X射线聚焦镜的超精密制造

X射线聚焦镜的超精密制造 Ultra-precision manufacture of X-ray focusing mirror 1 corresp first-author E-mail： bradywang@hit.edu.cn E-mail： bradywang@hit.edu.cn 王　波（1971-），男，山东泰安人，博士，教授，博士生导师，1999年于哈尔滨工业大学获得博士学位，主要从事超精密机床、X射线光学加工技术、微细超精密加工技术和大气等离子体化学加工技术等方面的研究。E-mail：bradywang@hit.edu.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19370738&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19370742&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=19370740&type= 22.01333618 32.00402832 王　波 （1971-），男，山东泰安人，博士，教授，博士生导师，1999年于哈尔滨工业大学获得博士学位，主要从事超精密机床、X射线光学加工技术、微细超精密加工技术和大气等离子体化学加工技术等方面的研究。E-mail： bradywang@hit.edu.cn bradywang@hit.edu.cn 2 1 1 1 1 1 1 1 哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001 哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001 Harbin Institute of Technology, Harbin 150000, China Harbin Institute of Technology, Harbin 150000, China 中国科学院 高能物理研究所 中国科学院粒子天体物理重点实验室，北京 100049 中国科学院 高能物理研究所 中国科学院粒子天体物理重点实验室，北京 100049 Key Laboratory for Particle Astrophysics, Institute of High Energy Physics,Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China Key Laboratory for Particle Astrophysics, Institute of High Energy Physics,Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China X射线聚焦镜用于收集和汇聚宇宙中X射线辐射，是X射线天文卫星观测载荷的核心部件。本文采用镍基底电铸复制方法，在包括化学镀镍磷合金、模具超精密加工、模具镀膜、电铸镍基体以及脱模的全工艺链上进行了大量工艺探索和装备研发，并最终完成了X射线聚焦镜的批量超精密制造。实验结果表明，聚焦镜模具加工精度-表面粗糙度小于0.5 nm RMS，面形精度优于0.5 μm，镜片角分辨率为33.5″HPD（能量半高宽），验证了工艺的可靠性和先进性。 An X-ray focusing mirror is used to collect X-ray radiation in the universe， and is the core component of an X-ray astronomical satellite observation payload. In this study， process exploration and equipment research and development are conducted on the entire process chain （including electroless nickel-phosphorus alloy plating， mold ultra-precision machining， mold coating， electroforming nickel matrix， and demodulator） using the