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LEXT:ガモフのためのロブスターアイ光学

2021-11-28 14:28:40 | 宇宙望遠鏡
複眼といえばトンボのイメージしか無いけどX線センサーをロブスターの複眼を参考に設計製作しているようです。以下、機械翻訳。
LEXT:ガモフのためのロブスターアイ光学
2021年11月15日に提出
概要
ロブスターアイX線望遠鏡(LEXT)は、ガモフエクスプローラーに搭載されるペイロードの1つであり、
2021年のNASAエクスプローラーMIDEXの機会に提案されます。承認された場合、2028年に打上られ、
高zガンマ線バースト(GRB)を識別し、迅速なフォローアップを可能にするように最適化されています。 LEXTは2つです
モジュール、CCD焦点面、マイクロポアオプティクス(MPO)を利用した広視野望遠鏡のバンドパス
0.2-5keV。 MPOの形状は、正方形の微細な細孔の正方形のパックされた配列で構成されます。
曲率半径600mm、焦点距離の2倍の球面上に配置された断面
光学系、300mm。 0.2〜5 keVの光子エネルギー範囲での作業、最適なL / d比(細孔の長さL
細孔幅d)は60であり、光学開口全体にわたって一定である。このホワイトペーパーでは、ベースライン設計について詳しく説明します
ガモフミッションの科学的目標を達成するためのLEXT光学系のために。広範なレイトレース分析には
実施され、フィールドの最適化とともに光学設計の開発を紹介します
この分析を使用した視野、有効面積、焦点距離。理想的なMPO特性に関する調査、
例えばコーティング、ポアサイズなど、およびさらなる研究のための道の詳細も示されています。
キーワード:X線天文学、X線望遠鏡、X線光学、ロブスター眼光学、マイクロポア光学
1.はじめに
1.1ガモフエクスプローラー
ガモフエクスプローラーは、NASAミディアムクラスエクスプローラー(MIDEX)2021の機会に提案されています
2028年にL2軌道に打ち上げられます。ガモフエクスプローラーは、特に高赤方偏移を検索するように最適化されます。
長いガンマ線バースト(LGRB)、z> 6の検出率でSwift.1の少なくとも10倍
加えて、photo-z技術を使用することにより、LGRBを自律的に識別し、大規模な地上での迅速なフォローアップを可能にします
ベースの望遠鏡とJWST。できるだけ多くの高zGRBおよびその他の一時的なイベントを検出するために、
広い視野のX線装置が必要であるため、ロブスターアイ望遠鏡はこのための理想的な候補になります
ミッション。ガモフは、Photo-z赤外線望遠鏡(PIRT)とロブスターアイの2つの機器で構成されています
X線望遠鏡(LEXT)、LGRBを検出し、それらの位置と赤方偏移を正確に決定します。
ミッションは、ジョージ・ガモフのビッグバン理論への取り組みと貢献に敬意を表して名付けられました。
膨張宇宙。使命と科学の詳細は、White etal.に記載されています。
1.2ロブスターアイ望遠鏡
X線イメージング用のロブスターの目の形状は、Angel(1979)3によって最初に導入され、テッセレートの使用が行われました。
ロブスターの目のX線望遠鏡のスランプマイクロチャネルプレート(MCP)は、何人かの著者によって追求されてきました。


図1.左:単一、40 mm x 40 mmの正方形、イリジウムコーティング、アルミニウムフィルム、厚さ1.2 mm、球状にスランプ
Photonis FranceSASによって作成されたMPO。 右:MPO上の一連の個々の40 µm細孔の顕微鏡画像。


図2.2回の反射を受けた完全なスランプMPO.15光線によって作成されたシミュレートされた特徴的なPSF
直交する細孔壁から離れると、高強度の中央集束スポットが生成されます。 で単一の反射を受ける光線
毛穴は、水平および垂直のクロスアームを生成します。 3つ以上の反射光線が外翼に寄与します
MPOをまっすぐ通過する光線は、拡散バックグラウンドパッチを作成します。

