СПОСОБ СБОРКИ РЕНТГЕНОВСКОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ, СОДЕРЖАЩЕЙ N ЗЕРКАЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ
METHOD OF ASSEMBLING X-RAY OPTICAL SYSTEM CONTAINING N MIRROR MODULES

Изобретение относится к оптическому приборостроению, рентгеновской астрономии и может быть использовано при разработке способов сборки зеркальной системы телескопов, предназначенных для наблюдения астрономических объектов в рентгеновском диапазоне спектра электромагнитного излучения, в частности касается способа сборки оптической системы рентгеновского телескопа, содержащей N зеркальных модулей.
Из патента на изобретение US 4562583 (31.12.1985) известен метод позиционирования зеркал оптической системы рентгеновского телескопа по отношению к оптической оси. Оптическая система этого телескопа включает две подсистемы, одна из них является первичной и выполнена  в виде зеркала на основе Вольтер I системы, а вторая - представляет собой множество отражающих элементов (гиперболических зеркал), установленных на торцах цилиндрических элементов, зафиксированных на вращающемся основании, причем зеркала расположены с обеих сторон основания. Расположение зеркал определено математически. Позиционирование зеркала в выбранном положении по отношению к оптической оси системы осуществляют с помощью вращающегося основания, которое поворачивается вокруг оси с помощью шагового двигателя. Шестерня, установленная на выходном валу шагового двигателя, входит в зацепление с шестерней, связанной с вращающимся основанием. Эти компоненты тщательно обработаны и выверены таким образом, что при каждом рабочем положении вращающегося основания, оптическая ось гиперболического зеркала точно совпадает с оптической осью зеркала на основе Вольтер I системы. Положение выбранного гиперболического зеркала по отношению к оптической оси системы определяет эффективное фокусное расстояние оптической системы и требуемое увеличение. Первый фокус зеркал, зафиксированных на одной из сторон вращающегося основания и более удаленных от детектора, совпадает с фокусом первой оптической системы, а их второй фокус расположен на оптической оси телескопа в фокальной плоскости детектора. Излучение фокусируется на чувствительной поверхности детектора. Такая конструкция позволяет улучшить пространственное, временное и спектральное разрешение, увеличить эффективное фокусное расстояние при сохранении компактных размеров. Однако, пространственное разрешение остается недостаточно высоким и телескоп не может работать во всем диапазоне длин волн, которые могут быть приняты. Каждое зеркало позволяет выбрать только один узкий спектр приходящего излучения и отразить его к детектору. Практическое воплощение такой конструкции должно включать в себя как можно больше отражающих элементов, которые лучше выполнять из различных слоистых синтетических микроструктур, таким образом, чтобы каждый слой отражал  только выбранный спектральный участок спектра рентгеновского излучения. Для достижения наилучших результатов каждое зеркало должно состоять из многих (100-1000) чередующихся слоев материалов, таких как вольфрам и углерод, золото и алюминий, алюминий и бериллий или магний и золото и т.д. При этом, сборка такой конструкции представляет собой очень трудоемкий и сложный процесс, трудно контролируемый на каждом этапе.
Из патента US 4063088 (публик. 13.12. 1977) известны способ и устройство контроля зеркальной оптической системы, состоящей из зеркал скользящего падения и предназначенной для рентгеновского телескопа. Оптическая система включает четное  число коаксиальных и конфокальных отражающих поверхностей. Устройство контроля включает в себя:  рентгеновский лазер для генерации коллимированного пучка рентгеновских квантов, направленных параллельно оси зеркальной системы, таким образом, эффективно имитируя параллельные рентгеновские лучи, которые система будет принимать при использовании на орбите; лист пленки, расположенной в общем фокусе и лежащей в фокальной плоскости отражающих поверхностей; тестовый шаблон, расположенный между лазером и зеркалами так, чтобы результирующее изображение на пленке, можно было сравнить с тестовым шаблоном для определения характеристик оптической системы. Способ контроля включает в себя: освещение выбранной площади отражающей поверхности зеркальной оптической системы коллимированным пучком рентгеновских квантов достаточно большого сечения, направленных вдоль оптической оси системы и полученных с помощью лазера, генерирующего коллимированные X – лучи, при этом заранее выбранной площадью  отражающих поверхностей является кольцевая область внутренней отражающей поверхности оптической системы;  размещение листа фотопленки в фокальной плоскости отражающих поверхностей; установки между лазером и системой тестового шаблона таким образом, чтобы  изображение, полученное на пленке, можно было сравнить с изображением тестового  шаблона для определения эффективности и разрешения оптической системы. Данный способ предназначен для контроля зеркальной оптической системы, которая выполнена в виде одного модуля и обеспечивает контроль выставления модуля относительно оптической оси.