electroforming replication method of a nickel substrate， and finally， the batch ultra-precision manufacturing of X-ray focusing mirrors is completed. The results indicate that the surface roughness of the focusing lens mold processing precision is less than 0.5 nm RMS， surface shape precision is better than 0.5 m， and lens Angle resolution is 33.5″（half-power diameter）， thus validating the reliability of the process. The study findings are expected to provide important technical support for China's space X-ray observation， break the foreign monopoly， and significantly improve China's astronomical observation ability in the field of high-energy celestial bodies. X射线光学 Wolter聚焦望远镜 掠入射 电铸复制 超精密加工 X-ray optics Wolter focusing telescope glancing incidence electroforming replication ultraprecision machining 1 引　言 1 宇宙中具有丰富的暂现源和爆发天体，暂现源和天体的光变携带了关于天体本质、演化及其物理过程的丰富信息。X 射线空间观测是发现和探测黑洞、中子星，定位引力波，以及脉冲星导航的重要手段 ［ 1 1 - 3 3 1-3 ］ 。作为核心观测设备，X 射线聚焦望远镜通过观测X射线天体的快速光变特征和偏振特性，进一步高精度、多手段地研究黑洞、中子星中的新物理过程，包括极端引力条件下的广义相对论、极端密度条件下的量子色动力学和极端磁场条件下的量子电动力学等基本规律。国际上著名的X射线望远镜有Chandra ［ 4 4 ］ 、 XMM-Newton ［ 5 5 ］ 、 Suzaku ［ 6 6 ］ 、 NICER ［ 7 7 ］ 和eROSITA ［ 8 8 ］ 等。继“慧眼 （insight Hard X-ray Modulation Telescope， HXMT）”卫星 ［ 9 9 ］ ，我国在 X 射线空间观测领域规划了“爱因斯坦探针 （Einstein Probe， EP）”和“增强型时变与偏振天文台（enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission， eXTP）”等一系列X射线专项卫星 ［ 10 10 - 11 11 10-11 ］ 。 由于X射线特殊的光学特性和系统探测要求，Ｘ射线天文望远镜广泛采用掠入射Wolter-Ｉ型成像系统。Wolter-I型聚焦镜是由一块回转对称抛物面和双曲面镜组成的筒状内非球面结构，抛物面的焦点与双曲面靠近探测器一侧的焦点重合。为了提升成像分辨率和集光能力，大多数X射线望远镜需采用多层嵌套的结构形式，以大大增加有效面积。高精度X射线聚焦镜用于收集和汇聚X射线辐射，是X射线光学聚焦系统的核心部件，是提高X射线探测系统信噪比的关键设备。 目前，国内外学者针对Wolter-I型掠入射聚焦镜的高精度制造技术开展了大量基础研究。已有的制造工艺主要有直接抛光法 ［ 12 12 ］ 、薄片拼接法 ［ 13 13 ］ 、玻璃片热坍塌法 ［ 14 14 ］ 和电铸复制法 ［ 15 15 - 16 16 15-16 ］ 。其中，电铸复制法是一种大规模制造X射线聚焦镜的理想工艺方法，能够满足新一代X射线望远镜高角分辨率和大有效面积的要求。该方法通过电铸方法精确复制高精度模具的表面状态，然后脱模形成完整的内反射面。该方法的优势在于高精度的聚焦镜模具可以循环复用，可大量复制聚焦镜，制造效率高。同时，电铸复制方法可以直接制造全口径回转的聚焦镜片，避免了其他方法需要拼接装配而引入的误差。