Wind Charge Exchange, SWCX)，交换机制，从而产生软X射线辐射(Kuntz et al., 2015; Robertson et al., 2006; Dennerl, 2009).SWCX成像提供了一种新的观测磁层的方法，可通过对SWCX产生的软X射线成像观测日侧面的地球磁层边界，研究地球磁层在太阳风作用下的变化.国际上已经发射XMM-Newton，Suzaku等卫星用于探测地球磁层附近的软X射线(Snowden et al., 2004, 2009; Ezoe et al., 2010; Fujimoto et al., 2007).
国内外关于近地空间中太阳风磁层相互作用过程发生电荷交换产生X射线的研究较少，主要原因是现有的卫星只能观测磁层很小范围的局域空间，缺乏对磁层空间的大尺度成像结果，磁层物理研究受限.针对这一问题发展出一种新型宽视场软X射线成像技术，对提供新的研究数据，完善现有物理模型有重要的意义(Snowden et al., 1997; Collier et al., 2015).
X射线对应光子能量较高，很难在介质中发生折射与反射，只有当X射线以很大的入射角入射到光滑介质表面时会发生全反射.基于这一特点X射线成像仪都使用掠入射的方式聚焦成像.典型的成像系统有Wolter型望远镜，其具有较高的角分辨率，但是观测视场较小，约为1°.同时为了获得较大的集光面积，Wolter型望远镜一般采用大口径以及多层嵌套的设计，体积、质量大，成本较高.
1979年，美国亚利桑那大学的J.R.P.Angel提出了一种新型掠入射X射线望远镜成像技术，成像元件是模仿深海龙虾眼部微孔结构(Angel, 1979; Willingale et al., 2016).不同于传统的Wolter型X射线成像系统，这种新型的龙虾眼掠入射成像系统由于其结构在空间的周期性分布，能够提供更大的符合掠入射角的集光面积，理论上可实现4π的成像视场范围，同时具有较高的空间分辨率，其结构较为紧凑，具有体积小，质量轻，成本低等优势.基于以上特点，龙虾眼宽视场软X射线成像仪在天文观测和空间物理探测领域受到广泛重视.近年来，随着龙虾眼镜片的加工技术逐渐成熟，工艺方法能够很好地控制镜片微孔的长宽高的比例，同时在微孔壁内的镀膜技术也有所提高，获得光滑的反射表面，有效提升成像质量.法国的Photonis公司，中国北方夜视公司等已具有生产高质量龙虾眼镜片的能力，提供结构参数稳定的龙虾眼光学聚焦成像元件(Jin et al., 2016).在探测器方面，相应的CCD、MCP、DEPFET等软X射线传感器技术也有了极大的提高，使得软X射线成像观测的能谱范围可扩展到几百电子伏特的低能区域，覆盖大气中C、N、O、Ar等成分的重要特征谱线(Carter and Sembay, 2008).
目前在国际上计划与正在实施的载有宽视场软X射线成像仪的卫星任务有：SMILE中欧联合卫星任务首次对地球磁层、极间区大范围实时成像，主载荷软X射线成像仪由英国莱斯特大学牵头研制，联合中欧多家科研机构合作开发；国际太空合作计划中国际空间站上载荷-Lobster-ISS周天成像监视器(Fraser et al., 2002)；美国与日本联合发起的水星探测项目BepiColombo任务，计划搭载大视场水星X射线成像光谱仪(Fraser et al., 2010; Martindale et al., 2009)；中国的“爱因斯坦探针”科学卫星计划采用宽视场龙虾眼望远镜技术，捕捉深空X射线暂现爆发现象(Yuan et al., 2014).
本文给出针对太阳风磁层顶观测的宽视场软X射线成像仪(SXI)的设计方案，针对SXI的成像过程进行了模拟仿真，分析了SXI有效面积与光子收集效率等影响仪器成像质量的重要参数.SXI可对地球磁层区域进行大范围实时成像，对研究太阳风磁层相互作用机制以及相关概念验证有着重要意义.
1 宽视场软X射线成像仪指标和设计方案 1.1 宽视场软X射线成像仪指标SMILE卫星运行轨道为高椭圆轨道(HEO)，远地点高度19Re，近地点高度5000 km，轨道倾角98.2°.卫星为三轴稳定，SXI视场轴指向日地连线，指向精度0.5°，指向稳定度0.15°/2s.宽视场软X射线成像仪技术指标：视场范围32.1°×15.8°，探测能段为0.2~5 keV，空间分辨率6角分，时间分辨率60 s.
