1、航空学报Acta Aeronautica et Astronautica SinicaFeb.15 2023 Vol.44 No.3ISSN 1000-6893 CN 11-1929/V528286-1X射线聚焦光学在脉冲星探测领域的应用李连升1，2，梅志武1，*，谢军3，姜坤4，石永强1，曹振1，左富昌11北京控制工程研究所，北京1000942光电测量与智能感知中关村开放实验室，北京1001903中国空间技术研究院，北京1000944北京跟踪与通信技术研究所，北京100094摘 要：脉冲星是人类 20世纪发现的重大天文学事件，X射线脉冲星探测作为天体物理学和空间探测领域的重要分支之一，在基础
2、科学研究和工程应用领域具有极其重要的意义，长期以来被美国、欧洲、日本和中国列入国家重大发展规划。脉冲星探测面临自身辐射流量微弱、空间辐射本底复杂、X 射线易散射等难题，特别是毫秒脉冲星的高灵敏度探测极具挑战性。近年来，X 射线聚焦光学的快速发展为空间天文学、空间科学、脉冲星计时与导航等领域提供了新方法和新视角。通过回顾半个世纪以来 X射线聚焦光学的发展历程，总结了未来脉冲星探测需求，阐述了空间 X射线聚焦光学的关键技术、应用情况与发展现状。最后，对 X射线聚焦光学技术发展趋势及其在 X射线脉冲星探测领域的潜在应用进行展望。关键词：X射线聚焦光学；Wolter-；脉冲星探测；脉冲星导航；脉冲星计
3、时；天体物理学中图分类号：V222 文献标识码：A 文章编号：1000-6893（2023）03-528286-18脉冲星作为 20 世纪 60年代天文学的四大发现之一，引起国际多领域的广泛关注。脉冲星属于高速自转的中子星1，自传周期非常稳定，毫秒脉冲星自转周期变化率稳定性高达 10191021，是自然界中最精准的天文时钟，被誉为人类在宇宙中航行的“灯塔”，在脉冲星时间基准、脉冲星导航以及宇宙起源和演化等领域具有重要的研究价值。作为航天器天文导航的一种，X 射线脉冲星导航具有天文导航的共性特点：自主性强、抗干扰能力强、可靠性高、可同步定位定姿、导航误差不随时间积累。基于脉冲星光子到达的时间信息
4、，脉冲星导航可用于航天器时间基准自主维持、卫星星座自主导航以及深空探测器自主导航等领域。此外，脉冲星还是宇宙中天然的极端物理实验室，超强引力场为广义相对论和引力波的检验提供了便利场所。脉冲星的理论和观测研究对推动天文、天体物理、核物理、粒子物理、广义相对论和引力波等领域的发展具有重要意义。然而，脉冲星自身辐射相对较弱，同时空间高能辐射环境存在来源多、相互作用机理复杂、分布差异大、具有时变性等特点。因此，如何高效率、高信噪比、高灵敏地开展脉冲星 X 射线波段的探测变得尤为重要。http:/ 引用格式：李连升，梅志武，谢军，等.X 射线聚焦光学在脉冲星探测领域的应用 J.航空学报，2023，44（
5、3）：528286.LI L S，MEI Z W，XIE J，et al.A review of applications of X-ray focused optics in field of pulsar detectionJ.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2023，44（3）：528286（in Chinese）.doi：10.7527/S1000-6893.2022.28286收稿日期：2022-11-21；退修日期：2022-12-09；录用日期：2022-12-20；网络出版时间：2023-02-15网络出版地址：https：/ X
6、射线望远镜。如何实现脉冲星微弱信号在复杂空间辐射环境下的高信噪比探测，提升探测灵敏度和计时导航精度，是该领域长期面临的主要挑战。这不仅与高信噪比的 X射线探测器件、高信噪比电子学、高精度热控等密切相关，更依赖于具有高光学增益的 X 射线聚焦光学系统。半个多世纪以来，X 射线聚焦光学经历了长足的发展和进步。1952 年德国科学家 Wolter在 Compton 发现的 X 射线全反射现象2的基础上，提出了 3 种共轴聚焦且由不同二次曲面组合而成的 X 射线聚焦光学系统，具备高光学增益且无慧差等优点。自此，Wolter-聚焦光学逐渐应用于早期的空间太阳 X射线爆发探测与脉冲星观测等领域。随着 X射
