近期，“天關(guān)”衛(wèi)星首批科學(xué)成果正式發(fā)布。自2024年1月9日發(fā)射以來，它探測到多種類型的暫現(xiàn)天體，并捕捉到幾例可能的新類型暫現(xiàn)源。其卓越的X射線探測能力得益于核心載荷——寬視場X射線望遠(yuǎn)鏡（WXT，中文名為萬星瞳），也被稱為“龍蝦眼”。

科研團(tuán)隊(duì)自豪地表示：“國際上至今沒有能與‘龍蝦眼’媲美的載荷甚至樣機(jī)，我們在技術(shù)上一步跨越近30年！”

“龍蝦眼”光學(xué)系統(tǒng)在國家天文臺實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行裝調(diào)。中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所供圖

“試試就試試”

恒星爆炸、中子星合并、黑洞吞噬恒星……一系列天文事件總在瞬間發(fā)生，大量X射線光子向四面八方奔騰而去。想要了解這些天文事件，用一臺能看到極其廣闊宇宙空間的望遠(yuǎn)鏡去捕捉、觀察X射線不失為一個好辦法。

2000年以來，“時域天文學(xué)”逐漸成為國際天文學(xué)界的前沿領(lǐng)域，采用“龍蝦眼”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)觀察X射線的望遠(yuǎn)鏡是推動這一領(lǐng)域的先進(jìn)工具。這項(xiàng)技術(shù)最初的想法源自美國天文學(xué)家羅杰·安吉爾1979年發(fā)表的一篇論文。

2010年夏天，剛從清華大學(xué)完成博士后工作的張臣即將入職國家天文臺，他接到中國科學(xué)院高能物理研究所研究員張雙南的電話。

“‘龍蝦眼’可能是個突破點(diǎn)，要不你來試試？”張雙南開門見山?！霸囋嚲驮囋?！”張臣毫不遲疑地答應(yīng)了。

就這樣，張臣入了“龍蝦眼”的“坑”，擔(dān)任剛剛提出的空間站X射線全天監(jiān)視器技術(shù)負(fù)責(zé)人。當(dāng)時還沒有“龍蝦眼”在空間項(xiàng)目中成功應(yīng)用的先例。張臣深知，自己面對的是一道世界級難題。

自主攻克致命問題

鏡片是“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵部件之一，當(dāng)時，僅有一家法國公司有能力生產(chǎn)這樣的鏡片?！八麄兠科u20萬元，我們計(jì)劃購買400多片，對方不降價也不保證質(zhì)量?！?/p>

經(jīng)過反復(fù)溝通，團(tuán)隊(duì)決定先嘗試購買20片鏡片。結(jié)果，等拿到產(chǎn)品，檢測后卻發(fā)現(xiàn)只有10片可用?！皩σ粋€空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目而言，這是一個致命問題。”張臣說。

在希望最渺茫的時候，團(tuán)隊(duì)也沒有放棄。2015年，在“天關(guān)”衛(wèi)星背景型號研究后期，國內(nèi)一家生產(chǎn)相近產(chǎn)品的企業(yè)——北方夜視公司主動請纓，承擔(dān)“龍蝦眼”光學(xué)器件的自主研制任務(wù)。

在張臣的記憶里，那是一段為了夢想而忘我奮斗的難忘時光?！耙婚_始鏡片性能很差，科研團(tuán)隊(duì)投入了全部精力，實(shí)現(xiàn)了快速迭代?！?/p>

北方夜視公司不計(jì)成本，分批生產(chǎn)了2萬余片“龍蝦眼”鏡片，并進(jìn)行批量化篩選，完成了正樣所需的400余片鏡片的篩選，再由人工復(fù)核，最終實(shí)現(xiàn)所有正樣鏡片參數(shù)零錯誤。

大家對每一個指標(biāo)精益求精，甚至不惜重新設(shè)計(jì)。對于代表分辨率的指標(biāo)“角分”，團(tuán)隊(duì)一個角分一個角分“死磕”。最終，這一指標(biāo)達(dá)到4至5角分，最佳達(dá)到3角分，處于國際領(lǐng)先水平。

寬視場X射線望遠(yuǎn)鏡子模塊裝調(diào)

沒有先例的超前決定

團(tuán)隊(duì)遇到的另一個挑戰(zhàn)是光子探測器研制。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將背照式互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）應(yīng)用于探測X射線光子。盡管CMOS早已廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)攝像頭，但這是國際上首次將CMOS探測器應(yīng)用于空間X射線天文探測。

2022年7月，“龍蝦眼X射線成像儀”（LEIA）在軌試驗(yàn)取得成功。但在工作了一段時間后，在軌試驗(yàn)的CMOS出現(xiàn)了異常條紋。

國家空間科學(xué)中心組織幾家單位共同分析，在盡可能短的時間里，把能想到的實(shí)驗(yàn)都做了。那段時間里，整個團(tuán)隊(duì)神經(jīng)緊繃，許多人的眼睛都是紅的，鉚足了勁在干。

所幸，通過縝密的實(shí)驗(yàn)，他們基本得出結(jié)論：這是一個由局部缺陷引發(fā)的個別案例，而非批量生產(chǎn)的問題。項(xiàng)目按計(jì)劃繼續(xù)向前推進(jìn)。

互補(bǔ)，但不越位

在“龍蝦眼”的研制中，3家單位的科研團(tuán)隊(duì)發(fā)揮各自優(yōu)勢，通力合作，共同攻克了一個又一個技術(shù)難題，成功完成全部國產(chǎn)化的自主研制。

其中，國家天文臺負(fù)責(zé)設(shè)備的科學(xué)性，提供光學(xué)設(shè)計(jì)、鏡片參數(shù)的X射線測試、鏡片質(zhì)量改進(jìn)路線的科學(xué)建議，以及“龍蝦眼”聚焦鏡組件的自動化裝調(diào)、測試和標(biāo)定；北方夜視公司負(fù)責(zé)鏡片實(shí)際加工和工藝改進(jìn)；上海技物所則負(fù)責(zé)工程實(shí)現(xiàn)，組裝整個載荷儀器，逐一攻克了結(jié)構(gòu)熱控、橫向陣列、CMOS探測器復(fù)雜結(jié)構(gòu)、精密熱控及電子學(xué)等關(guān)鍵技術(shù)。國家天文臺和上海技物所還負(fù)責(zé)完成了完整的“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡模塊地面X射線標(biāo)定。

這次合作就像一支足球隊(duì)踢了一場好球，每個人都有明確的位置，隊(duì)員們互相配合、互補(bǔ)，并且沒有越位。

“遇到問題時互相幫忙，共同努力解決問題，團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神是確保項(xiàng)目成功的關(guān)鍵?！睆埑颊f。

來源：中國科學(xué)報(bào)微信公號

責(zé)任編輯：林紅