Рентгеновский телескоп ( XRT ) — телескоп , предназначенный для наблюдения удаленных объектов в рентгеновском спектре. Рентгеновские лучи поглощаются атмосферой Земли , поэтому приборы для обнаружения рентгеновских лучей необходимо поднимать на большую высоту с помощью воздушных шаров , зондирующих ракет и спутников .
Основными элементами телескопа являются оптика (фокусирующая или коллимирующая ), собирающая поступающее в телескоп излучение , и детектор , на котором излучение собирается и измеряется. Для этих элементов были использованы самые разные конструкции и технологии.
Многие рентгеновские телескопы на спутниках состоят из нескольких небольших систем детекторов-телескопов, возможности которых складываются или дополняют друг друга, а также дополнительных фиксированных или съемных элементов [1] [2] (фильтров, спектрометров), которые расширяют функциональные возможности инструмента.
Рентгеновские телескопы впервые использовались в астрономии для наблюдения за Солнцем, которое было единственным источником на небе, достаточно ярким в рентгеновских лучах, чтобы его могли обнаружить те первые телескопы. Поскольку Солнце очень ярко излучает рентгеновские лучи, первые рентгеновские телескопы могли использовать небольшой фокусирующий элемент, и рентгеновские лучи можно было обнаружить с помощью фотопленки. Первый рентгеновский снимок Солнца с помощью ракетного телескопа был сделан Джоном В. Линдси из Центра космических полетов Годдарда НАСА и его сотрудниками в 1963 году. Первый орбитальный рентгеновский телескоп пролетел на Скайлэбе в начале 1970-х годов и зафиксировал более 35 000 полных изображений Солнца за 9-месячный период. [3]
Первый специализированный рентгеновский спутник «Ухуру» был запущен НАСА в 1970 году. За 2,5 года своего существования он обнаружил 339 источников рентгеновского излучения. [4]
Обсерватория Эйнштейна , открытая в 1978 году, была первой рентгеновской обсерваторией, осуществляющей визуализацию. С его помощью были получены рентгеновские изображения высокого разрешения в диапазоне энергий от 0,1 до 4 кэВ звезд всех типов, остатков сверхновых, галактик и скоплений галактик. Еще одним крупным проектом был ROSAT (активен с 1990 по 1999 год), представлявший собой тяжелую рентгеновскую космическую обсерваторию с фокусирующей рентгеновской оптикой, и европейский EXOSAT . [4]
Рентгеновская обсерватория «Чандра» была запущена НАСА в 1999 году и уже более 25 лет работает на высокой эллиптической орбите, возвращая тысячи изображений с шагом 0,5 угловой секунды и спектры высокого разрешения всех видов астрономических объектов в диапазоне энергий от 0,5 угловой секунды. до 8,0 кэВ. Разрешение «Чандры» примерно в 50 раз превосходит разрешение ROSAT. [3]
В число используемых сегодня спутников входят обсерватория XMM-Ньютон ЕКА (рентгеновские лучи низкой и средней энергии 0,1–15 кэВ), обсерватория Свифт НАСА , обсерватория Чандра и телескоп IXPE . JAXA запустило телескоп XRISM , а ISRO запустила Aditya-L1 и XPoSat .
Космический корабль GOES 14 несет на борту рентгеновский сканер для наблюдения за рентгеновскими лучами Солнца с целью раннего обнаружения солнечных вспышек, корональных выбросов массы и других явлений, влияющих на геокосмическую среду. [5] Он был запущен на орбиту 27 июня 2009 года в 22:51 по Гринвичу с космодрома 37B на станции ВВС на мысе Канаверал .
Китайский телескоп с модуляцией жесткого рентгеновского излучения был запущен 15 июня 2017 года для наблюдения за черными дырами, нейтронными звездами, активными ядрами галактик и другими явлениями на основе их рентгеновского и гамма-излучения. [6]
Рентгеновский спутник Lobster-Eye был запущен 25 июля 2020 года CNSA , что сделало его первым орбитальным телескопом, использующим технологию визуализации глаз омара для получения изображений сверхбольшого поля зрения для поиска сигналов темной материи в космосе. -энергетический диапазон лучей. [7] Lobster Eye Imager для астрономии был запущен 27 июля 2022 года в качестве демонстратора технологий для зонда Эйнштейна , запущенного 9 января 2024 года и посвященного астрофизике высоких энергий во временной области . [8] Обсерватория Space Variable Objects Monitor, запуск которой запланирован на июнь 2024 года, будет направлена на изучение взрывов массивных звезд и анализ гамма-всплесков . [9]
Телескоп с мягким рентгеновским излучением Солнца находится на борту метеорологического спутника GOES-13 , запущенного с помощью Delta IV с мыса Канаверал LC37B 24 мая 2006 года. [10] Однако с декабря 2006 года изображений GOES 13 SXI не поступало.