o
Современная тенденция в космической астрономии направлена на то, чтобы разрабатывать многомодульные оптические системы, имеющие достаточно большую собирательную поверхность с разрешающей способностью менее одной дуговой секунды. Основным преимуществом множественной зеркальной системы является уменьшение фокусного расстояния (таким образом, снижается инструментальный фон), и снижение нагона при наблюдении ярких источников. Очевидно, что такая конфигурация позволяет выполнить более компактным телескоп и использовать несколько одинаковых камер. Однако такая конструкция в целом приводит к необходимости изготовления достаточно большого количества зеркал высокого качества, которые функционируют в стабилизированной в термическом плане окружающей среде с градиентами температуры менее 0,2°С и при температурах, которые могут достигать -90С. Одной из главных проблем, связанных с подобными зеркалами, является сложность изготовления как самих зеркал, так и осуществления их сборки в модули, а модули в оптическую систему. Сборка оптической системы из таких зеркал порождает следующие проблемы: достаточно трудно реализовать по месту сборки измерения на уже установленных оптических элементах; дифференциальные деформации, связанные с различными тепловыми коэффициентами расширения, возникают между зеркалами и их основанием в процессе осуществления различных этапов, таких как изготовление, сборка, тестирование и эксплуатация; достаточно трудно выставить соответствующим образом вдоль одного направления зеркала и зеркальные модули и обеспечить совпадение их фокусов.
Из описания к патенту на изобретение RU 2534811 (публик. 10.12.2014) известен способ контроля формы и взаимного расположения поверхностей крупногабаритных изделий с помощью устройства определения пространственной ориентации объектов. Способ позволяет осуществлять контроль и установку таких объектов, как зеркала Имитатора Солнечного Излучения, многоэлементные зеркала телескопов большого диаметра, составленные из отдельных зеркальных сегментов. Устройство содержит лазер, оптическую систему, создающую стабильное базовое направление путем образования кольцевой структуры лазерного луча, и измерительный блок с позиционно-чувствительным фотоприемником, подключенным к вычислительному блоку. Лазер и оптическая система, создающая стабильное базовое направление, расположены на каретке, которая имеет возможность перемещения по направляющим в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Для исключения влияния ошибок направляющих на точность перемещения каретки в интересах передачи и сохранности стабильного базового направления на каретке дополнительно установлены уровень и прямоугольный отражатель, ребро прямого угла которого параллельно базовому направлению и который оптически связан с автоколлимационной лазерной трубкой. Вследствие этого нет необходимости изготовления точных направляющих. На подвижной каретке также устанавливают светоделитель для контроля расположения объектов с плоскими поверхностями. С помощью этого устройства можно осуществлять контроль и установку поверхностей сложной конфигурации, объектов больших размеров, расположенных на больших расстояниях, определять взаимный разворот разнесенных в пространстве объектов, осуществлять параллельный перенос и передачу на расстояние базового направления. Недостатком способа контроля взаимного расположения многоэлементные зеркала телескопов большого диаметра, составленные из отдельных зеркальных сегментов, с помощью известного устройства является то, что с помощью оптической схемы задают только базовое направление в пространстве, используя неколлимированный пучок лазерного излучения. Для многомодульной оптической системы, каждый модуль которой состоит из набора коаксиально расположенных вкладышей, осуществление юстировочных операций при установки модулей на общей опорной плите с помощью такого излучения не обеспечит выставление модулей с требуемой точностью. Следует также отметить, что использование перемещаемой каретки приведет к дополнительной погрешности юстировки модулей и необходимости применения дополнительных оптических схем контроля.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ сборки многомодульной рентгеновской оптической системы (РОС) телескопа eROSITA (eROSITA Science Book: Mapping the Structure of the Energetic Universe, 2014). РОС и приборы регистрирующей аппаратуры телескопа eROSITA объединены жесткой единой конструкцией. РОС этого телескопа состоит из семи зеркальных модулей, которые  взаимозаменяемы и расположены параллельно, при этом оси модулей  совместно выровнены, обеспечивая идентичные поля зрения и увеличивая светосилу системы. Семь зеркальных оптических модулей с дефлекторами, установленные на опорной плите, размещены по одну сторону жесткой объединяющей все детали и элементы телескопа конструкции в фокальной плоскости приборов, расположенных с другой стороны на своей опорной плите.  