1.2 SXI设计方案宽视场软X射线成像仪由光学镜头，成像传感器以及电子学箱组成.成像镜头采用龙虾眼镜片拼接而成，镜头前安装遮光罩遮挡来自与太阳和地球的直射光线，龙虾眼镜片前需加装滤光片减少可见光\紫外线对于成像以及光谱分析结果的影响，探测器前安装铝制屏蔽门，当卫星通过地球辐射带时屏蔽门关闭避免高能粒子对对探测器产生损伤.
1.2.1 SXI镜头以及主体腔结构设计本文中设计了一个视场范围约10°×10°的软X射线成像仪原理样机镜头.SXI的光学镜头由3×3片龙虾眼镜片构成.将单片龙虾眼镜片板固定在一个具有相同曲率的机械框架上形成阵列.支撑架结构如图 1所示，灰色的2片为龙虾眼聚焦镜片，白色的为聚四氟乙烯替代片.
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图 1 龙虾眼镜片固定结构 Fig. 1 Lobster-eye optics holder |
单片龙虾眼聚焦元件尺寸为4 cm×4 cm，厚度为1 mm，微孔直径20 μm，壁厚6 μm，曲率半径740 mm，由中国北方夜视公司生产，实物如图 2所示.每片龙虾眼聚焦元件的视场角约为3°，将9片聚焦元件全部安装到镜片加持架上，SXI原理样机视场约为10°×10°.软X射线成像仪原理样机用于龙虾眼聚焦元件的成像特性测试，以及结构设计优化.
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图 2 龙虾眼镜片实物图(a)，龙虾眼微观结构(b) Fig. 2 Schematic of a single plate lobster-eye (a), Micrograph of Lobster-Eye(b) |
来自太阳的光辐照和地球反射光辐照能量均比观测目标发射的X射线能量高数个数量级，直接进入观测视场将造成图像信号饱和.为了有效屏蔽太阳和地球光照的影响，在软X射线成像仪镜头前端设置遮光罩，遮光罩结合卫星轨道和姿态条件设计，确保排除来自太阳和地球的光线干扰，使软X射线成像仪具有充分的科学观测时段.
遮光罩由一系列不同长度的、垂直于光学镜头表面安装的金属挡板构成如图 3所示，图中标明了太阳与地球的位置.靠近太阳一侧较长的挡板用于阻挡来自太阳的直射光，其他较短的垂直于龙虾眼镜头的挡板用于遮挡来自地球的反射光.根据卫星运行轨道、姿态等数据结合SXI的视场范围可以计算出太阳、地球最小指向限角θS与θE，从而得到每块挡板尺寸和挡板数量的具体参数.在设计中遮挡地球反射光的挡板数目需要进一步优化.挡板表面需处理成超低反射表面，以减小直射光在挡板上反射形成的杂散光对于SXI成像结果的影响.
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图 3 SXI遮光罩参数设计 Fig. 3 Schematic of SXI optical baffle |
遮光罩可遮挡大部分来自太阳和地球的直射光线，为了进一步消除杂散光对于SXI成像结果的影响，需在龙虾眼聚焦元件前加装滤光片过滤紫外光和可见光.
铝膜滤光片是一种常用的金属滤光片(Al，密度：2.702 g·cm-3)，可以有效的阻挡可见光，而在X射线波段有良好的透过率.厚度为80 nm的铝膜滤光片透射率随入射光子能量变化的曲线如图 4中的曲线所示，横轴为光子能量从10 eV到2 keV，纵轴为透射率，最大为1最小为0.在X射线波段光子能量大于200 eV时，铝膜滤光片透射率迅速上升，X射线波段光线可以透过，经过龙虾眼镜片成像.但是在10 eV~100 eV极紫外波段，铝膜滤光片对极紫外光透射率可达到0.8左右，不能有效的过滤极紫外波段的光线，影响成像结果，所以需要叠加能够过滤极紫外波段的滤光片一起使用.聚酰亚胺(C22H10N2O5，密度：1.43 g·cm-3)是一种有机高分子材料，具有优良的热稳定性和机械性能，可耐300 ℃以上高温，在-269 ℃液氦低温中不脆裂.在宇宙X射线探测任务中聚酰亚胺作为一种重要的滤光片材料，可作为铝膜的衬底，配合铝膜滤光片使用，可有效过滤极紫外波段的光线，同时增强滤光膜机械强度.如图 4中的黑线为200 nm厚聚酰亚胺薄膜透射率与入射光子能量关系模拟曲线，横轴为光子能量从10 eV到2 keV，纵轴是透射率最大为1最小为0.在10~70 eV波段，聚酰亚胺薄膜透射率低，可以有效的抑制该波段的极紫外光透过，在大于100 eV的X射线波段聚酰亚胺薄膜透射率良好.