美国国家航空航天局（NASA）和欧洲空间局（ESA）发射和规划的多颗大型X射线卫星，均采用电铸复制工艺方法大批量制造高精度聚焦镜，如NICER和eROSITA ［ 17 17 ］ 。尽管电铸复制工艺有众多优点，但是其制造工艺技术难度高、工艺链长，制造过程中涉及的关键性技术问题都是核心机密，被少数国外企业和研究机构垄断。 在我国主要有中科院高能所、中科院长春光机所、中科院西安光机所、哈尔滨工业大学和同济大学等单位 ［ 18 18 - 21 21 18-21 ］ 对X射线望远镜进行研究，但是研究工作起步较晚，特别是对电铸复制工艺技术的研究尚未成熟和完善。哈尔滨工业大学在中国科学院空间科学先导专项“增强型X射线时变与偏振（eXTP）空间天文台”的支持下开展了大量的工艺试验研究和装备研发工作，采用自主可控的高效超精密制造方法，提高了电铸复制工艺方法的效率，制造出一批满足指标的高精度模具和聚焦镜，突破技术壁垒，打破了国外垄断。本文针对X射线聚焦镜电铸复制方法，在化学镀镍磷合金、模具超精密加工、模具镀膜、电铸镍基体以及脱模等全工艺链上进行了工艺探索和装备研发，并最终完成了X射线聚焦镜的超精密制造。 2 X射线聚焦镜片的电铸复制工艺制造方法 1 2.1　总体技术路线 2 X射线聚焦镜片的电铸复制工艺的总体技术路线如 图1 图1 所示，主要步骤包括模具化学镀镍磷合金、模具超精密加工、模具镀膜、电铸镍基体以及脱模。其中： （1）化学镀镍磷合金：模具基体通常采用铝合金材料，在其表面化学镀镍磷合金； （2）模具超精密加工：由于模具的面形精度和表面粗糙度将通过电铸直接复制到镜片的内反射面，决定了镜片的成像质量，模具的超精密加工是聚焦镜研制的关键环节，具体包括超精密车削和超光滑抛光两个步骤； （3）模具镀膜：在超精密加工后的模具采用磁控溅射法镀一层百纳米量级金膜，作为X射线反射膜层； （4）电铸镍基体：在镀膜后的模具表面电铸一层百微米量级的镍，形成旋转对称完整镜片； （5）脱模：利用模具与镜片材料不同的热膨胀系数，通过冷却收缩的方法，将模具和带有金膜的镍基体镜片分离。 2.2　模具超精密加工 2 聚焦镜模具的超精密加工是聚焦镜研制最关键的环节。因为聚焦镜模具的表面形貌会通过电铸复制直接映射到聚焦镜片的内反射面，模具的加工精度决定了镜片的成像质量。模具超精密加工包括超精密车削和超光滑抛光两个步骤，均在哈尔滨工业大学自主开发的大尺寸卧式超精密机床上进行，这样有效避免了不同工艺间重复装夹误差对加工精度的影响 ［ 22 22 ］ 。 2.3　超精密车削 2 超精密加工机床作为聚焦镜模具加工的母机，其精度直接影响聚焦镜模具的形状精度和表面粗糙度。本课题组自主设计了大型卧式模具超精密加工机床，采用 X - Z - C 三轴联动布局方案。其中，机床的 X ， Z 轴为直线运动轴，采用液体静压支撑和直线电机驱动， Z 轴光栅分辨率为1 nm， X 轴光栅分辨率为5 nm。 C 轴为具有精确控制角运动功能的工件主轴，采用气体静压支撑和无框力矩电机驱动，圆光栅分辨率为0.36″。其中，尾架主轴座沿 Z 轴方向游动，以满足不同长度的聚焦镜模具的加工要求，可加工模具的最大长度为2 200 mm，最大直径为600 mm。在头架主轴和尾架主轴处安装了四爪复合式卡盘，该卡盘既有自定心功能，也可以单独对每个卡爪进行调整，实现对辊筒模具的精密在位调整。超精密车削采用天然单晶金刚石刀具，可高效地加工出纳米级表面粗糙度和亚微米级面形精度的模具，这也是实现高效制造高精度模具的关键。常用的车削加工参数为主轴转速360 r/min，进给速度2 μm/r，切削深度2 μm。超精密车削加工过程如 图2 图2 所示。 2.4　气囊抛光 2 尽管超精密车削可以实现纳米级表面粗糙度，但仍然无法满足X射线波长的反射要求，另外车削后的表面会留下均匀类螺纹的刀具痕迹，导致入射光发生强烈散射。因此，在超精密车削工艺后，必须利用超光滑抛光工艺去除车削表面刀纹并进一步提高表面质量。为避免重复装夹误差，抛光在同一台超精密加工机床上进行。超光滑抛光采用气囊抛光工艺，用气囊抛光工具替换车刀刀架，抛光布材料采用阻尼抛光布，抛光液采用20 nm二氧化硅溶胶。抛光过程如 图3 图3 所示。目前，超光滑抛光时间较长，进一步提高抛光效率是提高整个聚焦镜生产能力的关键。 2.5　电铸镍基体与脱模 2 模具经过清洗，进行真空镀Au膜。镀膜后的模具表面通过电铸工艺生成一层百微米量级的镍，最终形成独立的壳体结构。