この形状は、使用するガラスの密度が低いため、非常に広い視野を提供できます。
光学では、完成した望遠鏡の質量は非常に小さくなっています。このテクノロジーと形状は、BepiColomboのMIXS-C機器で使用されました。
現在、次のような複数のX線望遠鏡ミッションに利用されています
SVOM、SMILEおよびEinstein Probeとして、またTAP、LEXIなどのミッションを提案しました。
Feldman et al。、に記載されているように、ロブスターの眼球は、多数のテッセレーションによって作成できます。
球形フレーム上の個々のマイクロポアオプティクス(MPO)。個々のMPOの形状は次のとおりです。
正方形の断面の微細な細孔の正方形のパックされた配列。現在のベースラインは、MPOが
細孔内にイリジウムコーティングが施され、前面の細孔開口部に薄いアルミニウムフィルムが塗布されています。この
光学およびUV光用のフィルターと優れた熱表面の両方を提供します。 MPOは、次のようにスランプします。
すべてのMPOのすべての細孔は、曲率の中心を向いています。スランプの例、40 mm x 40
mmmの正方形、1.2 mmの厚さ、イリジウムコーティング、アルミニウムフィルム、球状にスランプしたMPOを図1.に示します。

Willingale etal。15に示されているように、単一のMPOによって生成される点像分布関数(PSF)は、
細孔の直交する壁で2回のかすめ入射反射を受ける光線によって作成された集束スポット。
1回の反射を受ける光線によって引き起こされる垂直および水平クロスアーム、およびによって作成される拡散パッチ
MPOをまっすぐ通過する光線。特徴的なPSFの例を図2に示します。
複数のMPOで構成される組み立てられたロブスターアイオプティックは、に示すように同じ画像を生成する必要があります。
図2、MPOがすべて追加の傾斜や回転なしで取り付けられており、フレームに
アレイ全体で一貫したフォーム。14取り付けまたは組み立てのエラーがある場合は、中央のダブル


図3.単一のTHESEUSSXIモジュールのCADレンダリング。

個々のMPOの点像分布関数(PSF)が互いに積み重ならないため、反射スポットが広がるか、極端な状況では、多くの個々の小さなスポットで構成されます。この場合、
クロスアームも広がり、複数のアームも見られる場合があります。
ロブスターの目の光学系の視野のサイズは、球面光学系の角度範囲にのみ依存します
と検出器。

2. LEXT
科学的要件を満たすために、できるだけ多くの高z GRBを検出し、大きなzGRBを提供します。
視野では、マルチモジュールのロブスターアイ望遠鏡が提案されました。初期の設計は、
THESEUS SXI機器16(図3)、ただしガモフ用に選択された検出器のサイズの違いによる
THESEUSと比較して、各モジュールの形状を変更する必要がありました。
ガモフは、もともとMITリンカーン研究所がISS-TAO用に開発したCCD検出器を利用します。
ミッション17、48 mm x 48mmの正方形のアクティブエリアがあります。各検出器は、15 µmxの3216x3216アレイです。
15 µmピクセル。これは、45 µm x 45 µmの有効ピクセルサイズを提供するためにオンチップでビニングされます。これらのデバイスは
原則として任意の焦点面の配置を可能にするが、組み立てと充填が容易な4面隣接可能
視野の係数は、細長い焦点面と複数モジュールアプローチを採用することで最大化されます
ガモフの場合、焦点面のサイズと一致するように計算された光学部品のサイズ。
2.1設計
現在、2つの設計が調査されています。1つはベースライン設計、2つ目はしきい値設計です。
どちらの設計も同じCCD検出器を使用しており、どちらの設計も広い視野を提供することを目的としています。
0.2〜5keVのエネルギー範囲で動作します。 MPOは現在、厚さが2.4mmであると想定されています。
L / dが60、40 mm x 40 mmの正方形、イリジウムコーティング、アルミニウムフィルム。焦点距離の研究は
実行され、焦点距離300 mm(曲率半径600 mm)が最適であると判断されました。
感度と視野のバランス。チャネル内の表面粗さ、反射の値
効率と生産の変形はすべて、以前のモデリング15と実験の結果に基づいています
レスター大学で修了。どちらの場合も、光学系のサイズは焦点に一致するように決定されています
平面サイズと視野を最適化します。
ベースライン設計
ベースライン設計では、細長い光学面と焦点面を備えた2つの同一のモジュールを利用します。焦点面
CCD検出器の4x 2アレイで構成され、光学素子は10 x 5MPOのアレイで構成されます。各モジュール
〜680平方度の視野を提供し、機器全体の視野は〜1360です。
平方度。 2つのモジュールの設計を図4の左側に示し、ベースラインのCADレンダリングを示します。
モジュールの焦点面を図5に示します。


