[发明专利]基于X射线光学仿真的掠入射光学系统聚焦性能分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及航天器产品设计技术领域，特别涉及基于X射线光学仿真的掠入射光学系统聚焦性能分析方法。

背景技术

随着军事需求的驱动、资源探测和科学探索的需要，X射线脉冲星导航技术得到了飞速发展。X射线脉冲星导航仪作为该领域的核心载荷，其空间分辨率、时间分辨率、导航精度等性能指标不断提高，导航仪性能要求的提升也决定了对整个装置的光学系统与支撑结构的稳定度和尺寸提出了更为苛刻的要求。与此同时，随着小卫星技术的发展，对X射线脉冲星导航仪的轻量化程度要求却持续增长。而X射线脉冲星导航仪的设计涉及到光、机、热多个学科，是一个多学科相互作用，综合权衡的过程。因此，如何对X射线脉冲星导航装置进行光学仿真分析与聚焦性能评价是研制高性能仪器的基础。

掠入射型X射线光学系统与传统的光学系统相比，具有以下不同点：(1)掠入射全反射临界角随能量增大非线性减小；(2)特定能量的X射线，反射率随入射角增大非线性减小；(3)掠入射角一定时，反射率随能量的增大非线性锐减；(4)对光学镜头表面粗糙度要求苛刻，必须达到1nm以下才能发生全反射，因此对镜头面形要求高。

而现有的X射线光学仿真与评价方法大多仍采用传统的针对其它波段(如可见光、红外、紫外等)的光学仿真与评价方法。并未考虑X射线的反射率与入射角和X射线能量的关系，这将导致两个问题：(1)现有光学仿真方法或商业软件只能每次分析某单一能量的X射线，并且无法考虑反射率信息，对于0.1-10keV宽能段的Wolter-I型X射线望远镜而言，其工作量巨大，严重阻碍了在航天工程中的应用。(2)采用传统的光学评价方法并不能真正反映X射线聚焦性能，因为对于宽波段的X射线而言，由于其连续性，采用离散的仿真方法不利于工程实现，其次由于并未考虑能量与反射率间的关系，其聚焦评价方法无法如实反映实际情况。

发明内容

本发明的目的在与克服现有技术的不足，提供了基于X射线光学仿真的掠入射光学系统聚焦性能分析方法。该方法充分考虑了X射线光子能量和反射率的特征信息，避免了现有技术中仅考虑单一能量X射线光子，而不考虑反射率的缺陷，可以实现更接近X射线脉冲星导航装置的工程实际情况，提高了X射线光学仿真的效率。

本发明的上述目的通过以下的技术方案实现：

基于X射线光学仿真的掠入射光学系统聚焦性能分析方法，包括以下步骤：

(1)、设置P个X射线光子在光学镜头内表面上的入射位置、光子能量和掠入射角，其中，第p个光子的入射位置坐标分别为x_p、y_p、z_p，所述坐标系的原点设定为探测器中心，Z轴设定为光学镜头的中心轴线；第p个光子的光子能量为E_p，E_p在设定的能量范围E_min～E_max内随机分布；第p个光子的掠入射角为θ_p，θ_p在设定的角度范围θ_min～θ_max内随机分布；p＝1、2、…、P，P为设定的X射线光子样本量；

(2)、根据步骤(1)设置的X射线光子入射位置坐标，计算每个所述光子在光学镜头内表面入射点处的镜头曲率半径，以及所述入射点到光学镜头中心轴线的距离；其中，Υ_p为第p个光子入射点处的镜头曲率半径；d_p为第p个光子在光学镜头内表面入射点到光学镜头中心轴线的距离；p＝1、2、…、P；具体计算公式如下：

(3)、根据步骤(2)计算得到的X射线光子在光学镜头内表面入射点处的镜头曲率半径和入射点到光学镜头中心轴线的距离，计算每个X射线光子的实际掠入射角；其中，计算得到第p个X射线光子的实际掠入射角为p＝1、2、…、P；

(4)、根据每个X射线光子的光子能量计算所述光子的临界入射角，其中，计算得到第p个X射线光子的临界入射角为φ_p，p＝1、2、…、P；

(5)、将每个X射线光子的临界入射角与所述光子的实际掠入射角进行比较，确定所述光子是否发生全发射，并对发生全发射的光子进行计数，得到到达探测器的光子总数N_total；

(6)、对步骤(5)统计得到N_total个发生全反射的X射线光子，进行如下计算，得到每个所述光子在镜头内表面上的反射角：