7、线光学、材料科学、先进制造科学等学科的快速发展，半个多世纪以来，特别是近 20年以来，空间 X 射线望远镜的口径、性能、规模等都取得了重大进步。本文在回顾国内外 X 射线脉冲星探测历程的基础上，从脉冲星计时导航领域的实际工程应用出发，讨论脉冲星目标可见性与探测设备需求。重点聚焦空间 X 射线聚焦光学系统，对其基本原理、性能指标进行分析，从其发展历程的视角回顾了 X 射线聚焦光学系统在脉冲星探测领域的应用，并将其归纳为 3大历史阶段，给出了具体应用的典型型号任务，最后对未来 X 射线聚焦光学系统发展的方向进行总结与展望。1X射线脉冲星探测1.1X射线脉冲星脉冲星是 20 世纪 60年代天文领域的
8、四大发现之一，开启了一个新兴的天文研究领域，并对现代天体物理学产生了深远的影响。1974 年，Hewish 教授因发现脉冲星获得诺贝尔物理学奖3。脉冲星是死亡恒星经过超新星爆发的产物之一，一般被认为是高速自转、周期稳定、具有超强磁场、直径约 10 km 的超致密的中子星4（如图 1 所示）。很多中子星是将自身转动的动能转化为辐射能向四周发射的脉冲信号，通常包括射电、可见光、红外、极紫外、X射线或伽马射线等不同波段的信号，地基或天基观测设备接收来自脉冲星辐射的脉冲信号，即为脉冲星探测。脉冲星可从不同的维度进行分类，从辐射谱段可将脉冲星分为射电脉冲星、X 射线脉冲星、射线脉冲星等。根据有无伴星可分
9、为脉冲星双星和孤立的脉冲星；根据演化历史和自转周期长短，通常可分为常规脉冲星和毫秒脉冲星。根据供能机制的不同，可将其分为旋转供能脉冲星、吸积供能脉冲星、热供能脉冲星、磁供能脉冲星和核供能脉冲星等。脉冲星探测任务的主要目的包括 2 方面：一是发现新的脉冲星，二是对已知脉冲星开展精细探测，构建完备自主的脉冲星数据库，供科学研究和工程应用。目前，已发现的 X 射线脉冲星辐射流量比较微弱，自转周期约为毫秒量级，表 1为美国 Microcosm 公司选择的 8颗导航脉冲星。1.2探测需求1.2.1脉冲星可探测性主要包括脉冲星可探测性、脉冲星品质因子和脉冲星空间分布5：1）脉冲星可探测性分析。影响因素主要
10、包括第三体阴影遮挡、X射线干扰源、探测器视场限制等。太阳系内的天体遮挡主要包括地球、太阳、月亮、金星等，其中太阳辐射是主要干扰源，图 1脉冲星自转模型4Fig.1Pulsar rotation model4航空学报528286-3一般根据 X 射线望远镜所在轨道参数设定规避角。此外，X射线望远镜的视场也需考虑。2）脉冲星品质因子。对于 X 射线脉冲星计时导航而言，脉冲星辐射流量密度、信号周期等辐射特征是探测的关键量，信噪比是直接影响脉冲到达时间（Time of Arrival，TOA）的关键因素，根据信噪比确定脉冲星的品质因子。主要考虑：脉冲轮廓半峰全宽值、脉冲形状分布及其对测量时间精度的影响
11、；相同轮廓内存在的多个峰值，及其信号频率对导航精度的影响；不同脉冲星之间存在较大的辐射背景噪声。3）脉冲星空间分布6。主要参考 GPS 系统几何精度因子（Geometric Dilution of Precision，GDOP）的概念，但又与全球定位系统存在差异，不同脉冲星的 TOA 测量误差不同，如果采用最小二乘法很难获得理论上的最优解。通常采用加权最小二乘法根据误差量的大小赋予不同的权重系数，可获得高置信度的定位精度。此外，尽 量 选 择 星 源 位 置 固 定 的 脉 冲 星，即 WDOP（Weighted Dilution of Precision）值相对不变，构建基于 WDOP的脉冲