図4.現在調査中の左側のベースラインTEXTデザインと右側のしきい値デザイン。


図5.ベースラインモジュールの焦点面のCADレンダリング。

しきい値の設計
しきい値の設計は、ミッションの科学的目標を達成するための最小の視野です。
検出可能な高zGRBの数。繰り返しますが、細長い光学面と焦点面を備えた2つの同一のモジュール
使用されています。ただし、検出器とMPOの両方の数は削減されています。焦点面は、
3 x 2 CCDのアレイであり、各光学部品は7 x 5MPOのアレイです。各モジュールの視野は約500平方です
計器全体で1000平方度強を提供します。しきい値の設計はに示されています
図4の右側。
2.2有効面積
光学設計のモデル化に使用されるソフトウェアは、によって設計されたシーケンシャルレイトレーシングコードQで作成されました。
リチャードウィリンゲール教授。 Willingale et。で説明されているように、個々のMPOのすべての変形を使用する
al.15 Q内では、異なるエネルギーでの個々のMPOの応答を正確に予測することが可能です。
と角度。個々のMPOを測定することにより、MPOPの配列をモデル化することもできます。
プロパティをモデルに組み込むか、使用するサイズとレイアウトで同一のMPOの配列を設定します。
ここ。変形はガウス関数を使用してランダム化され、コード内にピークが設定されて、
MPOは完全に同一ではないため、より現実的なモデルになります。各変形のピーク値を編集することにより
タイプし、想定されるフレームの傾きと組み立てエラーを含めて、結果の全幅を指定することができます
モジュールの半値全幅(FWHM)により、さまざまな設計の効率と感度を計算します
およびモジュールのパフォーマンス。
ベースライン設計のモデルは、上記のようにレイトレーシングされ、モジュールFWHMは7に設定されました。
アークミン。次に、光学部品の有効面積(中央領域と画像全体の両方)をエネルギーで測定しました。
0.2〜10keVの拡張バンドパス内。次に、光学有効領域が検出器で畳み込まれました
QEとアルミニウムフィルター(厚さ170 nm、光学素子と検出器の間で分割)。他のフィルターはありません。
後で検出器に含まれ、この時点でモデルに組み込まれています。結果はで見ることができます
図6。
結果に見られるように、5 keVを超える領域が検出されていますが、それは急速に上でテールオフします。
これ。クロスビームの中央領域は1keVでピークに達し、約2 cm2。


図6.7分角のモジュールFWHMを使用したLEXTベースライン設計の予測有効面積。

3.さらなる作業と研究
現在のベースラインは、MPOにイリジウムでコーティングされた細孔があることですが、他の材料が検討されています
バンドパス全体の光学応答を改善できるようにするため。
MPOの細孔径は現在40µmと想定されていますが、それよりも小さい可能性があります。
20 µmの細孔が検討されています。これにより、MPOの厚さが2.4mmから1.2mmに減少します。
したがって、生産はわずかに速くなりますが、細孔のコーティングが難しくなる可能性があります。このトレードオフはまだです
調査中です。
検出される高zGRBの数を予測するために、光学素子の感度が計算されています。
これには、現在のベースライン設計、検出器のQE、フィルター、バックグラウンドカウントおよび粒子レートが組み込まれています。
L2の光学素子と検出器の両方で使用するのに最適なフィルター材料と厚さはまだ定義されています。
さらに、バックグラウンドカウント率は、他の人が行った測定に基づいてまだ決定されています
L2でのX線ミッション。これらの値がよく知られるようになると、光学部品の予測感度は次のようになります。
設立

4.結論
ガモフエクスプローラーはNASAMIDEXの提案であり、選択された場合、2028年にL2軌道へ打ち上げられます。
それは2つの観測機器で構成されます。 GRB検出器(LEXT)と赤外線望遠鏡(PIRT)。アカザエビ
アイオプティックは、ガモフに搭載されたGRB検出器の完璧な候補であり、高い視野を提供します。
GRBやその他のトランジェントを検出する際の感度と、優れたローカリゼーションを提供します。現在、2つのデザインがあります
研究中;ベースライン設計としきい値設計。どちらも1000平方度を超える視野を提供します。
2つ以上のモジュール。 2つの設計のそれぞれは、CCD検出器の細長い焦点面を組み込んでおり、一致しています
視野を最適化するための光学サイズ。ベースライン光学系はモデル化されており、
〜2cm2の1keVでのピーク有効面積
。細孔のコーティングと細孔サイズはまだ調査中です
MPOの生成とバンドパス全体の光学素子の性能を最適化するため。予備
感度の計算は、次のような高zGRBの数を予測できるようにするために完了しました。
ガモフは検出できるようになります。


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