Каждый из семи зеркальных модулей имеет свою собственную ПЗС-камеру, оснащенную CCD-модулем, и электронную систему обработки информации. ПЗС-камеры будут охлаждаться примерно до -90°C пассивно с помощью двух радиаторов и сложной системы криогенных тепловых трубок. Дополнительные нагреватели для зеркал будет держать их температуру на уровне 20°C ± 2°. Зеркальный модуль является основным компонентом рентгеновской оптической системы (РОС) телескопа eROSITA и выполнен из 54 элементарных зеркал по типу Wolter-I, которые вложены друг в друга, чтобы увеличить эффективную площадь для малых углов отражения. Зеркала производятся из суперполированных никелевых оправок с нанесением отражающих слоев из  золота. Все зеркала регулируются и связаны с опорным колесом паука. Сборка зеркал в модули и дальнейшая сборка РОС, включающая размещение семи зеркальных модулей на опорной плите, осуществляется с помощью стенда с оборудованием для манипуляций путем последовательной установки на опорную плиту каждого модуля в вертикальном положении. Угловая ориентация модулей обеспечивается в горизонтальных осях, установкой в заранее рассчитанные посадочные места общей опорной плиты. Юстировку зеркал модуля осуществляют с использованием эталонного цилиндра в качестве ориентира при установке зеркал на общее основание. Поворачивая опорную плиту с основанием, можно учесть возможное различие между направлением оптической оси подлежащего установки зеркала модуля с вертикальной осью. После установки всех зеркал и сборки модуля осуществляют оптическую проверку модуля с помощью устройства сканирования, оборудованного датчиками, например, лазерного типа, магнитного типа или емкостного типа, обеспечивающими измерения параметров оптических поверхностей. Точность установки модулей составляет более 1'. Поскольку основные характеристики телескопов напрямую зависят от способов изготовления и сборки зеркальных систем, то недостатками способа сборки РОС телескопа eROSITA  можно считать сложность и нетехнологичность выставления зеркал в модуле, т.к. применение эталонного цилиндра требует дополнительного времени на выставление и проверку позиционирования самого эталонного цилиндра, а последующая проверка собранного модуля с помощью устройства сканирования, оборудованного датчиками, например, лазерного типа, магнитного типа или емкостного типа, обеспечивающими измерения параметров оптических поверхностей, может привести к неточности контроля.
Технический результат изобретения: процессы юстировки и сборки зеркальной системы выполнены с точностью, не превышающей 1'.
-5
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе сборки рентгеновской оптической системы, содержащей N зеркальных модулей, включающей последовательное выставление с помощью монтажно-юстировочного стенда на общей опорной плите модулей, состоящих из N коаксиально расположенных вкладышей, образующих элементарные зеркала скользящего падения, объединенных на едином основании, с предварительным позиционированием каждого модуля относительно общей опорной плиты и его юстировкой, новым является то, что ориентацию каждого модуля относительно общей опорной плиты осуществляют с использованием лазерного излучения видимого спектрального диапазона по ориентации внешней торцовой поверхности его единого основания, которую предварительно выполняют зеркальной, для чего формируют широкоапертурный монохроматическиий пучок с квазиплоским волновым фронтом, расходимостью θ, выбранной из условия: θ≤3⋅10рад, и направляют его на зеркальную поверхность основания, контролируя положение модуля на приемной площадке ПЗС-камеры по отраженному сигналу относительно заранее заданной реперной метки, фиксирующей оптическую ось пучка, обеспечивая требуемую угловую точность выставления каждого модуля на общей опорной плите, при необходимости производят корректировку возможных угловых отклонений.
-5
Осуществление взаимной ориентации модулей по угловой ориентации основания каждого модуля и общей опорной плиты с использованием лазерного излучения видимого спектрального диапазона, позволяет достичь точности выставления модулей относительно опорной плиты с точностью 1 угл. мин Формирование широкоапертурного монохроматического пучка с квазиплоским волновым фронтом, расходимостью θ, выбранной из условия θ≤3⋅10рад, обеспечивает засветку всей площади опорной плиты при выставлении модулей, при этом можно использовать только одну оптическую схему. Пучок с указанной расходимостью будет имитировать рентгеновское излучение, что повышает точность сборки РОС. Направление пучка излучения на отражающую область основания устанавливаемого модуля обеспечивает упрощение совмещения плоскостей основания и общей опорной плиты. Контроль положение модуля на приемной площадке ПЗС-камеры по отраженному сигналу относительно заранее заданной реперной метки, фиксирующую оптическую ось пучка, обеспечивает требуемую угловую точность выставления каждого модуля на общей опорной плите, а при необходимости упрощает произведение корректировки возможных угловых отклонений.