12、星计时导航列表，遴选出最优组合。1.2.2探测设备需求根据 X 射线脉冲星导航原理可知，其核心是获得高精度的 TOA 观测量。TOA 的测量精度取决于 t的测量精度，这与测量积分脉冲轮廓的信噪比密切相关。TOA 精度与脉冲轮廓信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）和脉冲宽度 W 之间关系为7TOA=W2SNR（1）由式（1）可知，应选择辐射流量大、辐射脉宽较窄的脉冲星。同时，在航天器重量体积功耗允许的范围内应尽可能提高 X 射线望远镜的有效探测面积和单次累计观测时间，提升脉冲星观测信噪比。根据望远镜在轨应用场景可知，脉冲星观测面临 3 大挑战：自身辐射微弱、空间辐射环境复杂、X
13、射线易散射。因此，如何提升聚焦望远镜的信噪比和灵敏度是主攻方向，具体包括：选用具有高光学增益的 X 射线望远镜，显然 Wolter-型聚焦望远镜是理想的选择；增大有效探测面积，这主要包括 2个方面，一是增大望远镜口径和嵌套层数，二是镀制高原子序数的膜层材料，提高反射效率；延长在轨观测时间，基于脉冲星辐射能谱服从幂律谱分布的统计特性，甄别空间有效光子。此外应具备较高的能量分辨能力，区分脉冲星辐射光子与空间辐射本底噪声；X射线脉冲星望远镜工作在复杂的空间环境，存在大量高能辐射背景噪声，这就要求望远镜具备较强的空间本底抑制能力。2X射线掠入射聚焦光学系统2.1基本原理X 射线在自然界电磁波谱中的位置
14、如图 2所示，根据波长不同可将 X 射线分为软 X 射线和硬X 射线。实际上，由于物质中的原子共振及其引起的短吸收长度等问题曾一度严重影响了 X 射表 1Microcosm 公司挑选的 8颗导航脉冲星Table 1Eight navigation pulsars selected by Microcosm名称PSR B1937+21PSR B0540-69PSR J0218+4232PSR B1509-58PSR B1821-24PSR B0531+21PSR J1814-338SAX J1808-3658银纬/（）0.2931.517.531.165.585.787.598.15银经/（）5
15、7.5279.7139.5320.37.80184.6368.75355.39流量/（phcm2s1）4.991055.151036.651051.621021.931041.549.971023.29101距离/kpc3.647.35.74.35.5284周期/ms1.5650.42.321503.0533.43.182.49航空学报528286-4线成像与探测技术的发展。这主要是由于 X 射线波长短、能量高，使得光子能量与物质原子内电子的束缚相当，且光子波长与原子尺度接近所致。因此，X 射线辐射在介质中的传播过程异于传统的可见光和红外波段。1922 年，美国物理学家康普顿首次发现了 X射线
16、的全反射现象。当 X 射线入射角小于临界角时，X射线在物质表面可发生全反射，被称为掠入射角8，如图 3 所示。根据麦克斯韦方程组推出的矢量波方程可获得 X 射线复折射率近似表达式为 n=1+i，式中：为 X 射线折射率小量；为材料的消光系数。可见，X 射线的折射率实部小于且非常接近于 1。X 射线在介质表面的折反射现象同样遵循菲涅尔定律，即sin =sin n（2）式中：和 分别表示光线的折射角和入射角；n表示材料的折射率。为获得 X 射线发射全反射角，假定消光系数 0，则 n1，Shell定律可表示为sin =sin 1-（3）X 射线发射全反射时，入射的 X 射线不穿过介质，而是沿着反射材料界面传播。根据临界入射条件并对其进行一阶近似可得：1-2c2+=1-c=2式中：与物质原子的散射因子相关，即=re2Nf12（4）式中：re为电子经典半径；为 X 射线波长；N 为原子数密度；f1为原子的复数散射因子。由式（4）可知，增大波长、采用原子序数高的材料均可增大 X射线临界掠入射角。目前，国内外科研人员已设计并研制出了多种不同类型的掠入射聚焦X射线光学系统，分类维度较多。比如，按照结构
