近期，“天關”衛(wèi)星首批科學成果正式發(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射線望遠鏡（WXT，中文名為萬星瞳），也被稱為“龍蝦眼”。
科研團隊自豪地表示：“國際上至今沒有能與‘龍蝦眼’媲美的載荷甚至樣機，我們在技術上一步跨越近30年！”
“龍蝦眼”光學系統(tǒng)在國家天文臺實驗室進行裝調。中國科學院上海技術物理研究所供圖
“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”逐漸成為國際天文學界的前沿領域，采用“龍蝦眼”結構設計觀察X射線的望遠鏡是推動這一領域的先進工具。這項技術最初的想法源自美國天文學家羅杰·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，要不你來試試？”張雙南開門見山。“試試就試試！”張臣毫不遲疑地答應了。
就這樣，張臣入了“龍蝦眼”的“坑”，擔任剛剛提出的空間站X射線全天監(jiān)視器技術負責人。當時還沒有“龍蝦眼”在空間項目中成功應用的先例。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”望遠鏡的關鍵部件之一，當時，僅有一家法國公司有能力生產(chǎn)這樣的鏡片。“他們每片賣20萬元，我們計劃購買400多片，對方不降價也不保證質量。”
經(jīng)過反復溝通，團隊決定先嘗試購買20片鏡片。結果，等拿到產(chǎn)品，檢測后卻發(fā)現(xiàn)只有10片可用。“對一個空間望遠鏡項目而言，這是一個致命問題。”張臣說。
在希望最渺茫的時候，團隊也沒有放棄。2015年，在“天關”衛(wèi)星背景型號研究后期，國內一家生產(chǎn)相近產(chǎn)品的企業(yè)——北方夜視公司主動請纓，承擔“龍蝦眼”光學器件的自主研制任務。
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。“一開始鏡片性能很差，科研團隊投入了全部精力，實現(xiàn)了快速迭代。”
北方夜視公司不計成本，分批生產(chǎn)了2萬余片“龍蝦眼”鏡片，并進行批量化篩選，完成了正樣所需的400余片鏡片的篩選，再由人工復核，最終實現(xiàn)所有正樣鏡片參數(shù)零錯誤。
大家對每一個指標精益求精，甚至不惜重新設計。對于代表分辨率的指標“角分”，團隊一個角分一個角分“死磕”。最終，這一指標達到4至5角分，最佳達到3角分，處于國際領先水平。
寬視場X射線望遠鏡子模塊裝調
沒有先例的超前決定
團隊遇到的另一個挑戰(zhàn)是光子探測器研制。經(jīng)過大量實驗驗證后，團隊創(chuàng)新性地將背照式互補金屬氧化物半導體（CMOS）應用于探測X射線光子。盡管CMOS早已廣泛應用于數(shù)碼相機、手機攝像頭，但這是國際上首次將CMOS探測器應用于空間X射線天文探測。
2022年7月，“龍蝦眼X射線成像儀”（LEIA）在軌試驗取得成功。但在工作了一段時間后，在軌試驗的CMOS出現(xiàn)了異常條紋。
國家空間科學中心組織幾家單位共同分析，在盡可能短的時間里，把能想到的實驗都做了。那段時間里，整個團隊神經(jīng)緊繃，許多人的眼睛都是紅的，鉚足了勁在干。
所幸，通過縝密的實驗，他們基本得出結論：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。項目按計劃繼續(xù)向前推進。
互補，但不越位
在“龍蝦眼”的研制中，3家單位的科研團隊發(fā)揮各自優(yōu)勢，通力合作，共同攻克了一個又一個技術難題，成功完成全部國產(chǎn)化的自主研制。
其中，國家天文臺負責設備的科學性，提供光學設計、鏡片參數(shù)的X射線測試、鏡片質量改進路線的科學建議，以及“龍蝦眼”聚焦鏡組件的自動化裝調、測試和標定；北方夜視公司負責鏡片實際加工和工藝改進；上海技物所則負責工程實現(xiàn)，組裝整個載荷儀器，逐一攻克了結構熱控、橫向陣列、CMOS探測器復雜結構、精密熱控及電子學等關鍵技術。國家天文臺和上海技物所還負責完成了完整的“龍蝦眼”望遠鏡模塊地面X射線標定。
這次合作就像一支足球隊踢了一場好球，每個人都有明確的位置，隊員們互相配合、互補，并且沒有越位。
“遇到問題時互相幫忙，共同努力解決問題，團結協(xié)作的精神是確保項目成功的關鍵。”張臣說。
來源：中國科學報微信公號
責任編輯：林紅
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