Рентгеновский телескоп

Рентгеновская обсерватория Chandra , запущенная NASA в 1999 году, по-прежнему работает с 2024 года

( Рентгеновский телескоп XRT ) -это телескоп , который предназначен для наблюдения за удаленными объектами в рентгеновском спектре. Рентген поглощается атмосферой Земли , поэтому инструменты для обнаружения рентгеновских снимков должны быть выведены на большую высоту с помощью воздушных шаров , звучащих ракет и спутников .

Основными элементами телескопа являются оптика (фокусировка или коллимирование ), которая собирает излучение, входящее в телескоп, и детектор , на котором излучение собирается и измеряется. Для этих элементов использовались различные дизайны и технологии.

Многие рентгеновские телескопы на спутниках составлены из нескольких систем небольших детекторов-телескопа (Фильтры, спектрометры), которые добавляют функциональные возможности в прибор.

История рентгеновских телескопов

Ухуру рентгеновский спутник

Фотография Supernova Remnant Cassiopeia A , сделанная первым рентгеновским телескопом, обсерватория Эйнштейна .

См. Также: рентгеновская астрономия , история рентгеновской астрономии и список космических телескопов § рентген

Рентгеновские телескопы были впервые использованы для астрономии, чтобы наблюдать за солнцем , которое было единственным источником в небе, достаточно ярком в рентген для этих ранних телескопов для обнаружения. Поскольку солнце так яркое в рентгеновских снимках, ранние рентгеновские телескопы могут использовать небольшой фокус-элемент, а рентгеновские снимки будут обнаружены с помощью фотографической пленки. Первая рентгеновская картина Солнца из ракетного телескопа была сделана Джоном В. Линдсей из Космического полетевого полета НАСА и сотрудников в 1963 году. Первый вращающийся рентгеновский телескоп пролетел на Skylab в начале 1970-х годов и записал и записал Более 35 000 изображений полного диска солнца в течение 9-месячного периода.

Первый специализированный рентгеновский спутник Uhuru был запущен NASA в 1970 году. Он обнаружил 339 рентгеновских источников за 2,5-летнюю жизнь.

Обсерватория Эйнштейна , запущенная в 1978 году, была первой рентгеновской обсерваторией. Он получил рентгеновские изображения с высоким разрешением в диапазоне энергии от 0,1 до 4 кэВ звезд всех типов, остатков сверхновой, галактик и кластеров галактик. Другим крупным проектом был Rosat (Active с 1990 по 1999 год), который представлял собой тяжелую рентгеновскую космическую обсерваторию с фокусировкой рентгеновской оптикой и европейским Exosat .

была Рентгеновская обсерватория Chandra запущена NASA в 1999 году и работает более 25 лет на высокой эллиптической орбите, возвращая тысячи 0,5 дуговых изображений и спектры высокого разрешения всех видов астрономических объектов в диапазоне энергии от 0,5 до 8,0 кэВ. Резолюция Чандры примерно в 50 раз превосходит решающую роль в Росате.

Активные рентгеновские спутники обсерватории

Спутники, используемые сегодня, включают в себя XMM обсерваторию ESA -Newton (рентгеновские лучи с низкой до средней энергией от 0,1 до 15 кэВ), NASA Обсерваторию Swift , обсерваторию Чандра и телескоп IXPE . JAXA запустила Xriism Telecope, в то время как ISRO запустила Aditya-L1 и XPOSAT .

Космический корабль GOS 14 несет на борту солнечного рентгеновского изображения для мониторинга рентгеновских лучей Солнца для раннего обнаружения солнечных вспышек, возбуждений корональной массы и других явлений, которые влияют на геоспективную среду. Он был запущен на орбиту 27 июня 2009 года, в 22:51 по Гринвичу из комплекса Space Launch 37B на станции ВВС Кейп -Канаверал .

Китайский телескоп с жесткой рентгеновской модуляцией был запущен 15 июня 2017 года для наблюдения за черными дырами, нейтронными звездами, активными галактическими ядрами и другими явлениями, основанными на их рентгеновских и гамма-выбросах.

был Рентгеновский спутник с Lobster-Eye-Eye запущен 25 июля 2020 года CNSA, который делает его первым телескопом в орбите, который использовал технологию визуализации с лобстером-глазами ультрарузного полевого визуализации для поиска сигналов темной материи в x -Рэйский диапазон энергии. Глаза Lobster для астрономии была запущена 27 июля 2022 года в качестве технологического демонстратора Einstein Drobe во времени , запущенный 9 января 2024 года, посвященный астрофизике с высокой энергией . Обсерватория мониторинга с переменными объектами пространства, запущенная 22 июня 2024 года, направлена ​​на изучение взрывов массивных звезд и анализа всплесков гамма-излучения .

