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全球唯一！中國(guó)率先將美國(guó)學(xué)者設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)

2025-01-16

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(lái)，它探測(cè)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(cè)能力得益于核心載荷——寬視場(chǎng)X射線望遠(yuǎn)鏡（WXT，中文名為萬(wàn)星瞳），也被稱為“龍蝦眼”。

科研團(tuán)隊(duì)自豪地表示：“國(guó)際上至今沒(méi)有能與‘龍蝦眼’媲美的載荷甚至樣機(jī)，我們?cè)诩夹g(shù)上一步跨越近30年！”

一、“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(tái)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(gè)好辦法。

2000年以來(lái)，“時(shí)域天文學(xué)”逐漸成為國(guó)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(dòng)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(guó)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(guó)家天文臺(tái)，他接到中國(guó)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(gè)突破點(diǎn)，要不你來(lái)試試？”張雙南開(kāi)門見(jiàn)山。“試試就試試！”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(shí)還沒(méi)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(duì)的是一道世界級(jí)難題。

二、自主攻克致命問(wèn)題
鏡片是“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵部件之一，當(dāng)時(shí)，僅有一家法國(guó)公司有能力生產(chǎn)這樣的鏡片。“他們每片賣20萬(wàn)元，我們計(jì)劃購(gòu)買400多片，對(duì)方不降價(jià)也不保證質(zhì)量。”

經(jīng)過(guò)反復(fù)溝通，團(tuán)隊(duì)決定先嘗試購(gòu)買20片鏡片。結(jié)果，等拿到產(chǎn)品，檢測(cè)后卻發(fā)現(xiàn)只有10片可用。“對(duì)一個(gè)空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目而言，這是一個(gè)致命問(wèn)題。”張臣說(shuō)。

在希望最渺茫的時(shí)候，團(tuán)隊(duì)也沒(méi)有放棄。2015年，在“天關(guān)”衛(wèi)星背景型號(hào)研究后期，國(guó)內(nèi)一家生產(chǎn)相近產(chǎn)品的企業(yè)——北方夜視公司主動(dòng)請(qǐng)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(mèng)想而忘我?jiàn)^斗的難忘時(shí)光。“一開(kāi)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。”

北方夜視公司不計(jì)成本，分批生產(chǎn)了2萬(wàn)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(cuò)誤。
大家對(duì)每一個(gè)指標(biāo)精益求精，甚至不惜重新設(shè)計(jì)。對(duì)于代表分辨率的指標(biāo)“角分”，團(tuán)隊(duì)一個(gè)角分一個(gè)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(guó)際領(lǐng)先水平。

三、沒(méi)有先例的超前決定
團(tuán)隊(duì)遇到的另一個(gè)挑戰(zhàn)是光子探測(cè)器研制。經(jīng)過(guò)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(cè)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(guó)際上首次將CMOS探測(cè)器應(yīng)用于空間X射線天文探測(cè)。

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(shí)間后，在軌試驗(yàn)的CMOS出現(xiàn)了異常條紋。

國(guó)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(shí)間里，把能想到的實(shí)驗(yàn)都做了。那段時(shí)間里，整個(gè)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(guò)縝密的實(shí)驗(yàn)，他們基本得出結(jié)論：這是一個(gè)由局部缺陷引發(fā)的個(gè)別案例，而非批量生產(chǎn)的問(wèn)題。項(xiàng)目按計(jì)劃繼續(xù)向前推進(jìn)。

四、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(shì)，通力合作，共同攻克了一個(gè)又一個(gè)技術(shù)難題，成功完成全部國(guó)產(chǎn)化的自主研制。

其中，國(guó)家天文臺(tái)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(cè)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(dòng)化裝調(diào)、測(cè)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(gè)載荷儀器，逐一攻克了結(jié)構(gòu)熱控、橫向陣列、CMOS探測(cè)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(guó)家天文臺(tái)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(chǎng)好球，每個(gè)人都有明確的位置，隊(duì)員們互相配合、互補(bǔ)，并且沒(méi)有越位。

“遇到問(wèn)題時(shí)互相幫忙，共同努力解決問(wèn)題，團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神是確保項(xiàng)目成功的關(guān)鍵。”張臣說(shuō)。

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