超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目

2022/12/81/27SHARP:Super-HighAngularResolutionPrincipleforX-rayimaging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研究所超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目共28页，您现在浏览的是第1页!高角分辨率X射线成像清晰，清晰，再清晰！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Hubble照片（光学波段)，0.1

arcsecCrab的Chandra照片（0.3-3keV能段)，~0.5

arcsec我们能看得如此清晰吗？超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目共28页，您现在浏览的是第2页!2022/12/83/27超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目太阳耀斑照片太阳CME照片超高角分辨率X射线望远镜（Super-highAngularResolutionPrincipleforCoded-maskX-rayImaging，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。超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目共28页，您现在浏览的是第3页!MirrorPolish,Fabrication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：编码板成像，简单而可靠的系统Integral卫星Swift卫星D很大，d很小？亚arcsec角分辨率超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目共28页，您现在浏览的是第4页!MirrorPolish,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。超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目共28页，您现在浏览的是第5页!2022/12/86/27入射波描述探测器上接收到的波的描述编码方程超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目共28页，您现在浏览的是第6页!2022/12/87/27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ZhangC.,ZhangS.N.,ASuper-highangularresolutionprincipleforcoded-maskX-rayimagingbeyondthediffractionlimitofasinglepinhole，ResearchinAstronomyandAstrophysics(RAA),Vol9,2009,arXiv:0806.3494v1SHARP核心-编码衍射交叉相关算法（DICC）超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目共28页，您现在浏览的是第7页!2022/12/88/27SHARP-X基本参数dm

50微米，基线D

50m。编队飞行技术或者是推杆技术。Δi几何光学PSF的宽度0.2

arcsecδλ探测器光谱分辨能力（能量分辨率）0.05nm@1nm,i.e.,120

eV@1nm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超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目共28页，您现在浏览的是第8页!2022/12/89/27SHARP-X：编码板对扩展源的成像原始重建小波处理后探测器图样超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目共28页，您现在浏览的是第9页!2022/12/810/27SHARP-X伸展臂技术示意图码板卫星（探测器）SHARP-X可行性：20-50米探测器码板基线的实现伸展臂技术：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NuStar卫星想像图上海805所研发了有关技术并获得了发明专利超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目共28页，您现在浏览的是第10页!2022/12/811/27MirrorPolish,FabricationSHARP-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spridercn.china.mainone./product/product-601564290.htm超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目共28页，您现在浏览的是第11页!2022/12/812/27SHARP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超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目共28页，您现在浏览的是第12页!2022/12/813/27SHARP-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超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目共28页，您现在浏览的是第13页!2022/12/814/272010年1月测试结果验证了SHARP原理！波长580nm，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）两个点源强烈衍射码板投影照片：码板离CCD1027毫米两个点源相距0.2’傅里叶反解后图像超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目共28页，您现在浏览的是第14页!2022/12/815/27超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目共28页，您现在浏览的是第15页!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：~0.5

arcsec，远小于其衍射极限8

milliarcsec(6keV处)掠射受光子能量限制，~10

keV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超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目共28页，您现在浏览的是第16页!2022/12/817/27从SHARP到SHARP-X：SHARP基本原理MirrorPolish,FabricationG.K.Skinner，2003“Itwilleventuallybelimitedbydiffractionattheholesinthemask.”1

nm（1.24

kev）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。超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目共28页，您现在浏览的是第17页!MirrorPolish,FabricationSHARP中衍射的描述和计算机实现菲涅尔惠更斯的傅立叶变换近似，可以使用FFT算法计算菲涅尔惠更斯原理超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目共28页，您现在浏览的是第18页!2022/12/819/271

nm（1.24

kev）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从SHARP到SHARP-X：SHARP基本原理超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目共28页，您现在浏览的是第19页!2022/12/820/27SHARP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0.9

nm光子使用1

nm光子的GDI的反解图共享是可行的，但是要满足约束条件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）不同能量的光子使用1

nm光子的GDI造成的性能损失角分辨率超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目共28页，您现在浏览的是第20页!2022/12/821/27SHARP-X性能模拟在轴源定位精度好于0.02

arcsec角分辨率1.8Δi=0.36

arcsec@1nm,0.32@高能端

相隔0.36arcsec的1nm(1.24keV)单能源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4

mm，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0.4

arcsec的源，尚可分辨。修正后修正后两个相距0.4arcsec的源超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目共28页，您现在浏览的是第21页!2022/12/822/27SHARP-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50m基线可以缩短至20m，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。超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目共28页，您现在浏览的是第22页!2022/12/8空间科学学会年会，大连，2009.8.2823美国NuSTAR：2011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10米焦距10米焦距超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目共28页，您现在浏览的是第23页!2022/12/824/27MirrorPolish,FabricationSHARP-X可行性：探测器的选用：约1-15keVCCD英国E2V公司提供商业化的X射线CCD探测器像素大小9µm到>40µm

有效面积:

-最大到123mmx46mm

-理论上可以达到92mmx92mm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50×50μm2

到1mm2能量分辨率满足要求E2V公司CCD照片DEPFET示意图及其成像能力演示超高角分辨率太阳X射线成像SHARP-X项目共28页，您现在浏览的是第24页!2022/12/825/27SHARP-X和其他项目的比较MirrorPolish,FabricationSHARP-X优势明显SHARP-X超高角分辨率太阳X射线成像S