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图 4 铝膜滤光片，聚酰亚胺滤光片以及复合滤光片随入射光子能量变化的透射率曲线 Fig. 4 Transmission curve of SXI optical/UV filter |
图 4中的蓝线为80 nm铝膜与200 nm聚酰亚胺薄膜复合滤光片的透射率与光子能量曲线，复合滤光片在X射线波段有着良好的透射率，并且能很好的抑制可见光与极紫外光线透过.仿真数据来源于CXRO X-Ray Database.
1.2.4 高能粒子屏蔽门当卫星通过地球辐射带时，带电粒子辐射对图像处理系统造成干扰，中高能带电粒子通过龙虾眼聚焦元件到达CCD焦平面，长期辐照可造成CCD性能下降甚至失效.因此，CCD焦平面前端需设置屏蔽门，当卫星穿过地球辐射带时，屏蔽门关闭.根据卫星在轨工作寿命要求，屏蔽门采用Al材料，设计厚度为10 mm以满足CCD在轨安全工作需要.
2 仿真模型建立和仿真结果分析 2.1 龙虾眼光学系统成像原理Angel型龙虾眼是模仿龙虾视觉系统的光学结构，是一片有曲率的薄板，板上是周期性排列的微孔阵列，微孔通道方向指向曲率圆心.入射的X射线经由微孔壁发生全反射，实现聚焦成像功能.龙虾眼镜片可将平行光汇聚成一个十字星光斑.
龙虾眼的微孔单元的4个反射壁对入射的软X射线进行全反射，如图 5所示.假设入射光在X方向的反射壁上的反射次数记为N1，在垂直于X方向的反射壁上反射次数为N2，当N1为偶数(Even)时，N2为奇数(Odd)时，将该光线记为EO光.以此为例，根据在相互垂直的反射壁上的反射次数不同，将经过龙虾眼微孔反射的光线分为OO光，OE光，EO光，EE光.根据几何光学理论，OE和EO光可实现在一个方向上的聚焦，汇聚在十字星光斑的十字臂上，OO光经过两个方向的聚焦，汇聚在十字星光斑的中心，EE光不聚焦，成为背景噪声.
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图 5 Angel龙虾眼成像原理 Fig. 5 Lobster-eye imaging principle |
龙虾眼光学成像系统的物像公式，如公式(1)，其中l为像距，s为物距，R为微孔聚焦板排布所在球面的曲率半径.
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(1) |
当平行光入射，s为无穷大，此时像面位于距离微孔聚焦板R/2处，像面曲率半径R/2.当有限远点光源入射，像距小于R/2.
对于理想光滑表面，掠入射角θ与反射率的关系为公式(2)，如果反射面有粗糙度，则需要在公式上添加一个粗糙度因子见公式(3)(杨夏军等，2012)
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(2) |
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(3) |
其中
θ是光线掠入射角，λ是入射光波长，θc是掠入射临界角，δ和β是反射材料在入射光波长为λ时的散射因子.
2.2 仿真模型建立使用光线追迹的思想，设定每一根入射光线的位置，出射方向，能量等初始条件，同时设定龙虾眼镜片的几何参数.入射光线在龙虾眼聚焦元件微孔壁经过反射，记录像面上每根光线的坐标位置与能量，得到成像结果.在仿真软件中可设定光源参数，微孔光学元件参数和像面的参数等，模拟空间中软X射线进入SXI后的成像过程.龙虾眼聚焦系统模拟时采用的系统坐标系如图 6所示，龙虾眼聚焦元件曲率半径为R，建立空间直角坐标系，龙虾眼聚焦元件的曲率中心与坐标原点o重合.z轴穿过龙虾眼聚焦元件中心，位于z=-R处.光源参数主要包括有光子能量、光子数目、光源分布情况等；微孔光学元件参数主要包括微孔尺寸、孔深、曲率半径、孔壁粗糙度、镀膜金属种类等；像面的参数主要包括像面形状，像素格划分等.在仿真软件中可调整微孔光学元件参数，优化SXI的设计方案以获得最佳的成像质量.
