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SHARP: Super-High Angular Resolution Principle for X-ray imaging

SHARP: Super-High Angular Resolution Principle for X-ray imaging. 国家天文台、南京大学、紫金山天文台、清华大学、 空间科学与应用中心、物理所、航天八院 805 研究所. 高角分辨率 X 射线成像. 清晰，清晰，再清晰！. Crab 的 Hubble 照片（光学波段 ) ， 0.1 arcsec. 更多的细节，更多的信息，更透彻的研究天体的活动。 X 射线成像至少应该和光学波段的角分辨率匹配。 对于致密天体周围的物理过程，高角分辨率 X 射线成像不可替代。

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SHARP: Super-High Angular Resolution Principle for X-ray imaging

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  1. SHARP: Super-High Angular Resolution Principle for X-ray imaging 国家天文台、南京大学、紫金山天文台、清华大学、 空间科学与应用中心、物理所、航天八院805研究所

  2. 高角分辨率X射线成像 清晰，清晰，再清晰！ Crab的Hubble照片（光学波段)，0.1arcsec • 更多的细节，更多的信息，更透彻的研究天体的活动。 • X射线成像至少应该和光学波段的角分辨率匹配。 • 对于致密天体周围的物理过程，高角分辨率X射线成像不可替代。 • 太阳耀斑的精细结构：研究太阳耀斑演化、粒子沉降和耀斑非线性动力学，理解太阳耀斑的粒子加速机制。 Crab的Chandra照片（0.3-3keV能段)，~0.5arcsec 我们能看得如此清晰吗？

  3. 超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目 • 超高角分辨率X射线望远镜（Super-high Angular Resolution Principle for Coded-mask X-ray Imaging，SHARP-X）首次实现太阳X射线亚角秒空间分辨率观测，科学目标： • 耀斑的加速机制，加速源区及其大小,“元耀斑”结构存在与否 • 耀斑X射线源的时空分布特征 • 耀斑加速粒子传输机制；是否存在弥散硬X射线源； • CME加速粒子的X射线表征； • 与CME相关的耀斑X射线源特征 • 直接为空间天气预报服务。 太阳耀斑照片 太阳CME照片

  4. 高角分辨率X射线成像 • Chandra-在可预见的将来有可能是最好的X射线掠射成像系统，也可能是最昂贵复杂的系统 • 镜片的不规则度制约了其角分辨率：~0.5arcsec，远小于其衍射极限8milli arcsec (6 keV处) • 掠射受光子能量限制，~10keV 傅里叶变换望远镜，编码成像的一种 菲涅耳环板成像，衍射干涉系统 编码板成像，最常用的编码成像系统 ……

  5. Mirror Polish, Fabrication 编码板成像，简单而可靠的系统 • 编码板成像：位置灵敏探测器+随机码板，入射X射线的流强与方位空间调制。算法重建。 • 仪器结构简单，成功运行在多个任务上。 • 理论上没有工作能段的限制 • 仪器尺寸受限的情况下角分辨率不高，灵敏度较低 Integral卫星 探测器平面和码板平面距离为D，探测器位置分辨d，几何光学的假设下PSF宽度： D很大，d很小？亚arcsec角分辨率 Swift卫星

  6. 从SHARP到SHARP-X：SHARP基本原理 G. K. Skinner，2003 “It will eventually be limited by diffraction at the holes in the mask.” Mirror Polish, Fabrication 1nm（1.24kev）X射线光子经过50微米的方孔后在50米距离上的菲涅尔衍射的流强分布。 码板几何光学的理论投影和衍射现象不可忽略时的衍射投影。

  7. Mirror Polish, Fabrication 编码板成像原理 几何光学假设下的探测过程，M是码板，*表示交叉相关 几何光学假设下的图像反解，G是反解矩阵 选择G的使得M*G是δ函数。 一般情况下M的自相关函数本身就是δ函数，所以G=M。 但是在有衍射的情况下，G≠M，需要仔细的选择。