Российско-германский комплекс «Спектр-РГ» оснащен комплексом телескопов eROSITA , а также телескопом ART-XC . Он был запущен Роскосмосом 13 июля 2019 года с космодрома Байконур и начал сбор данных в октябре 2019 года.
Наиболее распространенными методами, используемыми в рентгеновской оптике, являются зеркала скользящего падения и коллимированные апертуры . Известны только три геометрии, которые используют скользящее отражение рентгеновских лучей для создания рентгеновских изображений: система Уолтера , система Киркпатрика-Баеза и оптика глаза омара . [11]
Простое параболическое зеркало было первоначально предложено в 1960 году Риккардо Джаккони и Бруно Росси , основателями внесолнечной рентгеновской астрономии. Зеркало этого типа часто используется в качестве основного отражателя в оптическом телескопе. Однако изображения внеосевых объектов будут сильно размыты. Немецкий физик Ганс Вольтер показал в 1952 году, что отражение от комбинации двух элементов — параболоида, за которым следует гиперболоид, — гораздо лучше подойдет для приложений рентгеновской астрономии. Уолтер описал три различные конфигурации визуализации: типы I, II и III . Рентгеновские астрономы чаще всего используют конструкцию типа I, поскольку она имеет простейшую механическую конфигурацию. Кроме того, конструкция Типа I дает возможность вкладывать несколько телескопов друг в друга, тем самым увеличивая полезную отражающую площадь. Wolter Type II полезен только в качестве формирователя изображения с узким полем зрения или в качестве оптики для дисперсионного спектрометра. Вольтер Тип III никогда не использовался в рентгеновской астрономии. [12]
По отношению к коллимированной оптике фокусирующая оптика позволяет:
Зеркала могут быть изготовлены из керамики или металлической фольги [13] , покрытой тонким слоем отражающего материала (обычно золота или иридия ). Зеркала, основанные на этой конструкции, работают на основе полного отражения света при скользящем падении.
Эта технология ограничена в энергетическом диапазоне обратной зависимостью между критическим углом полного отражения и энергией излучения. В начале 2000-х годов предел рентгеновских обсерваторий Чандра и XMM-Ньютон составлял около 15 килоэлектронвольт (кэВ) света. [14] Используя новые зеркала с многослойным покрытием, рентгеновское зеркало телескопа NuSTAR увеличило энергию света до 79 кэВ. [14] Для отражения на этом уровне слои стекла были покрыты несколькими слоями вольфрама (W)/ кремния (Si) или платины (Pt)/ карбида кремния (SiC). [14]
В то время как более ранние рентгеновские телескопы использовали простые методы коллимации (например, вращающиеся коллиматоры, проволочные коллиматоры), [15] технология, наиболее используемая в настоящее время, использует маски с кодированной апертурой. В этом методе перед детектором используется решетка с плоскими апертурами. Такая конструкция дает менее чувствительные результаты, чем фокусирующая оптика; также качество изображения и определение положения источника намного хуже. Хотя эта конструкция обеспечивает большее поле зрения и может использоваться при более высоких энергиях, где оптика скользящего падения становится неэффективной. Кроме того, изображение не является прямым, а скорее реконструируется путем постобработки сигнала.
Рентгеновские лучи имеют огромный диапазон длин волн (~ 8 нм – 8 пм), частоты (~ 50 ФГц – 50 ЭГц) и энергии (~ 0,12 – 120 кэВ). С точки зрения температуры 1 эВ = 11604 К. Таким образом, рентгеновские лучи (0,12–120 кэВ) соответствуют 1,39 × 10 6–1,39 × 10 9 К. От 10 до 0,1 нанометров (нм) (около 0,12–12 кэВ ) они классифицируются как мягкое рентгеновское излучение, а от 0,1 до 0,01 нм (около 12–120 кэВ) — как жесткое рентгеновское излучение.