Мягкая рентгеновская солнечная визуализация телескопа находится на борту метеорологического спутника GOS-13 , запущенный с использованием Delta IV с мыса Canaveral LC37B 24 мая 2006 года. Тем не менее, с декабря 2006 года не было 13 изображений SXI.

Российско-герман Spektr-Rg несет в себе массив телескопов Erosita , а также телескоп ART-XC . Он был запущен Roscosmos 13 июля 2019 года из Baikonur и начал собирать данные в октябре 2019 года.

Оптика

Основная статья: рентгеновская оптика

Одно из зеркал XRISM, сделанное из 203 фольги

Наиболее распространенными методами, используемыми в рентгеновской оптике, являются выращивание зеркал заболеваемости и коллимированные отверстия . Только три геометрии, в которых используется отражение рентгеновских лучей для выпаса, для производства рентгеновских изображений: система Wolter , система Киркпатрика-Баеза и оптику с лобстером .

Фокусируя зеркала

Фокусировка рентгеновских снимков с взглядом

Простое параболическое зеркало было первоначально предложено в 1960 году Риккардо Джачкони и Бруно Росси , основателями внезолярной рентгеновской астрономии. Этот тип зеркала часто используется в качестве основного отражателя в оптическом телескопе. Тем не менее, изображения объектов вне осевой, были бы серьезно размыты. Немецкий физик Ханс Уолтер показал в 1952 году, что отражение от комбинации двух элементов, параболоидов, за которым следует гипербобоид, будет работать гораздо лучше для рентгенологических приложений астрономии. Вултер описал три различные конфигурации визуализации, типы I, II и III . Конструкция, наиболее часто используемая рентгеновскими астрономами, является типом I, поскольку он имеет самую простую механическую конфигурацию. Кроме того, дизайн типа I предлагает возможность внедрения нескольких телескопов друг внутри друг друга, тем самым увеличивая полезную область отражения. Wolter Type II полезен только в виде узкого поля или как оптика для дисперсионного спектрометра. Wolter Type III никогда не использовался для рентгеновской астрономии.

Что касается коллимированной оптики, то фокусная оптика позволяет:

• визуализация с высоким разрешением
• Высокая чувствительность к телескопам: поскольку излучение сосредоточено на небольшой площади, отношение сигнал / шум намного выше для такого рода инструментов.

Зеркала можно сделать из керамической или металлической фольги покрыт тонким слоем отражающего материала (обычно золото или иридий ). Зеркала на основе этих строительных работ на основе общего отражения света при пастбищном заболевании.

Эта технология ограничена в диапазоне энергии по обратной связи между критическим углом для общего отражения и энергии радиации. Предел в начале 2000-х годов с Чандры и XMM-Newton рентгеновскими обсерваториями составлял около 15 килоэлектронволт ( KEV). Используя новые многослойные зеркала с покрытием, рентгеновское зеркало для телескопа Nustar подтолкнуло это до 79 кэВ. Чтобы отразить на этом уровне, стеклянные слои находились в нескольких покрытиях с вольфрамовым (W)/ кремниевым (Si) или платиновым (PT)/ кремниевым карбидом (SIC).

Коллимирующая оптика

Основная статья: кодированная апертура

В то время как более ранние рентгеновские телескопы использовали простые методы коллимирования (например, вращающиеся коллиматоры, проволочные коллиматоры), Технология, наиболее используемая в современном дне, использует кодированные маски с диафрагмой. Эта техника использует решетку с рисунком плоской апертуры перед детектором. Этот дизайн дает результаты, которые менее чувствительны, чем фокусировка оптики; Также качество изображения и идентификация позиции источника намного беднее. Хотя этот дизайн предлагает более широкое поле зрения и может быть использована в более высоких энергиях, где оптика пастбища становится неэффективной. Также визуализация не является прямой, но изображение довольно реконструируется путем постобработки сигнала.

Обнаружение и визуализация рентгеновских лучей

Рентген начинается с ~ 0,008 нм и простирается через электромагнитный спектр до ~ 8 нм, над которой атмосфера Земли непрозрачна .

Сатурна Изображение Чандры ( слева) и оптического изображения Хаббла Сатурна (справа). спектр Сатурна Рентгеновский похож на спектр рентгеновских лучей от солнца . 14 апреля 2003 г.

Рентген имеет огромный промежуток в длине волны (~ 8 нм - 8 вечера), частоту (~ 50 PHZ - 50 EHZ) и энергии (~ 0,12 - 120 кэВ). С точки зрения температуры, 1 эВ = 11 604 К. Таким образом, рентген (от 0,12 до 120 кэВ) соответствуют 1,39 × 10 ⁶ до 1,39 × 10 ⁹ K. от 10 до 0,1 нанометров (нм) (от 0,12 до 12 кэВ ) они классифицируются как мягкие рентгеновские лучи и от 0,1 нм до 0,01 нм (от 12 до 120 кэВ) как жесткие рентгеновские лучи.

Ближе к видимому диапазону электромагнитного спектра является ультрафиолетовым . Проект стандарта ISO по определению солнечной облучения (ISO-DIS-21348) Описывает ультрафиолетовое от ~ 10 нм до ~ 400 нм. Эта часть, ближайшая к рентгеновским снимкам, часто называют «экстремальным ультрафиолетом» ( EUV или XUV). Когда фотон EUV поглощается, фотоэлектроны и вторичные электроны генерируются путем ионизации , очень похоже на то, что происходит, когда рентгеновские лучи или электронные балки поглощаются веществом.

Различие между рентгеновскими лучами и гамма-лучами изменилось в последние десятилетия. Первоначально электромагнитное излучение, испускаемое рентгеновскими трубками, имело более длинную длину волны , чем излучение, испускаемое радиоактивными ядрами (гамма-лучи). Таким образом, старая литература различала X- и гамма-излучение на основе длины волны, с радиацией короче некоторой произвольной длины волны, например, 10 ⁻¹¹ М, определяется как гамма -лучи. Однако, поскольку более короткие длина волны непрерывного спектра «рентгеновские» источники, такие как линейные ускорители и более длинные излучения «гамма-луча» длиной волны, были обнаружены излучения, полосы волны в значительной степени перекрываются. Два типа излучения в настоящее время обычно различаются по их происхождению: рентгеновские снимки испускаются электронами за пределами ядра, а гамма-лучи испускаются ядром .

что более энергичные рентгеновские снимки, фотоны с энергией, более 30 кэВ (4800 a j), могут Несмотря на то , проникнуть Всасые пространство до поверхности Земли. Рентген в диапазоне от 0,5 до 5 кэВ (от 80 до 800 AJ), где большинство небесных источников выделяют большую часть своей энергии, могут быть остановлены несколькими листами бумаги; 90% фотонов в луче из 3 кэВ (480 AJ) рентгеновских лучей поглощаются прохождением всего через 10 см воздуха.

Пропорциональные счетчики

Основная статья: пропорциональный счетчик

- Пропорциональный счетчик это тип газообразного детектора ионизации , который подсчитывает частицы ионизирующего излучения и измеряет их энергию. Он работает по тому же принципу, что и счетчик Гейгера-Мюллера , но использует более низкое рабочее напряжение . Все пропорциональные счетчики рентгеновских лучей состоят из оконной газовой ячейки. Часто эта ячейка подразделяется на ряд областей с низким и высоким электрическим полем путем некоторого расположения электродов.

Пропорциональные счетчики использовались на экзосат , На части Миссии Аполлона -Союз (июль 1975 г.) и на французском турнеровом инструменте.

Рентгеновский монитор

Мониторинг обычно означает знать о состоянии системы. Устройство, которое отображает или отправляет сигнал для отображения рентгеновского вывода из источника генерации рентгеновских лучей, чтобы знать о состоянии источника, называется рентгеновским монитором в космических приложениях. На Apollo 15 на орбите над луной , например, рентгеновский монитор был использован для выполнения возможного изменения интенсивности солнечной рентгеновского излучения и спектральной формы при картировании лунной поверхности по отношению к его химическому составу из-за производства вторичного Рентген .

Рентгеновский монитор Solwind , обозначенного NRL-608 или XMON, был сотрудничеством между военно-морской исследовательской лабораторией и Лос-Аламосской национальной лабораторией . Монитор состоял из 2 коллимированных пропорциональных счетчиков аргона.

Сцинтилляционный детектор

Основная статья: Сцинтиллятор

Сцинтилляционный кристалл, окруженный различными сцинтилляционными детекторами

Сцинтиллятор - это материал, который демонстрирует свойство Luminescence когда взволнован ионизирующим радиацией . Люминесцентные материалы, когда поражаются входящей частицей, такими как рентгеновский фотон, поглощают его энергию и сцинтиллят, то есть повторно поглощенная энергия в виде небольшой вспышки света, как правило, в видимом диапазоне.

