太阳是地球能量的主要来源, 太阳活动和变化对地球影响极大。为了满足天文学家对太阳观测和研究的需求, 设计一种新型Lyman α和可见光双波段内掩式日冕仪(SCI日冕仪), 能够在121.6 nm和700 nm两个波段同时对日冕进行高分辨率成像观测。根据太阳在121.6 nm和700 nm日面与日冕的辐射特性确定仪器的参数, 给出了日冕仪的初始结构, 建立评价函数对初始结构进行优化。分析了日冕仪光学系统的成像性能和各个光学元件产生杂散光对成像性能的影响, 确定影响系统杂散光抑制水平的主要光学元件和机械结构, 提出了对光学元件表面粗糙度的要求, 给出了里奥光阑的位置和通光口径。还设计了日冕仪光学反射镜和光学分色镜的膜系结构, 实现了对内日冕在121.6 nm和700 nm两个波段的同时成像。实验结果表明: SCI日冕仪视场覆盖1.1~25个太阳半径(Rs, 取1 Rs=0.267°), 空间分辨率优于4.8″, 杂散光抑制水平在1.1Rs处优于10-6量级, 在2.5Rs处优于10-8量级, 满足观测需求。

为了评价软X射线掠入射望远镜的成像质量, 提出了一种利用ZEMAX和MATLAB相结合的像质评价方法。根据这种方法编写的像质评价程序不仅考虑了孔径衍射、几何像差和装调误差等因素对成像质量的影响, 而且加入了望远镜面形误差和X射线散射效应的影响。利用勒让德-傅里叶多项式和用户自定义表面, 在ZEMAX中建立带有面形误差的筒状反射镜表面模型, 实现对真实面形的掠入射反射镜的仿真; 根据Harvey-Shack散射理论建立了ZEMAX中的BSDF散射模型, 实现对X射线散射的仿真。搭建X射线有限远成像实验装置, 对像质评价程序进行了验证。实验结果和仿真结果对比表明: 实验光斑和仿真光斑的光强分布基本一致, 以实验结果为基准, 仿真光斑的半高全宽横向和纵向的相对误差分别为14.7%和11.3%。说明像质评价程序的仿真结果基本符合真实情况, 对掠入射光学系统的设计和加工具有一定的指导意义。

本文提出了一种基于电荷电容分割位置分辨原理的光子位置读出阳极, 能够大幅提高该类探测器的空间分辨率和光子计数率。首先, 介绍了影响现有光子计数成像探测器成像性能的关键因素, 分析了采用电容分割位置分辨方法的优势; 其次, 对电荷电容分割原理展开了理论推导, 分析了光子位置与阳极读出信号变化的空间位置的相关性; 再次, 在理论推导的基础上, 分析了电容分割读出阳极相关物理参数对其空间位置分辨能力的影响; 然后, 提出了电容分割位置分辨阳极的优化设计原则, 并设计了一种新型的基于电容分割的二维光子位置读出阳极。最后, 利用有限元仿真工具COMSOL建立了该电容阳极的模型, 进行了位置分辨原理仿真, 并评估了空间分辨的准确性。仿真结果表明: 阳极的位置分辨误差小于50 μm, 中心区域的位置分辨误差小于5 μm, 阳极的位置分辨性能优良。

研究X射线散射法在软X射线掠入射望远镜反射镜的表面粗糙度测量中的应用。首先, 在光滑表面近似和细光束条件下, 根据Harvey-Shack表面散射理论得出反射镜的面形仅影响总反射光分布中的镜向部分, 对散射部分的影响可以忽略不计; 然后设计了X射线散射法测量Wolter-I型软X射线掠入射望远镜的表面粗糙度的实验方案, 并且对引起系统误差的主要因素进行了分析, 确定了进行仿真实验时的参数; 最后用Zemax对实验方案进行了仿真。在空间频率高于28/mm时, 表面粗糙度的仿真测量结果与真值吻合得非常好。本文研究结果显示: 在光滑表面近似和细光束条件下, 反射镜的面形仅影响表面粗糙度的低频部分的测量准确性, 对高频部分测量准确性的影响可以忽略不计, 利用X射线散射法可以准确测量软X射线掠入射望远镜的表面粗糙度。