Ближе к видимому диапазону электромагнитного спектра находится ультрафиолет . Проект стандарта ISO по определению солнечной радиации (ISO-DIS-21348) [16] описывает ультрафиолет как диапазон от ~10 нм до ~400 нм. Ту часть, которая ближе всего к рентгеновским лучам, часто называют «крайним ультрафиолетом» ( EUV или XUV). Когда фотон EUV поглощается, фотоэлектроны и вторичные электроны генерируются в результате ионизации , очень похоже на то, что происходит, когда рентгеновские лучи или электронные лучи поглощаются веществом. [17]
В последние десятилетия различие между рентгеновскими лучами и гамма-лучами изменилось. Первоначально электромагнитное излучение, испускаемое рентгеновскими трубками, имело большую длину волны , чем излучение, испускаемое радиоактивными ядрами (гамма-лучи). [18] Таким образом, в более старой литературе различают рентгеновское и гамма-излучение на основе длины волны, причем излучение короче некоторой произвольной длины волны, например 10–11 м , определяемой как гамма-лучи. [19] Однако, когда были обнаружены более коротковолновые источники «рентгеновского излучения» с непрерывным спектром, такие как линейные ускорители и более длинноволновые излучатели «гамма-излучения», диапазоны длин волн в значительной степени перекрывались. Два типа излучения теперь обычно различают по их происхождению: рентгеновские лучи испускаются электронами вне ядра, а гамма-лучи испускаются ядром . [18] [20] [21] [22]
Хотя более энергичные рентгеновские лучи, фотоны с энергией более 30 кэВ (4800 Дж ), могут проникать в атмосферу Земли , по крайней мере, на расстояние в несколько метров, атмосфера Земли достаточно толстая, и практически ни одно из них не может проникнуть из нее. космическое пространство вплоть до поверхности Земли. Рентгеновские лучи в диапазоне от 0,5 до 5 кэВ (от 80 до 800 аДж), где большинство небесных источников излучают большую часть своей энергии, можно остановить с помощью нескольких листов бумаги; 90% фотонов в пучке рентгеновских лучей с энергией 3 кэВ (480 аДж) поглощаются при прохождении через воздух толщиной всего 10 см.
Пропорциональный счетчик — это тип детектора газовой 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 рентгеновские пропорциональные счетчики состоят из газовой ячейки с окном. [23] Часто эта ячейка подразделяется на несколько областей с низким и высоким электрическим полем с помощью определенного расположения электродов.
Пропорциональные счетчики использовались на спутнике EXOSAT , [24] на американской части миссии «Аполлон-Союз» (июль 1975 г.) и на французском приборе TOURNESOL . [25]
Мониторинг обычно означает осведомленность о состоянии системы. Устройство, которое отображает или отправляет сигнал для отображения выходного рентгеновского излучения от источника рентгеновского излучения, чтобы знать о состоянии источника, в космических приложениях называется рентгеновским монитором. Например, на Аполлоне-15 , находившемся на орбите над Луной , рентгеновский монитор использовался для отслеживания возможных изменений интенсивности солнечного рентгеновского излучения и формы спектра при картировании лунной поверхности с учетом ее химического состава из-за образования вторичных Рентгеновские снимки . [26]
Рентгеновский монитор Solwind , получивший обозначение NRL-608 или XMON, был результатом сотрудничества Военно-морской исследовательской лаборатории и Национальной лаборатории Лос-Аламоса . Монитор состоял из двух коллимированных аргоновых пропорциональных счетчиков.
Сцинтиллятор — это материал, который проявляет свойство люминесценции [27] при возбуждении ионизирующим излучением . Люминесцентные материалы при ударе падающей частицы, такой как рентгеновский фотон, поглощают ее энергию и мерцают, т.е. повторно излучают поглощенную энергию в виде небольшой вспышки света, обычно в видимом диапазоне.
Сцинтилляционный рентгеновский детектор использовался на Vela 5A и ее близнеце Vela 5B ; [28] рентгеновский телескоп на борту ОСО 4 состоял из одного тонкого сцинтилляционного кристалла NaI(Tl) и узла фототрубки, заключенных в антисовпадительный экран CsI(Tl). ОСО 5 имел кристаллический сцинтиллятор CsI. Центральный кристалл имел толщину 0,635 см, чувствительную площадь 70 см 2 и просматривался сзади с помощью пары фотоумножителей.
