【转载】XEUS望远镜的“视网膜”

monnet

原文转自：http://www.cntech.com.cn/news/media/index.html

序言：XEUS（X射线演变宇宙光谱任务）是由欧洲航空航天局（ESA）领导的计划，旨在深入了解宇宙和大爆炸。研究人员希望在未来的十年内发射X射线望远镜，探测数百万年前形成的宇宙射线，以期精确的观察宇宙中的第一个超大质量黑洞和星系，进而研究宇宙中的基本规律和起源（如图1）。完成这个目标需要坚实的准备工作。工程师们必须精心设计一切，从大规模的望远镜镜头（直径10m）到组成探测器“视网膜”的像素元，每一个小细节都要倍加注意。在帮助研究人员实现这些目标的过程中，COMSOL Multiphysics等科学计算软件作出了巨大的贡献。荷兰空间研究院Marcel Bruijn博士在COMSOL Multiphysics帮助下成功设计了非常小的元件。

图 1 XEUS望远镜的艺术构想图。背景中的圆柱形物体是自由飞行镜或者“透镜”，金黄色的盒状物中包含

探测器系统、前端数字电子设备，以及几个推进器，用来保持与透镜之间的精确距离（50m+/-0.25mm）和方向。

望远镜会将在距离地球数百公里的轨道上运行。（照片由欧洲航天局提供）

大爆炸遗迹
      欧洲航天局（ESA）实施了大量的计划来研究自大爆炸以后宇宙的进化过程。科学家们认为在很久以前，所有的物质和能量都集中在有着无限大密度和温度的“奇点”上，被称作“热”物质（如图2）。在大爆炸之后，能量和物质开始逐渐膨胀形成了现在的宇宙。一些物质还保持着巨大的密度，以至于光都无法逃出比如黑洞，这些物质还保持着非常高的温度，所以现在我们还可以观察到热物质的存在。与此相反，用肉眼和传统的光学望远镜观察到的宇宙被认为是“冷”物质，这些物质自大爆炸之后经历了恒久的冷却。
      在“Horizon 2000”科学计划的资助下，ESA已经发射了许多的望远镜和探测器研究早期的宇宙，探测大爆炸发生时产生的残余宇宙射线。在这些目标的导引下，这些宇航器会对不同类型的辐射和天体现象进行探测。例如在2007年实施的Planck计划，主要是探测大爆炸300，000年后的团物质。
      在大爆炸发生约十亿年之后，自引力的出现，导致了不同类型的星系的出现，从而使得宇宙中存在着巨大的冷热反差。XEUS望远镜主要是通过搜集第一个黑洞和星云的信息来分析宇宙中的热物质。因为热物质不发射可见光，这个望远镜通过收集X射线来分析黑洞的演化以及和星系的继承关系，以及金属元素出现的过程。这个望远镜预计在2014年发射。

图2 从大爆炸后大约十亿年后“热”物质和“冷”物质开始出现。各种各样的宇宙探测器将用来探测宇宙的早期形态。

      有两部分组成XEUS望远镜将通过由欧洲宇航防务集团研发的Ariane V火箭运送到近地轨道。XEUS望远镜由望远镜镜头和探测器两部分组成，在轨道控制系统的控制下保持50m的距离，误差不能超过0.25mm。XEUS望远镜具有与国际空间站对接的能力。科学家希望XEUS望远镜在发射后的20年内提供宇宙演化的数据。

精确到微米级
      为了实施XEUS计划，ESA与很多商业集团进行了合作，如EADS和多个国家实验室和学术研究机构。荷兰空间研究院(SRON)的Marcel Bruijn物理学家负责这个复杂望远镜系统中一些小组件的设计和制造，如探测器中的像元。
      “我们主要是测量最早的黑洞和星云发生的X射线，”Bruijn博士解释道，“探测器的像元必须能测量数百万光年前的X射线。为了实现这个目的，探测器需要过滤宇宙射线中的噪音。这就需要保证像元温度保持在毫开尔文量级（mK），所以几何轮廓和散热方面的设计非常重要。”
      通过努力，研究人员希望把望远镜的灵敏度和能量分辨率分别提高到当今XMM-Newton望远镜的200倍和30倍。在短短的六年内，Bruijn博士带领SRON的传感器研究技术部在单像素上已经实现了这个目标，并即将实现5*5像元阵列（如图3）。最终将实现32*32的像元阵列。因为望远镜的发射距离现在还有一些时间，所以他们拥有足够的时间来实现这个目的。

图3 5 x 5像元阵列的原型图。每一个像元包含着一个铜接收器（像元中心的方形区域）、

Ti/Cu 超导变温传感器（大的方形区域）、Si3N4绝热薄膜。连接像元的电线都是Si材料

的窄通道线路。未来蘑菇状的铜接收器将被Cu/Bi材料取代。

模拟非常必要
      “在六年内实现我们的目标确实是项艰巨的任务，一定程度上需要数学模型的直接模拟结果。”Bruijn博士说，“在XEUS发射之前，我们必须专注于提高测量器件的精确度和分辨率。”
      没有制作原型器件，Bruijn博士而从数学上模拟各种几何形状和材料参数的像元。他解释道，“通过计算机的模拟，我们可以快速地判断材料的稳定性，和评估像元几何形状和厚度。此外，计算机模拟对像元和其他相关元件的优化也非常适用。”
      像元是由相互耦合的部分组成，接收器和超导变温传感器（TES）。在接收器中，X射线照射到Bi薄膜上，通过电子的迁移和晶格的震动转化成热能。接收器的任何模型必须考虑热容量和电导率的差异，进而精确的评估通向下一个部分的热流量。