为实现极光光谱中远紫外波段N₂ LBH(140~180 nm)辐射成像探测的需求,采用远紫外光子计数成像探测器对其进行探测。探测器主要由CsI光电阴极、V形叠加微通道板堆、感应式楔条形位敏阳极等构成。首先构建远紫外波段辐射定标测量装置,其主要由真空室、真空位移台、标准传递探测器、远紫外掠入射单色仪、真空紫外光源、信号处理地检设备等组成;然后测试探测器的量子效率、分辨率、暗噪声、极限计数率等;最后分析测试数据。实测结果表明,探测器在工作波段的量子效率最高可达12.9%,空间分辨率为88.3 μm,暗计数率为0.87 counts/(s·cm ²),探测器系统计数率有效测试范围为0~350000 counts/s,能够满足探测极光的N₂ LBH辐射成像需求。

为消除微通道板光子计数探测器系统中电子噪声的干扰，研究了探测器分割噪声的来源，并提出利用COMSOL软件仿真计算分割噪声的方法.利用有限元方法对基于Vernier阳极探测器的成像过程进行三维建模，实现了一组5×5针孔阵列的模拟成像，计算出Vernier阳极分割噪声所产生的电子云质心位置的偏移量，验证了Vernier阳极探测器成像编码的正确性与仿真研究分割噪声的可行性.通过分析不同参量的阳极面板，利用数值拟合方法，得到电子云质心偏移量与阳极面板设计参量之间的关系.在固定面板参量的前提下，可以通过提高微通道板增益来有效降低分割噪声对质心位置偏移影响.

考虑极紫外波段空间相机尚无合适的辐射定标方法和装置, 本文提出了适用于该波段的小目标成像辐射定标方法并基于该方法在实验室建立了辐射定标装置。提出的标定方法首先使用标准传递探测器标定小目标的辐射亮度; 然后, 用待定标相机中心视场对该小目标成像, 获得中心视场部分的辐射强度响应度; 最后, 通过调整转动结构使不同视场对该小目标成像, 得到不同区域的辐射强度响应度。构建的辐射定标装置由光源系统、标准传递探测器、真空罐及四维运动转台等组成。光源系统包括空心阴极光源、极紫外掠入射单色仪、准直反射镜, 能够出射工作波段的准直光束; 标准传递探测器标定出光束照度并计算得到小目标的辐射强度; 运动平台使相机能够以不同视场角对小目标成像, 测得不同视场的辐射强度响应度。利用该装置对一台极紫外相机进行了辐射定标实验, 并进行了误差源分析。实验结果表明该装置的定标精度优于15%, 能够实现整机状态下的辐射定标。

平场定标是空间相机研制过程中必不可少的定标项目。目前,普遍使用均匀照明目标进行空间相机的平场定标,而该方法由于依赖于目标的均匀性,其应用存在一些缺陷。提出了一种基于非均匀目标的平场定标方法,摆脱了对目标均匀性的依赖,具有实际应用价值。首先,基于多幅非均匀目标图像像元灰度的相关性,建立了相机像面响应度分布计算模型;采用最小二乘迭代法对该模型进行了求解,并编写程序进行仿真验证,验证结果表明,在图像信噪比高于25 dB的情况下该方法定标精度优于0.5%;最后,根据该方法的特点,给出了实际定标试验的操作流程。

X 射线成像技术在空间探测中的应用日渐广泛，为了提高孔径利用率和系统有效面积，通常采用Wolter-Ⅰ型嵌套望远镜对空间X 射线源进行会聚成像。由于传统的光学设计软件在分析掠入射系统方面存在一定的缺陷，因此使用MT_RAYOR 工具库自编程对X 射线望远镜进行成像质量分析。MT_RAYOR 用于Wolter-Ⅰ型嵌套结构望远镜系统的分析，具有全面、准确和快捷的优势。基于MT_RAYOR，对用于0.2~20 keV 波段成像的嵌套型双锥结构望远镜进行了系统设计，从有效面积、点扩展函数、能量集中度等方面进行了成像质量分析。该结构在10 keV 以内保持500 cm2 以上的稳定有效面积，在硬X 射线波段的有效面积也可达到250 cm2 以上，系统工作波段跨度大、稳定性高。分析了辐条和反射面的面形误差对系统在实验中成像质量的影响，对望远镜系统的优化和装调具有指导作用。