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全球唯一！中国率先将美国学者设想变为现实

发布日期：2025-01-16 09:56 来源：新重庆-重庆日报精选

摘要：近期，“天关”卫星首批科学成果正式发布。自2024年1月9日发射以来，它探测到多种类型的暂现天体，并捕捉到几例可能的新类型暂现源。其卓越的X射线探测能力得益于核心载荷——宽视场X射线望远镜（WXT，中文名为万星瞳），也被称为“龙虾眼”。

近期，“天关”卫星首批科学成果正式发布。自2024年1月9日发射以来，它探测到多种类型的暂现天体，并捕捉到几例可能的新类型暂现源。其卓越的X射线探测能力得益于核心载荷——宽视场X射线望远镜（WXT，中文名为万星瞳），也被称为“龙虾眼”。

科研团队自豪地表示：“国际上至今没有能与‘龙虾眼’媲美的载荷甚至样机，我们在技术上一步跨越近30年！”

▲“龙虾眼”光学系统在国家天文台实验室进行装调。中国科学院上海技术物理研究所供图

“试试就试试”

恒星爆炸、中子星合并、黑洞吞噬恒星……一系列天文事件总在瞬间发生，大量X射线光子向四面八方奔腾而去。想要了解这些天文事件，用一台能看到极其广阔宇宙空间的望远镜去捕捉、观察X射线不失为一个好办法。

2000年以来，“时域天文学”逐渐成为国际天文学界的前沿领域，采用“龙虾眼”结构设计观察X射线的望远镜是推动这一领域的先进工具。这项技术最初的想法源自美国天文学家罗杰·安吉尔1979年发表的一篇论文。

2010年夏天，刚从清华大学完成博士后工作的张臣即将入职国家天文台，他接到中国科学院高能物理研究所研究员张双南的电话。

“‘龙虾眼’可能是个突破点，要不你来试试？”张双南开门见山。“试试就试试！”张臣毫不迟疑地答应了。

就这样，张臣入了“龙虾眼”的“坑”，担任刚刚提出的空间站X射线全天监视器技术负责人。当时还没有“龙虾眼”在空间项目中成功应用的先例。张臣深知，自己面对的是一道世界级难题。

自主攻克致命问题

镜片是“龙虾眼”望远镜的关键部件之一，当时，仅有一家法国公司有能力生产这样的镜片。“他们每片卖20万元，我们计划购买400多片，对方不降价也不保证质量。”

经过反复沟通，团队决定先尝试购买20片镜片。结果，等拿到产品，检测后却发现只有10片可用。“对一个空间望远镜项目而言，这是一个致命问题。”张臣说。

在希望最渺茫的时候，团队也没有放弃。2015年，在“天关”卫星背景型号研究后期，国内一家生产相近产品的企业——北方夜视公司主动请缨，承担“龙虾眼”光学器件的自主研制任务。

在张臣的记忆里，那是一段为了梦想而忘我奋斗的难忘时光。“一开始镜片性能很差，科研团队投入了全部精力，实现了快速迭代。”

北方夜视公司不计成本，分批生产了2万余片“龙虾眼”镜片，并进行批量化筛选，完成了正样所需的400余片镜片的筛选，再由人工复核，最终实现所有正样镜片参数零错误。

大家对每一个指标精益求精，甚至不惜重新设计。对于代表分辨率的指标“角分”，团队一个角分一个角分“死磕”。最终，这一指标达到4至5角分，最佳达到3角分，处于国际领先水平。

▲宽视场X射线望远镜子模块装调

没有先例的超前决定

团队遇到的另一个挑战是光子探测器研制。经过大量实验验证后，团队创新性地将背照式互补金属氧化物半导体（CMOS）应用于探测X射线光子。尽管CMOS早已广泛应用于数码相机、手机摄像头，但这是国际上首次将CMOS探测器应用于空间X射线天文探测。

2022年7月，“龙虾眼X射线成像仪”（LEIA）在轨试验取得成功。但在工作了一段时间后，在轨试验的CMOS出现了异常条纹。

国家空间科学中心组织几家单位共同分析，在尽可能短的时间里，把能想到的实验都做了。那段时间里，整个团队神经紧绷，许多人的眼睛都是红的，铆足了劲在干。

所幸，通过缜密的实验，他们基本得出结论：这是一个由局部缺陷引发的个别案例，而非批量生产的问题。项目按计划继续向前推进。

互补，但不越位

在“龙虾眼”的研制中，3家单位的科研团队发挥各自优势，通力合作，共同攻克了一个又一个技术难题，成功完成全部国产化的自主研制。

其中，国家天文台负责设备的科学性，提供光学设计、镜片参数的X射线测试、镜片质量改进路线的科学建议，以及“龙虾眼”聚焦镜组件的自动化装调、测试和标定；北方夜视公司负责镜片实际加工和工艺改进；上海技物所则负责工程实现，组装整个载荷仪器，逐一攻克了结构热控、横向阵列、CMOS探测器复杂结构、精密热控及电子学等关键技术。国家天文台和上海技物所还负责完成了完整的“龙虾眼”望远镜模块地面X射线标定。

这次合作就像一支足球队踢了一场好球，每个人都有明确的位置，队员们互相配合、互补，并且没有越位。

“遇到问题时互相帮忙，共同努力解决问题，团结协作的精神是确保项目成功的关键。”张臣说。

来源：中国科学报微信公号

编辑：袁文蕙主编：马京川审核：李露