电铸过程中，模具作为阴极，电铸材料作为阳极，含电铸材料的金属盐溶液作为电铸溶液。在直流电流电压或脉冲电流的作用下，电铸溶液中的金属离子在阴极还原成金属原子，沉积于模具表面。电铸时需要对温度自动控制，监测镀液的pH值并适时调整；同时通过试片测试镀层的应力，适时调整电流密度。 在电铸镍基体之后，电铸镍镜壳需要通过脱模的方式与模具分离，金膜内表面为X射线聚焦镜反射面，从而实现复制制造。脱模装置如 图4 图4 所示。首先，向模具内孔注入液氮，低温冷却模具和镍壳的联合体，使模具基体和镍壳在低温下发生弹性收缩。由于镍壳与铝芯轴之间的热膨胀系数不同，模具基体的收缩程度比外侧镍壳的大，两侧不同的收缩应变量产生较大的收缩应力，可将模具芯轴和镍壳的界面径向结合力抵消，从而实现模具芯轴和镜片的径向分离。模具底部由三爪卡盘固定，并利用3个高精度电动位移滑台和脱模卡爪将镜片抬起，实现模具与镜片的轴向分离。整个脱模过程保证低湿度环境并实时监控模具的温度变化。 图5 图5 分别展示了脱模后的聚焦镜模具和镜片。按照光学设计，将加工的不同尺寸的聚焦镜进行装配，形成嵌套式聚焦镜组，如 图5 图5 （c）所示。 3 加工结果与精度分析 1 3.1　表面粗糙度 2 表面粗糙度是聚焦镜模具及镜片的关键指标，对于最终聚焦镜光学质量有着重要的影响。由于镜片为封闭回转曲面，很难对其粗糙度进行直接检测。因此，本文仅针对模具表面进行检测。使用Zygo Newview白光干涉仪对模具表面进行粗糙度检测，选取0.5 mm×0.5 mm作为粗糙度评价区域。超精密车削后表面检测结果如 图6 图6 （a）所示。从结果中可以清晰地看到车削痕迹，其表面粗糙度的均方根（Root Mean Square，值RMS）为4.02 nm。抛光后表面检测结果如 图6 图6 （b）所示，可以看出车削刀痕已经完全去除，表面粗糙度RMS值为0.45 nm，满足超光滑表面要求。 3.2　面形精度 2 面形精度是评价聚焦镜模具及镜片精度的重要指标。它反映的是实际轮廓表面相对理想轮廓表面的偏差，其误差影响聚焦角分辨率。由于镜片为封闭回转曲面，面形精度很难直接检测，因此，本节针对聚焦镜模具进行面形检测。本文采用在位测量技术对模具面形精度进行检测，其优点是无需二次安装聚焦镜模具，大大提高了检测效率和检测精度。在位形状测量选用法国STIL公司的纳米级白光共聚焦位移传感器，并利用超精密车床的运动对聚焦镜模具进行轮廓扫描。尽管超精密机床的运动精度很高，但是仍然需要对机床的扫描运动误差进行补偿。这里采用反转法测量方式进行正反两次测量，将模具母线的面形误差与机床运动误差进行分离，以提高测量精度。测量原理如 图7 图7 所示。 1;2; 机床运动扫描速度为1 mm/s，检测范围为300 mm。 图8 图8 表明，经过反转分离后聚焦镜模具的母线轮廓误差为0.48 μm，满足精度要求。 3.3　X射线光学测试 2 为了进一步验证聚焦镜片的制造精度，直接对镜片进行X射线光学测试。聚焦镜的X射线测试在中科院高能物理研究所的百米真空Ｘ射线标定装置上进行，其真空腔体主要由大型真空罐和真空管道组成。大型真空罐可用于Ｘ射线卫星载荷的整体测试，提供准平行Ｘ射线束。Ｘ射线聚焦镜片水平安装在真空罐内，如 图9 图9 所示。X射线光源位于真空管道远端，通过真空管道进入大型真空罐内，经过聚焦镜二次反射聚焦在相机上。通过移动CCD相机的位置，可以观测焦点和离焦位置的光斑特性。 图10 图10 为在离焦±60 mm位置得到的光斑图像。 图11 图11 为聚焦图像和角分辨率分析结果。从结果可以看出，镜片有较好的焦斑形状和聚焦性能。进一步分析，模具的面形精度为33.5″，镜片完美地复制了模具的精度。 1;2; 4 结　论 1 本文开展了自主可控的X射线聚焦镜电铸复制方法，在全工艺链上（化学镀镍磷合金、模具超精密加工、模具镀膜、电铸镍基体以及脱模）进行了探索和装备研发，完成了X射线聚焦镜的批量超精密制造。实验结果表明，聚焦镜模具加工精度表面粗糙度小于0.5 nm RMS，面形精度优于0.5 μm，镜片角分辨率达到33.5″，从而验证了该工艺的可靠性和先进性。本研究为我国空间X射线观测提供了重要的技术支持，打破了国外对该技术的垄断，有望提升我国在高能天体领域的天文观测能力。 参考文献 帅平 ， 陈绍龙 ， 吴一帆 ， 等 . 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