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媒体报道 | 为了造出“龙虾眼”镜片

来源:《中国建材》杂志  发布时间:2024-01-15

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近期,《中国建材》杂志发表专题文章《为了造出“龙虾眼”镜片》。中国建材总院立足国家需求,创新性地研制出具有微米级曲面方孔阵列结构的龙虾眼X射线探测镜片,实现国际上首台在轨工作探测器龙虾眼X射线聚焦技术的成功应用。小料带你一起去了解下总院龙虾眼X射线探测镜片的研发历程~

2023年4月,中国航天科技集团有限公司给中国建筑材料科学研究总院有限公司(以下简称“中国建材总院”或“总院”)送来了一张科学技术发明奖证书,这礼物的背后,是历时五年的科研创新故事。

龙虾眼X射线探测卫星实物图

“龙虾眼X射线探测卫星”搭载长征四号乙运载火箭,于2020年7月25日在太原卫星发射中心发射成功,它是国际上首台在轨工作的应用了龙虾眼X射线聚焦技术的探测器。由此,龙虾眼X射线探测器也获得国内外专业人士的高度关注。

探测器的核心元件——“龙虾眼”镜片,由中国建材总院与中国航天科技集团有限公司五院508所(以下简称“508所”)联合攻关研制。因这一突出贡献,“仿龙虾眼结构的材料与元件制备成套技术及在天基探测的应用”获2022年中国材料研究学会科学技术奖技术发明奖一等奖,“龙虾眼X射线探测器技术”获2023年中国航天科技集团科学技术发明奖二等奖。

历时五年,终把“龙虾眼”镜片用到了探测卫星,送上太空。中国建材总院的研究团队成员感到了前所未有的自豪。

灵感源于龙虾眼

人类对于宇宙的探索一直没有停止。自从有了观测天空的能力以来,我们便一直在努力了解和理解宇宙的运行规律和精彩之处,各种各样的观测工具也不断被创造出来。

龙虾眼X射线探测器的设计灵感来自于龙虾的眼睛。生物学家很早就发现,龙虾的眼睛和其他动物不一样,它由许许多多方孔形状的微型管道构成,这样的结构使得各个方向的光线在小方孔内反射汇聚到视网膜上。因此,龙虾的眼睛能看到很大的视野。

1979年,国外科学家从中获得灵感,提出模仿龙虾眼制造微孔形式的X射线探测镜片,让X射线通过反射聚焦成像。但这一设想提出后,因为对微孔的结构精度要求极为苛刻,在很长时间内都未能实现。

针对暗物质探测系统对大视场X射线探测镜头的迫切需求,2018年的一天,508所作为探测卫星所需的探测器制造商找到中国建材总院北京分公司玻纤事业部,正式提出研制“龙虾眼”镜片的需求。

“提出这个需求的时候,特别急迫,国内外都没有成功案例,刚开始非常困难?!辈O耸乱挡课⒔峁共牧涎芯克彼ち匾?,时间紧是一方面,另一方面资金也没到位,但总院的领导认为这项任务是为国家攻克技术难题,具有重要意义,便决定“自带干粮先出发”,开始了研发工作。

龙虾眼X射线相机实物图

镜片是整个探测器所需材料的最前端,所以给出的研制时间更短。起初听说要在几个月的时间内研制出龙虾眼镜片,很多人都觉得这事干不成,但总院的研究团队没有时间和精力去理会外界的种种说法。团队相信,面对困难,除了往前冲,别无选择。好在早在2015年左右,总院团队曾经对“龙虾眼”镜片做过一些基础研究。在此基础上,团队继续夜以继日开展技术攻关。

齐心创造的奇迹

廉姣告诉记者,做出这片合格的“龙虾眼”镜片,团队历经困难无数,技术方面的难点总结起来有三点 :玻璃材料的研制是第一大难点 ;玻璃材料研制成功后,要将它们成型为纤维并排列成非常规整的阵列,这是第二大难点 ;排列规整后需要的热弯工序是第三大难点。

为了解决各项技术问题,团队成员查阅了数百篇文献,文献上都标注了每次阅读的日期。从日期上可以看出,很多文献被反复翻看了多次。

实验初期缺乏X射线性能检测的设备,外出测试成本又太高而且周期不可控,他们就地取材,以实验室约50米的走廊作为光路的通道,用激光代替X光?!巴ü芯考す獬上裼隭射线成像的区别及联系,尽可能地创造条件去表征材料的性能?!绷颉吨泄ú摹吩又颈硎?。

其间所做的实验已无法准确计算出次数,但廉姣告诉本刊记者,有一年,团队为这个项目不知不觉写了8本厚厚的实验记录。

归根结底,最后的成功,靠的是全体团队成员的智慧和时间投入?!罢鐾哦右恢币黄鹣氚旆??!痹诹蠢?,事虽难,只要人心齐,往往就能创造令人难以相信的奇迹。

未来更可期

就是这样一块面积不过1/4手机大小、看似一张普通玻璃片的“龙虾眼”镜片,背后却是科学家们无数次的实验、失败和从头再来。

龙虾眼 X 射线探测材料及其显微结构

“和龙虾的眼睛一样,这种特殊镜片主要由许多方孔形状的微型管道组成,这些管道壁表面光滑,并且指向同一个球心。这种特殊的结构设计,能够让不同方向的光线通过小方孔内反射汇聚到焦面上?!绷樯?,“龙虾眼”镜片具有大视场、高分辨、轻小型、易于集成等优点。

在这之前,天基X射线探测视场一般不超出1°,且探测器体积庞大,在大视场轻小型X射线聚焦探测方面尚属空白。

如今,中国建材总院北京分公司玻纤事业部团队创新性地研制出具有微米级曲面方孔阵列结构的龙虾眼X射线探测镜片,满足了360°内任意视场角的要求,微米级通道结构使其具备轻小型优势,打破了以往只能依靠大且重的探测器进行小视场X射线探测的局限。

通过研制“龙虾眼”镜片,总院在镜片基础玻璃材料设计及熔制、微米级方形通道阵列精密成型、亚纳米级超光滑反射面粗糙度调控、百万数量级通道精准指向控制等方面形成了一系列专有技术,获授权发明专利10项、实用新型专利4项。

“龙虾眼X射线探测卫星”在轨正常运行三年多,通过“龙虾眼”镜片材料的在轨应用,实现了2°×2°的探测视场,获得了完全自主探测的科学数据。

“龙虾眼X射线探测镜片凭借轻小型优势可配备于从大型到微纳型的各类航天器,在高能天体观测、脉冲星授时及自主导航、X射线科研仪器等方面都有很好的应用前景?!绷嘎?,团队已与用户合作开展仿龙虾眼材料在脉冲星授时导航、日冕软X射线观测等方面的应用研究,并且提出了一种具有全新结构型式的第二代龙虾眼X射线探测材料,有望具备更优异的综合性能。项目团队将继续协同创新,在基础研究与工程应用等方面开展全链条、系统性的工作,为推动先进科技成果向新型仪器设备转化作出贡献。

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