图4  300纳秒后接收器（左图）和超导变温传感器（TES）（右图）的温度分布图。在接收器几何

模型一端施加一个热脉冲，COMSOL Multiphysics计算了TES中的热量流动以及对电流密度的影响。

      TES充当了温度计的作用，通过材料的电导率变化来表征在接收器中形成的热量（如图4）。在传感器中通过测量电势来计算电流密度。科学家们利用这个信息计算原始X射线的光子能量。通过电脉冲的数量，就可以容易的获得X射线的强度。

软件的灵活性
      为了建立像元模型，Bruijn博士和他的团队决定使用有限元软件，最终他们选择了COMSOL Multiphysics。他解释说，“利用软件可以分别独立的建立仿真模型，却可以作为耦合问题同时求解。”
COMSOL Multiphysics的另一个优点就是基于方程的模拟方法。Bruijn博士谈道，“软件给我提供了很大的便利，可以简单的在高阶非线性方程中直接输入所有材料的热容量、热和电导率等参数。这些关系量中包括温度的5次幂项，以及温度的导数项。大大避免了使用其他软件时处理这些问题时带来的麻烦。”

图 5 XEUS窄场探测器示意图。接收器接收到X射线，并将转化为热能，通过TES测量热量。

在偏压的作用下，X光形成的热量会引起TES材料电导率的变化，进而形成电流。反馈机制

驱动接收器和TES的温度相结合。整个系统温度需要冷却到几十毫开尔文（mK）。

      为了考虑周围的测量系统，Bruijn博士还需要数学仿真（图5）。他说，“我们施加了一个恒定的偏压，通过电热反馈机制来影响像元。当温度升高时，阻抗增加，因此导致低电流和低热量。X射线导致Bi薄膜中电子和晶格的能量量级为10-15J。通过过滤脉冲中的噪声，就可以提取出X射线的精确能量，所以知道电流脉冲的准确形状非常重要。而最佳的数字滤波器又与脉冲的形状有着密切的相关。”

图 6 COMSOL Multiphysics计算的探测器阵列中的温度。温差很小，如果没有对合适的阵列位置进行补偿就会引起噪音。

      把控制探测器在非常低的温度（如图6），可以减少TES材料的热电噪音。然而宇航器中产生低温环境非常困难，相比实验室环境特别是在太阳照射下保持低温环境要困难的多。这就要求开发一个冷却系统，通过磁化和去磁化特殊盐片来实现这个目的。

图7 几何噪音的影响。在不同的接收器位置上施加相同的热脉冲，会导致不同的信号。传感器像元合适的形状会最小化噪音。

      由于X射线的照射位置的不确定性造成几何形状噪音，是Bruijn博士小组必须要考虑的另一个信号干扰因素。“对于特定的传感器设计，”他接着说，“我们可以计算其几何噪音，这不能通过过滤直接排除。COMSOL Multiphysics帮助设计外形使得几何噪音最小化（如图7）。一旦外形决定，就可以计算与X射线能量相关的脉冲形状。这帮助设计数字滤波模板以最合适的方式来减少电热噪音。”

小细节决定大命运
      XEUS计划是一项重大工程，这项计划的成功实施会观察到宇宙起源时的奇观。望远镜是这项工程中重中之重，在一定程度上起到了类似“人眼”的作用。从最大量级到最小量级，在每一个环节上都需要充分应用了专门的工程技术，确保所有元件协调运作。宇宙是无限大的，XEUS镜头直径只有几米，而探测器的像元只有0.25nm，测量数据达到毫开尔文（mK）和电子伏特量级。

      COMSOL在中国，中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)凭借个性化的解决方案、成熟的CAE产品线、专业的市场推广能力以及强有力的技术支持服务赢得了国内众多科研院所以及企业的一致认可，目前国内几乎所有知名大学以及中国科学院下属各研究所都已选择使用COMSOL Multiphysics作为其科研分析的CAE主要工具。随着中仿科技公司(CnTech Co.,Ltd)在全国各地的分公司、CAE技术联合中心、CAE培训中心的成立，为广大客户提供更专业、更周到的本地化技术服务，众多企业也纷纷选用COMSOL Multiphysics作为企业的分析工具，应用全球最先进制造技术，最终增强企业的核心竞争力，保证了企业持续发展。

关于COMSOL Multiphysics和开发团队
      COMSOL Multiphysics是一款业界领先的科学仿真软件，主要是利用偏微分方程来对系统建模和仿真。它的特别之处在于它的多物理场耦合处理能力。从事专业科学研究的科研人员也可以开发具有专业用户界面和方程设置的附加模块；现在已经有的模块有化工、地球科学、电磁场、热传导、微机电系统、结构力学等模块。软件可以在多种操作系统上使用，包括Windows、Linux、Solaris、HP-UX等系统。其他可选软件包有CAD输入模块、以及COMSOL化学反应工程实验室等。更详细的介绍可参看中仿科技网站：www.cntech.com.cn

      COMSOL公司是1986年在瑞典斯德哥尔摩成立，现在已经在多个国家（比利时、荷兰、卢森堡、丹麦、芬兰、法国、德国、挪威、瑞士、英国、美国）成立分公司及办事处。详细信息请登陆www.comsol.com

蓝色忧郁0530

谢谢分享。。。