[发明专利]一种X射线宽光谱三层膜反射镜结构设计方法

说明书

本发明涉及一种X射线宽光谱三层膜反射镜结构设计方法，所述三层膜反射镜结构包括自下而上依次设置的基板、高密度层、中间密度层和低密度层，所述设计方法包括：材料选择步骤：根据反射镜的使用环境和带有权重因子的入射光谱能量范围，确定高密度层、中间密度层和低密度层的材料；厚度设置步骤：根据X射线的掠入射角度，以目标能量光谱范围中积分反射率最高为优化目标建立评价函数，获得所述高密度层、中间密度层和低密度层的厚度。与现有技术相比，本发明所设计的反射镜结构简单，易于制备，可以实现较高的积分反射率面积，有效地增加望远镜的有效集光面积。

技术领域

本发明涉及光学薄膜技术领域，涉及一种X射线天文望远镜的反射镜结构，尤其是涉及一种X射线宽光谱三层膜反射镜结构设计方法。

背景技术

在X射线天文学领域，X射线成像望远镜在天文观测当中有着非常重要的应用。评价望远镜性能的两个最重要因素是角分辨率和有效集光面积。有效集光面积的表达式为

其中，r_N为望远镜第N层的半口径，L_P为主镜镜长，θ_N为第N层的掠入射角，R为镜子的反射率。由式(1)可知有效集光面积的提高可以通过增加望远镜的嵌套层数和提高镜片的反射率来实现。在制作望远镜镜片过程中，为了提高镜片的反射率，需要在镜片的工作面上镀制光学薄膜。

由于在X射线波段，所有材料的折射率都接近于1，只能使用掠入射的方式对X射线进行反射。通常根据观测的X射线波长范围不同，主要有两种光学薄膜反射镜形式，其中对于低能量段的软X射线，主要采用密度较大的单层重金属(如金、铂、铱)薄膜。

单层重金属薄膜反射镜主要运用材料对X射线的全反射原理设计，因为重金属相对X射线的折射率较大，其全反射临界角较宽，可以实现宽光谱的反射。但是，随着全反射临界角的增大，重金属材料对于相对较低能量段(1-6keV)的吸收变大，使得该能量段的积分反射率降低，最终对望远镜的有效集光面积造成严重的影响。

在二十世纪末，钱德拉望远镜发射前的调试阶段，学者们观测到在重金属铱薄膜表面由于碳的污染而吸附了一层碳物质，相当于一层很薄的碳薄膜，通过测试后发现其可以提升1-4keV能量段内的X射线反射率。由此，产生了在高密度的重金属单层膜上镀制一层轻物质(如碳、碳化硼)的双层膜反射镜设计方法，提升了软X射线能量段中较低能量段的反射率。在软X射线波段，这些低密度的材料在重金属材料表面反射了较低能量段的X射线，使其不会被内层的重金属所吸收，而对于较高能量段的软X射线可以直接穿过这个低密度材料层在高密度材料层被反射，低密度材料对其的吸收也微乎其微。对于能量介于中间的软X射线而言，入射光会直接透射到内部的重金属膜层，而入射光被该膜层反射的同时，仍然存在一定程度的吸收，因此，对于该能量段范围，必须寻找一种新的膜系结构来提高反射率，增大有效集光面积，实现望远镜观测效率地提升。

发明内容

本发明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X射线宽光谱三层膜反射镜结构设计方法，可以有效地提升中低能量段软X射线的反射率，有效地增大望远镜的有效集光面积。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种X射线宽光谱三层膜反射镜结构设计方法，所述三层膜反射镜结构包括自下而上依次设置的基板、高密度层、中间密度层和低密度层，所述设计方法包括：

材料选择步骤：根据反射镜的使用环境和带有权重因子的入射光谱能量范围，确定高密度层、中间密度层和低密度层的材料；

厚度设置步骤：根据X射线的掠入射角度，以目标能量光谱范围中积分反射率最高为优化目标建立评价函数，获得所述高密度层、中间密度层和低密度层的厚度。