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图 6 龙虾眼成像模拟的坐标系统 Fig. 6 Coordinate system of simulation |
图 7a是模拟平行光经过龙虾眼聚焦元件在焦平面上的十字聚焦图像的散点图，7b为散点图的中心放大，红色点，绿色点，蓝色点分别代表直穿光，反射1次和反射2次的光子分布，聚焦在中心的光线经过两次反射，焦臂上的光线经过一次反射.图 8为焦平面强度分布，十字型聚焦光斑中心强度最强，十字臂上分布的能量较弱，表明龙虾眼聚焦元件对入射平行光有着良好的聚焦能力.模拟用龙虾眼聚焦元件的参数为：微孔直径20 μm，微孔壁厚6 μm，聚焦板厚度1 mm，聚焦板曲率半径750 mm，入射光能量1 keV，像面位于龙虾眼聚焦元件的焦平面位置.
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图 7 龙虾眼镜头焦平面散点图(a)及散点图中心局部放大(b) Fig. 7 (a) Simulation scatter diagram on focal plane; (b) Center enlargement of scatter diagram |
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图 8 焦平面强度分布图 Fig. 8 3D intensity distribution on focal plane |
龙虾眼镜头的有效面积与几何集光面积，反射效率，光子透过率，滤光片透过率，探测器效率等有关，有效面积是一个关键的性能指标反映了龙虾眼镜头的成像灵敏度.几何集光面积为某光子能量入射条件下龙虾眼镜片能够有效收集入射光的面积，如图 9所示，假设某一能量光子掠入射临界角为θc，则满足掠入射条件最大光瞳直径d=2R·sinθc，几何集光面积S=π(d/2)2.透过龙虾眼光学系统的光线分为三种，如2.1节所述，OO光分别在相邻的微孔壁上反射汇聚在十字光斑的中心，OE光和EO光在一个方向上聚焦形成十字光斑的臂，EE光为直穿光成为背景噪声.微孔内的镀膜材料和表面粗糙度决定了反射效率，孔内镀膜平整度越好，反射率越高.在此我们暂不考虑滤光片透过率，探测器效率的影响.通过模拟程序计算龙虾眼镜头的有效面积.
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图 9 龙虾眼镜头几何集光面积 Fig. 9 Total optic effective area |
我们给定龙虾眼镜头的参数为：曲率半径750 mm，微孔直径20 μm，微孔深度1 mm，表面镀铱膜，表面粗糙度0.5 nm.利用仿真软件模拟龙虾眼几何集光面积，反射率曲线，光子效率等随入射光子能量的变化关系.图 10为龙虾眼几何集光面积随入射光子能量的变化曲线，根据几何集光面积的算法，几何集光面积与掠入射临界角成正相关，入射光子能量越大掠入射临界角越小，几何集光面积随入射光子能量增大指数减小.图 11为分别统计OO光，EE光，OE+EO+OO光的透射率随入射光子能量的变化曲线，光子透过率分别为在像平面上的OO光，EE光，OE+EO+OO光的光子数与几何集光面积上光子数的比值，三种光子的透射率先增大，在2 keV附近透射率突然降低，这和入射光子与金属镀层中金属原子外层电子能量耦合有关.综上可以得到在不同光子能量下OO光，EE光，OE+EO+OO光对应的有效面积，设龙虾眼镜头的有效面积=几何集光面积×光子透过率.从图 12中可以看出，OO光，OE+EO+OO光的有效面积随入射光子能量增加而减少，在大于2 keV后有效面积的值变化趋于平稳，EE光的有效面积随入射光子能量增加的变化不明显.