PHEBUS имел два независимых детектора, каждый из которых представлял собой кристалл прорастания висмута (BGO) диаметром 78 мм и толщиной 120 мм. [25] Прибор КОНУС -Б состоял из семи детекторов, распределенных по космическому кораблю, которые реагировали на фотоны с энергией от 10 кэВ до 8 МэВ. Они представляли собой сцинтилляционные кристаллы NaI (Tl) диаметром 200 мм и толщиной 50 мм за входным окном Be . «Квант-1» провел HEXE, или эксперимент с рентгеновским излучением высокой энергии, в котором использовался фосвич йодида натрия и йодида цезия.
В электронике модуляция — это процесс изменения одной формы сигнала по отношению к другой форме сигнала. При использовании «модуляционного коллиматора» амплитуда (интенсивность) входящих рентгеновских лучей уменьшается за счет наличия двух или более «дифракционных решеток» из параллельных проводов, которые блокируют или значительно уменьшают ту часть сигнала, падающую на провода.
Рентгеновский коллиматор — это устройство, которое фильтрует поток рентгеновских лучей так, что пропускаются только те, которые движутся параллельно заданному направлению.
Минору Ода, президент Токийского университета информационных наук, изобрел модуляционный коллиматор, который впервые использовался для идентификации аналога Sco X-1 в 1966 году, что привело к наиболее точному позиционированию доступных источников рентгеновского излучения до запуска X. -лучевые телескопы. [29]
SAS 3 имел модуляционные коллиматоры (2–11 кэВ), а также пластинчатые и трубчатые коллиматоры (от 1 до 60 кэВ). [30]
На борту обсерватории Гранат находились четыре инструмента WATCH , которые могли локализовать яркие источники в диапазоне от 6 до 180 кэВ с точностью до 0,5 ° с помощью коллиматора с ротационной модуляцией. В совокупности три поля зрения инструментов охватывали примерно 75% неба. [25]
Солнечная спектроскопическая система Reuven Ramaty High Energy ( RHESSI), Explorer 81, отображает солнечные вспышки от мягкого рентгеновского излучения до гамма-лучей (от ~3 кэВ до ~20 МэВ). Его возможности визуализации основаны на методе преобразования Фурье с использованием набора из 9 коллиматоров с вращательной модуляцией .
ОСО 8 имел на борту графитовый рентгеновский спектрометр с энергетическим диапазоном 2–8 кэВ и углом обзора 3°.
Рентгеновский спектрометр «Гранат АРТ -С» охватывал диапазон энергий от 3 до 100 кэВ, поле зрения 2° × 2°. Прибор состоял из четырех детекторов на основе спектроскопических MWPC , образующих эффективную площадь 2400 см 2 при 10 кэВ и 800 см 2 при 100 кэВ. Временное разрешение составляло 200 микросекунд . [25]
Рентгеновский спектрометр на борту ISEE-3 был предназначен для исследования как солнечных вспышек, так и космических гамма-всплесков в диапазоне энергий 5-228 кэВ. Эксперимент состоял из двух цилиндрических детекторов рентгеновского излучения: заполненного ксеноном пропорционального счетчика, охватывающего 5-228 кэВ. 14 кэВ и сцинтиллятор NaI(Tl) с диапазоном 12–1250 кэВ.
В большинстве существующих рентгеновских телескопов используются ПЗС- детекторы, аналогичные детекторам в камерах видимого света. В видимом свете один фотон может произвести один электрон заряда в пикселе, а изображение строится путем накопления множества таких зарядов от множества фотонов за время экспозиции. Когда рентгеновский фотон попадает на ПЗС-матрицу, он производит достаточный заряд (от сотен до тысяч электронов, пропорциональный его энергии), чтобы при считывании измерялась энергия отдельных рентгеновских лучей.
Микрокалориметры могут обнаруживать рентгеновские лучи только по одному фотону за раз (но могут измерять энергию каждого).
Датчики переходного края — следующий шаг в микрокалориметрии. По сути, это сверхпроводящие металлы, температура которых максимально близка к их температуре перехода. Это температура, при которой эти металлы становятся сверхпроводниками и их сопротивление падает до нуля. Эти температуры перехода обычно всего на несколько градусов выше абсолютного нуля (обычно менее 10 К ).
В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе .
