stringtranslate.com

Оптика «глаз лобстера»

Схематическая диаграмма линзы типа «глаз лобстера». Зеленая стрелка представляет падающий свет, а красные стрелки представляют нормаль стенки канала. [1]

Оптика «глаз лобстера» — это биомиметическая конструкция, основанная на структуре глаз лобстера со сверхшироким полем зрения , используемая в рентгеновской оптике . Такая конфигурация позволяет рентгеновскому свету поступать под разными углами, захватывая больше рентгеновских лучей с большей площади, чем другие рентгеновские телескопы . Идея была первоначально предложена для использования в рентгеновской астрономии Роджером Энджелом в 1979 году, а похожая идея была представлена ​​ранее В. К. Х. Шмидтом в 1975 году. Впервые она была использована НАСА в эксперименте с суборбитальной зондирующей ракетой в 2012 году. « Имиджер глаз лобстера для астрономии» , китайский спутник- демонстратор технологий , был запущен в 2022 году. Китайский зонд «Эйнштейн» , запущенный в 2024 году, является первым крупным космическим телескопом , использующим оптику «глаз лобстера». Несколько других подобных космических телескопов в настоящее время находятся в стадии разработки или рассмотрения.

Описание

Крупным планом глаза ракообразного ( рака- богомола )

В то время как у большинства животных глаза преломляющие , у омаров и других ракообразных глаза отражающие . [ 2] Глаза ракообразных содержат кластеры клеток , каждый из которых отражает небольшое количество света с определенного направления. Технология оптики глаз омара имитирует эту отражательную структуру. Такое расположение позволяет фокусировать свет из широкой области просмотра в одно изображение. Оптика сделана из микроканальных пластин . Рентгеновский свет может входить в маленькие трубки внутри этих пластин под разными углами и фокусируется посредством отражения скользящего падения , что дает широкое поле зрения . Это, в свою очередь, позволяет обнаруживать и отображать кратковременные астрономические события , которые нельзя было предсказать заранее. [3]

Поле зрения (FoV) оптики типа «лобстер-глаз», представляющее собой телесный угол, образованный оптической пластиной и центром кривизны, ограничено только размером оптики для заданного радиуса кривизны. Поскольку оптика микропор сферически симметрична практически во всех направлениях, теоретически идеализированная оптика типа «лобстер-глаз» почти свободна от виньетирования, за исключением области вблизи края поля зрения. [4] Микропористые визуализаторы создаются из нескольких слоев оптики типа «лобстер-глаз», что создает приближение оптической конструкции типа I по Вольтеру. [2]

История

Известны только три геометрии, которые используют скользящее падающее отражение рентгеновских лучей для получения рентгеновских изображений: система Вольтера , система Киркпатрика-Баеза и геометрия глаза лобстера. [5]

Конструкция рентгеновской оптики «глаз лобстера» была впервые предложена в 1979 году Роджером Энджелом . [6] [7] Его конструкция основана на оптике Киркпатрика-Баеза , но требует пор с квадратным поперечным сечением и называется «многоканальной линзой Энджела». [5] Эта конструкция была напрямую вдохновлена ​​отражательными свойствами глаз лобстера. [1] [4] До Энджела альтернативная конструкция, включающая одномерную конструкцию, состоящую из набора плоских отражающих поверхностей, была предложена В. К. Х. Шмидтом в 1975 году, известная как «фокусирующий коллиматорный объектив Шмидта». [5] [8] [9] В 1989 году физики Кит Наджент и Стивен У. Уилкинс объединились для разработки оптики «глаз лобстера» независимо от Энджела. Их ключевым вкладом было открытие подхода к производству этих устройств с использованием технологии микроканальных пластин. Этот подход «глаза лобстера» проложил путь рентгеновским телескопам с обзором неба на 360 градусов. [10]

В 1992 году Филипп Э. Каарет и Филипп Гейссбюлер предложили новый метод создания оптики «лобстер-глаз» с помощью микроканальных пластин. [11] Микропоры, необходимые для оптики «лобстер-глаз», сложны в изготовлении и имеют строгие требования. Поры должны иметь ширину от 0,01 до 0,5 мм и должны иметь отношение длины к ширине 20–200 (в зависимости от диапазона энергии рентгеновского излучения); они должны быть покрыты плотным материалом для оптимального отражения рентгеновских лучей. Внутренние стенки пор должны быть плоскими, и они должны быть организованы в плотный массив на сферической поверхности с радиусом кривизны 2F, обеспечивая открытую фракцию более 50% и точность выравнивания пор от 0,1 до 5 угловых минут по направлению к общему центру. [5]

Похожие оптические конструкции включают сотовые коллиматоры (используемые в детекторах XGRS компании NEAR Shoemaker и XRS компании MESSENGER ) и формирователи изображений на основе кремниевых пор (разработанные ЕКА для запланированной миссии ATHENA ). [2]

Использует

Конфигурация системы фокусирующего зеркала, массива фокальных детекторов и поля зрения LEIA. Зеркальная сборка разделена на четыре отдельных квадранта, каждый из которых состоит из 3 × 3 пластин MPO и связан с одним из четырех детекторов. [4]
Прибор LEIA проходит наземную рентгеновскую калибровку перед установкой на спутнике SATech. [4]

NASA запустило первый визуализатор «глаз лобстера» на суборбитальной зондирующей ракете Black Brant IX в 2012 году. Инструмент STORM/DXL (обсерватория переноса оболочки для перераспределения массы/диффузного рентгеновского излучения из Местной галактики) имел микропористые отражатели, расположенные в массиве для формирования системы Киркпатрика-Баеза. [12] [13] BepiColombo , совместная миссия ЕКА и JAXA Mercury, запущенная в 2018 году, имеет невизуализирующий коллиматор MIXS-C с геометрией микроканалов, аналогичной конструкции микропор «глаз лобстера». [8] [14]

В 2020 году CNSA запустил рентгеновский спутник Lobster-Eye, первый на орбите телескоп с изображением лобстера. [15] В 2022 году Китайская академия наук построила и запустила широкоугольный рентгеновский космический телескоп Lobster Eye Imager for Astronomy (LEIA). Это демонстрационная миссия по тестированию конструкции датчика для зонда Эйнштейна . [16] У LEIA есть сенсорный модуль, который обеспечивает поле зрения в 340 квадратных градусов . [16] В августе и сентябре 2022 года LEIA провела измерения для проверки его функциональности. Было обнаружено несколько предварительно выбранных областей неба и целей, включая Галактический центр , Магеллановы облака , Sco X-1 , Cas A , Петлю Лебедя и несколько внегалактических источников. Для устранения помех от солнечного света наблюдения проводились в тени Земли, начиная с 2 минут после того, как спутник вошел в тень, и заканчивая за 10 минут до выхода из нее, что дало длительность наблюдения ~23 минуты на каждой орбите. Детекторы CMOS работали в событийном режиме. [4]

Современные и будущие космические телескопы

Зонд Эйнштейна , совместная миссия Китайской академии наук (CAS) в партнерстве с Европейским космическим агентством (ESA) и Институтом внеземной физики Общества Макса Планка , был запущен 9 января 2024 года. [17] Он использует широкоугольный рентгеновский телескоп с 12-сенсорным модулем для поля зрения 3600 квадратных градусов, впервые протестированный в ходе миссии Lobster Eye Imager for Astronomy . [16]

Совместный франко-китайский SVOM был запущен 22 июня 2024 года. [18]

Космический центр имени Годдарда НАСА предложил инструмент, который использует конструкцию глаза лобстера для миссии ISS-TAO (Transient Astrophysics Observatory on the International Space Station ), названный X-ray Wide-Field Imager. [3] ISS-Lobster — это похожая концепция ЕКА. [19]

В настоящее время строятся несколько космических телескопов, использующих оптику типа «глаз лобстера». SMILE , проект космического телескопа ESA и CAS, планируется запустить в 2025 году. [20] THESEUS от ESA в настоящее время находится на рассмотрении. [21]

Другие применения

Оптика «глаз лобстера» может также использоваться для получения изображений методом обратного рассеяния в целях обеспечения внутренней безопасности , обнаружения самодельных взрывных устройств , неразрушающего контроля и медицинской визуализации . [1]

Ссылки

  1. ^ abc Ма, Шичжан; Оуян, Минчжао; Фу, Юэган; Ху, Юань; Чжан, Юйхуэй; Ян, Юйсян; Ван, Шэнъюй (сентябрь 2023 г.). «Анализ характеристик изображения широкоугольной линзы для глаз омара». Физический журнал: серия конференций . 2597 (1): 012010. Бибкод : 2023JPhCS2597a2010M. дои : 10.1088/1742-6596/2597/1/012010 . ISSN  1742-6596. Материал скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 3.0. Архивировано 23.02.2011 на Wayback Machine.
  2. ^ abc Kitchin, CR (18 сентября 2017 г.). Дистанционные и роботизированные исследования Солнечной системы. CRC Press. стр. 123–128. ISBN 978-1-4987-0494-6. Архивировано из оригинала 14 февраля 2024 . Получено 9 февраля 2024 .
  3. ^ ab "Предлагаемая миссия NASA использует оптику "Lobster-Eye" для определения источника космической ряби - NASA". NASA. 26 октября 2017 г. Архивировано из оригинала 29 декабря 2023 г. Получено 29 декабря 2023 г. Общественное достояниеВ данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .
  4. ^ abcdefg Zhang, C.; et al. (1 декабря 2022 г.). «Первые наблюдения рентгеновских лучей с широким полем зрения с помощью фокусирующего телескопа типа «глаз лобстера» на орбите». The Astrophysical Journal Letters . 941 (1): L2. arXiv : 2211.10007 . Bibcode : 2022ApJ...941L...2Z. doi : 10.3847/2041-8213/aca32f . ISSN  2041-8205. Материал скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0. Архивировано 16 октября 2017 г. на Wayback Machine.
  5. ^ abcd Ричард Виллингейл (июль 2021 г.). «Оптика глаза лобстера». В Sternberg, Amiel; Burrows, David N (ред.). Справочник WSPC по астрономическому приборостроению: Том 4: Рентгеновское астрономическое приборостроение. Том 4. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. стр. 33–47, 85–106. Bibcode :2021hai4.book.....B. doi :10.1142/9446-vol4. ISBN 978-981-4644-38-9. Архивировано из оригинала 14 февраля 2024 . Получено 1 января 2024 .
  6. ↑ Angel, JRP (1 октября 1979 г.). «Глаза омара как рентгеновские телескопы». Astrophysical Journal . 233 (часть 1): 364–373. Bibcode : 1979ApJ...233..364A. doi : 10.1086/157397 .
  7. ^ Хартлайн, Беверли Карплус (4 января 1980 г.). "Lobster-Eye X-ray Telescope Envisioned". Science . 207 (4426): 47. Bibcode :1980Sci...207...47K. doi :10.1126/science.207.4426.47. ISSN  0036-8075. Архивировано из оригинала 29 декабря 2023 г. Получено 29 декабря 2023 г.
  8. ^ ab Hudec, Rene; Feldman, Charly (2022). "Рентгеновская оптика глаза омара". Справочник по рентгеновской и гамма-астрофизике . Springer Nature. стр. 1–39. arXiv : 2208.07149 . doi :10.1007/978-981-16-4544-0_3-1. ISBN 978-981-16-4544-0. S2CID  260481363. Архивировано из оригинала 2023-12-29 . Получено 2023-12-29 .
  9. ^ Шмидт, ВКХ (1 августа 1975 г.). «Предлагаемое устройство фокусировки рентгеновских лучей с широким полем зрения для использования в рентгеновской астрономии». Ядерные приборы и методы . 127 (2): 285–292. Bibcode : 1975NucIM.127..285S. doi : 10.1016/0029-554X(75)90501-7 – через ScienceDirect.
  10. ^ «Ученый всевидяще смотрит в будущее». The Age . 2004-08-19. Архивировано из оригинала 2021-12-17 . Получено 2021-12-17 .
  11. ^ Kaaret, Philip E.; Geissbuehler, Phillip (1992). "Рентгеновская оптика глаза лобстера с использованием микроканальных пластин". В Hoover, Richard B. (ред.). Multilayer and Grazing Incidence X-Ray/EUV Optics . Vol. 1546. p. 82. Bibcode : 1992SPIE.1546...82K. doi : 10.1117/12.51261. S2CID  121803620. Архивировано из оригинала 2024-02-14 . Получено 2024-02-01 . {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  12. ^ Кольер, Майкл Р.; и др. (1 июля 2015 г.). «Приглашенная статья: Первый полет в космосе широкоугольного мягкого рентгеновского визуализатора с использованием оптики «глаз лобстера»: описание прибора и результаты начального полета». Обзор научных приборов . 86 (7). Bibcode : 2015RScI...86g1301C. doi : 10.1063/1.4927259. hdl : 1808/22116 . PMID  26233339. Архивировано из оригинала 5 декабря 2023 г. Получено 9 февраля 2024 г.
  13. ^ Кизи, Лори; Центр, космический полет имени Годдарда НАСА. «Ученые НАСА построили первый в мире широкоугольный рентгеновский визуализатор». phys.org . Архивировано из оригинала 3 февраля 2024 г. . Получено 9 февраля 2024 г. .
  14. ^ "MIXS - BepiColombo - Cosmos". www.cosmos.esa.int . Получено 16 февраля 2024 г. .
  15. ^ "Запуск первого в мире мягкого рентгеновского спутника с технологией визуализации 'Lobster-Eye'". phys.org . Архивировано из оригинала 2021-12-17 . Получено 2021-12-17 .
  16. ^ abc "Einstein Probe Time Domain Astronomical Information Center". ep.bao.ac.cn . Архивировано из оригинала 28 декабря 2023 г. Получено 28 декабря 2023 г.
  17. ↑ Европейское космическое агентство (9 января 2024 г.). «Зонд Einstein отправляется на миссию по наблюдению за рентгеновским небом». www.esa.int . Архивировано из оригинала 9 января 2024 г. Получено 6 февраля 2024 г.
  18. ^ "MXT и глаз лобстера - Svom". Китайское национальное космическое управление (CNSA); Китайская академия наук (CAS); Французское космическое агентство (CNES). Архивировано из оригинала 2023-10-04 . Получено 2024-02-06 .
  19. ^ Кэмп, Джордан и др. (12 мая 2015 г.). «ISS-Lobster: недорогой широкоугольный рентгеновский транзиентный детектор на МКС». Труды SPIE: EUV и рентгеновская оптика. Синергия между лабораторией и космосом IV . Том 9510. Международное общество оптической инженерии. стр. 951007. doi : 10.1117/12.2176745. ISBN 9781628416312. OCLC  923760787. S2CID  117082454.
  20. ^ Branduardi-Raymont, G.; Wang, C.; Escoubet, CP; et al. (2018). Отчет об исследовании определения ESA SMILE (PDF) (Технический отчет). Европейское космическое агентство . стр. 1–84. doi :10.5270/esa.smile.definition_study_report-2018-12. S2CID  239612452. ESA/SCI(2018)1. Архивировано (PDF) из оригинала 2023-04-22.
  21. ^ Амати, Лоренцо (декабрь 2017 г.). «The Transient High-Energy Sky and Early Universe Surveyor (THESEUS)». Труды Четырнадцатого совещания Марселя Гроссмана по общей теории реальности. World Scientific Publishing. стр. 3295–3300. arXiv : 1907.00616 . doi :10.1142/9789813226609_0421. ISBN 978-981-322-659-3. Архивировано из оригинала 2024-02-14 . Получено 2024-02-06 .