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图 10 龙虾眼镜头几何集光面积与入射光子能量关系曲线 Fig. 10 Total optic effective area with a variety of photon energy |
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图 11 龙虾眼镜头光子透过率与入射光子能量关系曲线 Fig. 11 OO, OE+OE+OO, EE photon transmission with a Variety of Photon Energy |
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图 12 龙虾眼镜头有效面积与入射光子能量关系曲线 Fig. 12 Effective area with a variety of photon energy |
宽视场软X射线成像仪在成像焦平面面积确定的情况下，龙虾眼曲率半径越小的镜头视场范围越大.但是龙虾眼镜头曲率半径越大几何集光面积越大，成像灵敏度提高.所以对于一个焦平面探测面积给定的SXI成像仪，观测视场与探测灵敏度相互制约，需要根据观测目标的情况对两者的参数进行优化.
2.4 SXI地球磁层顶成像仿真结果太阳风中包含的高价重离子与地球外层空间存在的中性原子或分子碰撞时，发生电荷交换(Solar Wind Charge Exchange, SWCX)，通过磁流体动力学(Magneto Hydro Dynamics，MHD)模拟太阳风重离子与地球磁层中性原子相互作用过程.我们将不同太阳风条件下太阳风与地球磁层相互作用时的MHD模拟结果作为输入，模拟SXI对地球磁层顶-太阳风相互作用区域的成像结果(Sun et al., 2015). SXI的视场角80°×80°.
此处设定SXI的龙虾眼聚焦元件参数为：微孔孔径20 μm，聚焦板厚度1 mm，微孔壁厚6 μm，聚焦板曲率半径750 mm，孔壁表面镀铱(Ir)，表面粗糙度σ=0.5 nm.
利用磁流体动力学模型模拟得到2012年9月14日15时30分太阳风—磁层顶相互作用区域的地球极间区以及弓激波全景成像结果，将其作为SXI的输入光源，如图 13a所示.该MHD模拟的太阳风参数为：太阳风速度Vsw=650 km·s-1，Vy=Vz=0；行星间磁场Bx=0，By=23.89 nT，Bz=-5.16 nT；等离子体数密度Nsw=12.35 cm-3，积分时间300 s，视场范围为80°×80°，在水平和竖直方向上，每隔0.5°有一个数据点，单位是keV·cm-2·s-1·sr-1.在模拟中，将每一个数据点作为一个点光源，每个点光源所发出的光线数与其MHD强度值成比，假设每根光线所代表的能量值为0.5 keV.MHD模拟图像距离SXI约17个地球半径，可看作平行光入射，像面处于龙虾眼聚焦元件后R/2=375 mm处，像面曲率半径375 mm，像面上每个像素点的设置为0.5°×0.5°.
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图 13 (a) MHD模拟结果，(b)SXI模拟结果 Fig. 13 (a) Solar wind interact with magnetosphere simulation result by MHD; (b) SXI simulation result |
根据以上MHD和SXI的参数，利用光线追迹仿真模拟，将MHD模拟结果作为输入光源通过SXI成像后得到模拟结果，图 13a为MHD模拟结果作为输入条件，13b为SXI成像结果.SXI仿真模拟结果中的数值为落在该像素格的光子数目.在实际情况中，还应根据SXI探测器像素的实际大小进行模拟，入射光线的能量分布也需要根据太阳风磁层相互作用产生的软X射线光谱，宇宙背景辐射光谱等进行进一步的优化与调整.SXI成像仪采用E2V CCD 370探测器，在适当的温控条件下，背景噪声可控制在很低的水平，满足对科学目标观测的条件.
3 结论与讨论SMILE卫星任务计划于2022年发射，将首次实现日面地球磁层顶、极间区与极光椭圆区的全景实时成像，揭示太阳风-地球磁层相互作用的耦合关系，对研究空间天气变化机理提供重要数据支撑.SMILE卫星重要载荷软X射线成像仪采用龙虾眼成像系统，实现对地球磁层顶的大尺度实时成像.本文给出了SXI原理样机镜头支撑架，镜头滤光片，遮光罩，屏蔽门的设计方案.给出了宽视场软X射线成像仪的模拟仿真结果，计算龙虾眼镜头的有效面积与光子能量的对应关系.模拟仿真程序中可调整龙虾眼镜片的几何参数，镀膜种类，膜层粗糙度等输入条件，为优化镜头成像质量，提高探测灵敏度提供设计依据.
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