Сцинтилляционный рентгеновский детектор использовался на Vela 5A и его Twin Vela 5b ; рентгеновский телескоп на бортовом OSO 4 состоял из одного тонкого сцинтилляционного кристалла NAI (TL) плюс сборка фототрубки, заключенной в анти-сятнанный щит CSI (TL). OSO 5 несет CSI Crystal Scintillator. Центральный кристалл был толщиной 0,635 см, имел чувствительную площадь 70 см ² , и рассматривался сзади парой фотоумножителей.

Фебус на имел два независимых детектора, каждый детектор состоял из прорастания висмута (BGO) кристалла диаметром 78 мм толщину 120 мм. Инструмент Konus-B состоял из семи детекторов, распределенных вокруг космического корабля, которые реагировали на фотоны от 10 кэВ до 8 MAV энергии. Они состояли из кристаллов сцинтиллятора NAI (TL) диаметром 200 мм и толщиной 50 мм за окном входа . Kvant-1 провел рентгеновский эксперимент с высокой энергией, в котором использовался фосвич йодида натрия и йодида цезиума.

Коллиматор модуляции

В электронике модуляция - это процесс различной формы волны по отношению к другой форме волны. При «коллиматоре модуляции» амплитуда (интенсивность) входящих рентгеновских лучей снижается на наличии двух или более «дифракционных стержений» параллельных проводов, которые блокируют или значительно уменьшают эту часть сигнала, инцидившего на проводах.

Рентгеновский коллиматор -это устройство, которое фильтрует поток рентгеновских лучей, так что допускаются только те, которые перемещаются параллельно указанному направлению.

Minoru Oda , президент Токийского университета информационных наук, изобрел коллиматор модуляции, сначала используемый для идентификации аналога SCO X-1 в 1966 году, что привело к наиболее точным позициям для доступных источников рентгеновских лучей перед запуском x -Рей телескопы визуализации.

SAS 3 несли коллиматоры модуляции (2-11 кэВ) и коллиматоры с плащниками и трубками (от 1 до 60 к).

На борту обсерватории Гранат были четыре часовых инструмента, которые могли бы локализовать яркие источники в диапазоне от 6 до 180 кэВ в пределах 0,5 °, используя коллиматор модуляции вращения. Взятые вместе, три поля зрения инструментах охватывали приблизительно 75% неба.

( Спектроскопический спектроскопический спектроскопический изображение Ramaty Ramaty Rhessi), Explorer 81, изображения солнечных вспышек от мягких рентгеновских лучей до гамма-лучей (~ 3 кэВ до ~ 20 МэВ). Его возможность изображения основана на методике преобразования Фурье с использованием набора из 9 коллиматоров модуляции .

Рентгеновский спектрометр

OSO 8 имел на борту графитового кристаллического рентгеновского спектрометра с диапазоном энергии 2-8 кэВ, FOV 3 °.

покрыл . Рентгеновский спектрометр Granat Art-S диапазон энергии от 3 до 100 кэВ, FOV 2 ° × 2 ° Инструмент состоял из четырех детекторов на основе спектроскопических MWPC , что делает эффективную площадь 2400 см. ² на 10 кэВ и 800 см ² при 100 кэВ. Временное разрешение составило 200 микросекунд .

Рентгеновский спектрометр на борту ISEE-3 был разработан для изучения как солнечных вспышек, так и космических гамма-всплесков над диапазоном энергии 5-228 кэВ. Эксперимент состоял из 2 цилиндрических рентгеновских детекторов: пропорционального счетчика, заполненного ксеноном, покрывающим 5-14 кэВ, и сцинтиллятор NAI (TL), покрывающий 12-1250 кэВ.

КПК

Большинство существующих рентгеновских телескопов используют детекторы ПЗС , аналогичные таковым в камерах видимого света. В видимом свете один фотон может создавать один электрон заряда в пикселе, и изображение создается путем накопления многих таких зарядов от многих фотонов во время воздействия. Когда рентгеновский фотон попадает в CCD, он производит достаточный заряд (сотни до тысяч электронов, пропорционально ее энергии), что отдельные рентгеновские лучи измерены при считывании.

Микрокалориметры

Микрокалориметры могут обнаруживать рентгеновские снимки только по одному фотону за раз (но могут измерить энергию каждого).

Датчики края перехода

Датчики перехода являются следующим шагом в микрокалориметрии. По сути, они являются сверхпроводящими металлами, которые держатся как можно ближе к их температуре перехода. Это температура, при которой эти металлы становятся сверхпроводниками, а их сопротивление падает до нуля. Эти температуры перехода обычно находятся всего на несколько градусов выше абсолютного нуля (обычно менее 10 К ).

Смотрите также

• Список типов телескопов