  8. Mirror Polish, Fabrication SHARP中衍射的描述和计算机实现 菲涅尔惠更斯原理 菲涅尔惠更斯的傅立叶变换近似，可以使用FFT算法计算

  9. 入射波描述 探测器上接收到的波的描述 编码方程

  10. 从SHARP到SHARP-X：SHARP基本原理 • 1nm（1.24kev）X射线光子， • 50微米的孔径编码板 • 基线长度50米 • 普通的交叉相关算法已经无法得到点源的图像

  11. SHARP核心-编码衍射交叉相关算法（DICC） • 各个像素之间的衍射的相干迭加使得探测器上得到的衍射图样矩阵中必然包含了编码板的空间编码信息。 • 使用正入射的衍射图样作为反解矩阵。 • GDI通过数值模拟得到，亦可以通过实验测得。 • 衍射极限应当是以码板的整体尺寸来考虑 • 得到清晰的点源图像 • 少许菲涅尔衍射条纹残留 • GDI是能量的函数 Zhang C., Zhang S. N., A Super-high angular resolution principle for coded-mask X-ray imaging beyond the diffraction limit of a single pinhole，Research in Astronomy and Astrophysics (RAA) , Vol 9, 2009, arXiv:0806.3494v1

  12. SHARP约束条件 • GDI是入射光子能量E的函数，但一个能段内的光子需要共享一个GDI ： • 计算资源不允许 • 可以认为探测器无法区分能量差异小于一个能量分辨率的光子 • 共享是可行的，但是要满足约束条件 0.9nm光子使用1nm光子的GDI的反解图 • dm码板孔径大小，dd探测器空间分辨率 • Δi望远镜几何光学假设下PSF的宽度 • δλ探测器光谱分辨能力（能量分辨率） 角分辨率 不同能量的光子使用1nm光子的GDI造成的性能损失

  13. SHARP-X基本参数 • dm50微米，基线D50m。编队飞行技术或者是推杆技术。 • Δi几何光学PSF的宽度0.2arcsec • δλ探测器光谱分辨能力（能量分辨率） 0.05 nm@1 nm, i.e., 120eV@1 nm • 硅半导体探测器可以满足。 • 目前的技术条件可行。 • 作为高精度X射线观测望远镜：SHARP-X

  14. SHARP-X性能模拟 相隔0.36 arcsec的1 nm(1.24 keV)单能源 角分辨率 1.8 Δi =0.36arcsec@1 nm, 0.32 @高能端 在轴源定位精度好于0.02arcsec 码板探测器相对位置误差的可以通过算法矫正，例如相对水平位移的修正： • 码板探测器之间相对简谐振动，振动幅度4mm，80个探测器像素大小 • 测量误差3 微米 • 使用扫描交叉相关算法修正 • 两个相距0.4arcsec的源，尚可分辨。 修正后 修正后 两个相距0.4 arcsec的源

  15. SHARP-X：编码板对扩展源的成像 原始 探测器图样 重建 小波处理后

  16. SHARP-X：进一步提高角分辨率 • DICC和直线光学假设下的编码板的PSF<->直线光学假设下小孔相机的PSF，即Δi • 探测器空间分辨率好于码板像素->探测到更细腻的衍射条纹->超越Δi的PSF • 多种解卷积方法可以应用于SHARP:如Lucy迭代，Wiener滤波 • 系统约束条件依旧存在 • 瑞利衍射极限限制着系统角分辨率->λ/W (W是整个编码板的线度) • 1米直径码板对应1毫角秒 • 预计50 m基线可以缩短至20 m，初步光学实验证明可行，但还需进一步X射线实验性能验证。

  17. SHARP-X可行性：20-50米探测器码板基线的实现 码板 卫星（探测器） SHARP-X伸展臂技术示意图 • 伸展臂技术： • NASA的Polar和NuStar卫星 • 难点： • 伸展臂设计 • 卫星的伸展臂带来的质量特性变化 • 卫星抗干扰设计 上海805所研发了有关技术并获得了发明专利 NuStar卫星想像图

  18. 美国NuSTAR：2011 10米焦距 10米焦距 • 深度黑洞巡天 • 年轻超新星爆发成像观测 • 研究宇宙高能粒子加速 • 证认银河系的高能天体物理源 空间科学学会年会，大连，2009.8.28

