高精度准直器的设计及测量

高精度准直器的设计及测量
作者： 作者单位： 张爱梅， 金永杰， 王娟， 吴枚， 吴伯冰， 张童 张爱梅,王娟,吴枚,吴伯冰,张童(中国科学院高能物理研究所 北京 100049)， 金永杰(清华 大学 北京 100084)
引用本文格式：张爱梅.金永杰.王娟.吴枚.吴伯冰.张童 高精度准直器的设计及测量[会议论文] 2009
（２０—２５０ ｋｅＹ）巡天瞄１，发现大批超大质量黑洞和其它高能天体，解析宇宙Ｘ射线背景，而
高精度的高能准直器是实现这一目标的最为重要的部件，本文就以高能准直器为研究对象， 进行高精度准直器的设计、加工及测量方法的探索研究。
２．准直器方案设计
２．１方案设计 ＨＸＭＴ卫星主载荷有１８个高能准直器，布局如图１所示，考虑准直效果、成像要求和结 构布置等，初步确定ＨＸＭＴ准直器采用高ｈ＝３００ｍｍ，、直径①＝１８８ｍｍ的圆筒结构，内部栅格单 元为３０ｍｉｎＸ６ｍｍ（栅格中心距），视场为５．７。×１．１。，要求准直器单体栅板间不平行度小于
１．引言
高精度准直器是广泛应用于空间探测和医疗器械等领域的关键设备，美国海军实验室 为防御气象卫星计划而研制的探测大气紫外辐射的紫外临边成像光谱仪ＳＳＵＬ Ｉ（ｓｐｅｃｉａｌ
ｓｅｎｓｏｒ
ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｌ ｉｍｂ
ｉｍａｇｅｒ），就采用了视场为垂直方向０．１０、水平方向２．４。的准
直器作为光学准直器件…；准直器还被用于太空探测，作为观测太阳大气的空间太阳望远镜 的光学准直器件（如ＲＸＴＥ的ＨＥＸＴＥ，ＢｅｐｐｏＳＡＸ的ＰＤＳ）；在医学上，它也用于ｙ射线的准直 等等‘引。 硬ｘ射线调制望远镜卫星（ＨＸＭＴ）是我国学者发展的巡天科学卫星，高能望远镜（眦） 是ＨＸＭＴ卫星的主载荷，其主要科学目标是实现世界最高的灵敏度和空间分辨率硬Ｘ射线
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ｃｏｕｎｔ，ｓ；新方案的
环境本底约为原方案的５３ ５％。
钽的线衰减系数（３０２１２／锄），是铅的
（２７ １７４／ｃｍ）１
１１倍，采用覆盖韬台金桶内壁
｝Ｉ主栅扳的屏敲层为０ １５ｒａｍ厚的钽，准直器单 体的重坩为１０ ４４ｋｇ，ｚｌ】生比为９０ ７％。 综合考虑加ｌ’Ｉ，艺、重量、准亢敛果｝Ｉ成 像的要求等．初步确定ＩＬＸＭＴ １２星ＨＥ准直器 采川薄壁窄扳条状结构的钽准直器，如幽３。
０．１８’，栅板间平行度为０．５７’，达到了ＨＸＭＴ卫星高能准直器的精度要求。
３．结论
本文以设计实现高精度准直器的为研究目标，以物理目标为基础，反复优化设计并试
制检测，摸索出一套完整可行的高精度机械准直器的加工工艺方案，实现了肛准直器的规 格化样件，并研究出一套切实可行的精度测量方法。经测量ＨＥ准直器样件的精度已完全满 足精度要求，达到硬ｘ射线调制望远镜（ＨｘＭＴ）的科学目标需求。
方式，直接电镀或着铜后镀层均无法实现需求的Ｊ譬度及其均匀性。
方窠３钽准菏器 川Ｔａ材料为物理功能材料进行试验，采川薄钮片一，埂铝贴台的方式，最后成功试制样 ｆｌ。为兼顾ｒ宽视场（５ ７。方向）的曝光度，义能提高成像分辨率（Ｉ １。方向的调￥０作¨Ｊ）。 采用不对称栅格结构，如图３所示。准直器桶、主栅扳｝１法兰盘采＂Ｊ ＬＹｌ２ＣＺ锅台金制造。 由丁ＩＸｌ２ＣＺ锅台金的强度比＿ｉ｝｝域铅．锑合金高得多，】舡消横向主栅扳，仅保留５条纵向土
５
ｕ
ｍ．重复精度１ ２
５ ｕ
ｍ．删头压
２００９第二十二届全国空问探测学术讨论会论文
检验准直器外形尺寸精度，同时检测到栅板与栅板间的平行度，从而保证准直通道尺 寸的规范性，简捷而易操作。 试制的样件测量结果表明，法兰的两个面的平行度为０．０１ｍｍ，外圆柱面轴线与法兰断
面的垂直度０．０１５ｍｍ，栅板问平行度０．０５ｒａｍ，即外圆柱面轴线与法兰面得法线最大夹角为
２００９第，十■届全『司空川探测学术讨｜＾会论文
栅板，这样小ｆｎ可以减重，ｆｎＪ且能Ｉ竹加｜１．空比【５１ 利川ＧＥＡＮ］１４模拟１ ８个准直器单体加整 体屏蔽时的弥散光子环境奉底，得到平均到每 个探测器上的本底计数率为２０７ｃｏｕｎｔｓ／ｓ：而原 米的准直器单体的计算纠ａ果是，平均刮每个探 测器上舳本底计数率为３
Ｔａｂ Ｉ
Ａｔ”ｍ】ａｔｉ
Ｏｒｌ
ｅｏｅｆｆｉｅｉｃｎｔ
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ｕｓｕａＩ ｍａｔｐＩｉｎｌ