На фиг.1 изображен общий вид телескопа ART-XC, на фиг.2 – рентгеновская оптическая система (РОС) телескопа, на фиг.3 – оптическая схема монтажно-юстировочного стенда сборки РОС, на фиг.4 – торцовая отражающая поверхность основания модуля РОС.
19
-5
В качестве примера конкретного выполнения, поясняющего предлагаемый способ, можно использовать специализированный монтажно-юстировочный стенд, оптическая схема которого представлена на фиг.3. Стенд предназначен для сборки РОС телескопа ART-XC (фиг.1) международного проекта создания астрофизической обсерватории «Спектр-РГ». Практическая эксплуатация телескопа ART-XC предполагает его выведение в космическое пространство с целью регистрации источников рентгеновского излучения на небесной сфере. В связи с тем что удаленность рентгеновских источников, как правило, превышает 1 Кпс = 3,086*10 м, то можно считать, что рентгеновская оптическая система телескопа работает в плоских пучках, которые с точки зрения их фокусировки и направленности могут быть сымитированы пучками излучения видимого спектрального диапазона. В свою очередь, с их помощью можно проконтролировать взаимную ориентацию N зеркальных модулей с требуемой точностью. Для повышения надежности и оперативности юстировки РОС в качестве юстировочного излучения используют излучение  He-Ne лазера 1 (фиг.3), выполненного, например, по патенту RU 2271592 (публик. 10.03.2006), при этом длина волны λ составляет 0,63 мкм. На оптической оси лазера размещают микрообъектив 2, диафрагму 3, в плоскости которой регистрируют отраженный сигнал, поворотные зеркала 6,8 и линзу 7. Далее размещают уголковый отражатель 9 (призма), отводящую поскопараллельную пластину  4 и CCD камеру 5. При диаметре диафрагмы 0,3мм и фокусе линзы 15м расходимость лазерного излучения составит 2⋅10рад. РОС включает 7 предварительно собранных, например, по патенту RU 2541438 (публик. 10.02.2015) зеркальных модулей, расположенных на общей опорной плите (фиг.2). Каждый модуль включает коаксиально расположенные вкладыши в количестве 28шт., изготовленные, например, по патенту RU 2525690 (публик. 20.08.2014)  с требуемой чистотой отражающей поверхности (до Ra 0,4 нм) из сплава NI-Co, с нанесением на внутреннюю поверхность отражающего слоя (иридиевое покрытие) и последующим контролем фокусного расстояния. Вкладыши образуют элементарные зеркала скользящего падения, собранные в единую объединяющую конструкцию путем установки на общее основание, так называемый "паук".
-5
Операции, связанные с юстировкой модулей при установки их на общую опорную плиту, производятся на видимом излучении юстировочного He-Ne лазера 1 в следующей последовательности. С помощью телескопической системы, состоящей из микрообъектива 2 и линзы 7, формируют широкоапертурный монохроматическиий пучок с квазиплоским волновым фронтом расходимостью θ, выбранной из условия: θ=2⋅10рад. Выставляют один из собранных модулей (центральный) на общую опорную плиту РОС в заранее определенное посадочное место. С помощью трех поворотных зеркал 6, 8, 10 (фиг. 3) пучок направляют к опорной  плите, на которой выставлен модуль. Торцевая часть "паука" модуля имеет отражающую поверхность, которая и засвечивается пучком (фиг.4), и отраженный от него сигнал с помощью отводящей плоскопараллельной пластины 4 попадает на камеру 5. Оптическая ось лазерного излучения задается с помощью уголкового отражателя 9 и фиксируется на камере 5 в виде реперной метки. Угловая ориентация "паука" обеспечивается плоскостностью поверхности "паука"  и плиты РОС. При необходимости производится корректировка возможных отклонений от плоскостности. Положение зеркальных модулей по углу контролируется на приемной площадке CCD камеры 5 (фиг. 3) по пятнам, полученным  отраженным от зеркальных поверхностей "пауков" излучением относительно заранее заданной реперной метки (опорного креста). Далее относительно этого креста производится совмещение геометрического центра пятна, отраженного от зеркальной поверхности паука, обеспечивая перпендикулярность пучка и самой зеркальной поверхности. Аналогичным образом производится выставление N зеркальных модулей на общем основании, обеспечивая при этом требуемое их угловое рассогласование.
Заявляемый способ сборки рентгеновской оптической системы, содержащей  N зеркальных модулей, обеспечивает взаимную ориентацию модулей с точностью меньшей или равной 1' без применения сложных технических средств и без нарушения юстировки вкладышей в каждом модуле.