  19. Mirror Polish, Fabrication SHARP-X可行性：码板的微加工 • 重金属码板的微孔加工技术： • 已经广泛应用于工业领域，如湿纺喷丝头 • 但是由于码板上小孔分布随机以及数量众多，码板加工还有待进一步调研 宁波斯宾拿精密机械制造有限公司http://spridercn.china.mainone.com/product/product-601564290.htm

  20. Mirror Polish, Fabrication SHARP-X可行性：探测器的选用：约1-15 keV CCD 英国E2V公司提供商业化的X射线CCD探测器 像素大小 9 µm 到 > 40 µm  有效面积:  - 最大到 123mm x 46mm  - 理论上可以达到 92 mm x 92 mm 能量分辨率满足要求 E2V公司CCD照片 DEPFET 新一代半导体探测器，德国马普半导体实验室，和清华空间天文探测器研究室有良好合作 像素大小 50 × 50 μm2 到 1 mm2 能量分辨率满足要求 难点在于大规模像素读出的电子学的研制，包括专用集成电路ASIC的设计等等 DEPFET示意图及其成像能力演示

  21. SHARP成像望远镜的特点 • 克服衍射极限在X射线波段实现远远超过现有X射线望远镜的角分辨和定位能力 • 现有的微机械加工技术制造码板产生衍射和干涉图案 • 现有的X射线半导体探测器或者微量能器探测图案 • 利用针孔衍射扩大点源像从而放松了对探测器位置分辨的要求 • 和现有X射线半导体探测器或者微量能器的位置分辨匹配 • 非聚焦型成像系统克服X射线望远镜长焦距带来的大几何尺寸 • 容易建造广角、轻重量、大面积、高角分辨率望远镜 • 主要缺点：由于是非聚焦型成像系统使得望远镜的有效面积小于探测器的面积 • 对于背景主导的观测信噪比差，因此不适于弱源观测

  22. SHARP-X和其他项目的比较 SHARP-X Mirror Polish, Fabrication SHARP-X优势明显

  23. SHARP-X关键技术研究 • SHARP原理的深入研究 • 码板图样优化，反解算法改进，反解图像信噪比优化； • 约束条件优化； • 对由于卫星推杆扰动产生的码板以及探测器之间相对位置变化造成的成像质量的变化，以及对基于全局坐标系反投影叠加算法的相对位置的变化修正算法的研究 • 地面光学模拟系统 • 硬件搭建：光路和成像系统；位置控制和测量系统以及环境控制系统。 • 软件的编写：计算机控制软件，测量和CCD图像获取处理软件，成像的数值模拟软件以及成像和数据处理软件等等。 • 原理验证测试和性能研究

  24. SHARP-X：地面光学验证系统 • 通过相对简单的可见光地面试验验证SHARP原理

  25. 2010年1月测试结果验证了SHARP原理！ 波长580 nm，孔167微米 单孔衍射极限角分辨率： 14’ 几何光学理想角分辨率：0.6’ SHARP理想角分辨率： ? 实验得到的角分辨率： 0.5’ 无衍射码板照片 （码板靠近CCD） 两个点源相距0.2’ 两个点源强烈衍射码板投影照片：码板离CCD 1027毫米 傅里叶反解后图像

  26. SHARP-X关键技术研究 CCD CCD • 3 突破高精度X射线探测器及其相关的高集成化电子学读出技术，完成小尺寸X射线成像演示实验系统； • 硬件研究 • X射线源和低能X射线管及其配套的真空系统的搭建。 • X射线CCD及其电子学。 • 计算机控制精密线性模组在内的位置控制和测量系统 • 原理验证测试和性能研究测试。 • 小尺寸X射线成像演示实验系统的工作能量范围1-10 keV，能量分辨率优于200 eV@6 keV；

  27. SHARP-X关键技术研究 • 4 超高角分辨率X射线望远镜方案设计 • 对卫星平台的要求 • SHARP-X基本设计参数 • 探测器及其电子学选择 • 给出SHARP-X的基本性能参数，包括角分辨率、定位精度、灵敏度、能量分辨率、时间分辨率等。 • 5 SHARP所需的超长伸展臂技术和激光相对位置测量技术突破。 • 伸展臂的可行性和可靠性以及对卫星平台带来的影响 • 伸展臂和卫星平台激光相对位置测量技术

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