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ｃｏｌｌｉｍｔｏｒ
ｎ寨名称
蟓ｒ序数 （ｇ／ｃｍ３） （ｃｍ２／ｇ）
＊虚
所＃Ｒｍ系数
线ｔ｝裒艟系数
川ＬＹｌ２ＣＺ高强度硬钒合金作框架．内部铸造铅一锑台金内桶和土栅板，内表面切０
２ｍｍ
宽的槽．插入１５６片０ １５ｍｍ厚的钽扳，构成准直器单体，见翻２。上栅扳厚２ｒａｍ的单体重 啦为１９ ６ｋｇ，将５条土栅板都减薄到ｊ ２ｍｍ历单体咀草为１６ ３ｋｇ。此方室的准商器单体经 过机械精度测量、物理成像试验及动力学环境试验，各项指标均达到了任务要求，但其重量 严重考验１１吊平台的承受力， 方案２镀铅准直器 钳的机械强应报低，１ ２ｍｍ厚的内桶剃十栅扳已经是满足加Ｉ。要求和力。｝环境要求的 极限，我们晓患川密度根低的ＬＹｌ２ＣＺ’“高强度铝台金仆为准直器的框架．内表面镀以薄钳 构成准直器单体，称其为铝台金框架沉铅插｜｝ｌｉ扳的技术方窠。经反复试验铅堙斜台金的迎接
２
ｅ
幽３钽准直器
Ｆｉｇ ３ Ｔａ．ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ
２钽准直器工艺方案 如图４所示为钽准“器的蹬训方案模型，准商
器桔度要求』Ｌ体为 ｌ、法兰端面Ｋ与Ｉｌ平行度珀度小丁０ Ｊ立小ｒ
２
２、蚓牲面Ｍ自『Ｎ的轴线与洁’‘端而Ｈ币｝’Ｌ虚角
Ｏ ５’
３、Ｔａ栅扳与法兰端面Ｈ的乖阿皮角度不人ｒ
ｌ
７，栅板问平行度角度不人ｒ
２
７。
２００９第一ｌ
ｉ膳全国空旧Ｊ探测学术讨论会沦文
蒌
目Ｉ
ＨＸＭＴ
ｌ’￡土＃∞
ＦｉｇＩＭａｉｎｌｏａｄ ｏｆＨＸＭＴ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ
准直器的物理功能是让特定方向的ｘ射线通过，吸收衰减来Ｃ１其它方向的ｘ射线。能
够满足对高能ｘ射线屏蔽要求的材料有钳（Ｐｂ）、钨（ｗ）、钭（Ｔａ）、蒋，参见表
丧１常ｍ准Ａｍ材料的女减系数（１４０ｋｅＶ ｍＴ）
２
要求，多次热处理Ⅵ０是去除材料山应力及加ｉ麻力， 从而保证了尺寸的稳定性，
贴附铝框架内表面钽片，并腔结，方
一
幽４钽准直∞方案模型
Ｆｉｇ
４ｎ－ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒｍｏｄａｌ
３精度测量 由丁准直器精度要求高，而且铋片较薄较软．栅格鲇构通道Ｒ寸义狭窄，精度测带难
度ｍ常人。 比较光学测带法和机械接触式删甘法进行洲姑，机械洲苗法更加精确，升Ｈ可以洲时 到栅格内表面尺寸，更加直胱便捷。 采Ⅲ高精度的三座标测拮仪，其测姑示位误筹＝３ 力；６ｍ可以｝＆好完成准直器的精度榆测。 如凹４所示．三坐标测昔仪自先拟台阻法兰基准端面Ｈ为其基准面．分别洲撤： ｌ、法兰端面Ｋ与Ｈ平｛ｉ度； ２、圆杠面Ｍ和、的轴线与法兰端面Ｈ的难直度； ３、栅极与法兰端面Ｈ的碓卣度；
参考文献
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１‘
锅合金框架形状复杂．精度要求极高，防ＩＩ：自ｌｌ
Ｉ：中的变形是其戈键。加】越群中设训了两种９Ⅲｌ。
装，制定了包括四次机由¨Ｌ两玖线切割、二次热处
理的加川．艺，整个ｌ岂可简要总结为：“粗下—— 热处理ｌ——留余蟮线切割——热处理２——、１７槠午 ——热处理３——线切割内腔——精车——检验锅
框架”，其中多次机加Ｉ。帛线切割确保结构精度满足 锅台金框架检测台格之后将其清沾，插入钽片 告完成高能准直器的加【‘制作。
２００９第二十二届全国空间探测学术讨论会论文
高精度准直器的设计及测量
张爱梅１金永杰２王娟１吴枚１吴伯冰１张童１
‘（中国科学院高能物理研究所北京１０００４９） ２（清华大学北京１０００８４）
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摘要：高精度准直器是广泛应用于空间探测和医疗器械等领域的关键设备，其 作用是对入射Ｘ射线进行调制准直。本文以硬Ｘ射线调制望远镜（Ｈ）（＾ｌＴ）卫星的 高能准直器作为研究对象，以设计实现高精度准直器的为研究目标，经过反复优 化设计，提出了一种新型准直器的工艺方案，实现了栅格结构准直孔的规格化， 并研究出一套切实可行的精度测量方法。经测量高能准直器样件精度能够控制在 ２ ７以内，满足硬ｘ射线调制望远镜（Ｈ删Ｔ）的科学目标需求。 关键词：Ｉ，高精度准直器２，栅格结构３，工艺方案４，测量方法