Рентгеновских телескопов

В п. 6.1 анализируются требования к качеству зеркал, используемых в рентгеновских телескопах, микроскопах и других системах скользящего падения. Рассматриваются выбор материалов, методы изготовления этих зеркал (в том числе полирование, алмазное точение, репликовые методы, гибка), а также приборы и установки для контроля их геометрических параметров и реальных свойств в рентгеновском диапазоне.

В РЕНТГЕНОВСКИХ ТЕЛЕСКОПАХ

крытием имеют очень узкую полосу отражения, и поэтому, несмотря на лучшее использование площади входного отверстия, в большинстве случаев они не дают выигрыша в интегральном потоке излучения. Зеркальные системы скользящего падения и нормального падения о многослойным покрытием в настоящее время дополняют друг друга; выбор той или иной системы зависит от поставленной задачи и технологических возможностей. Сочетание элементов оптики скользящего и нормального падения в ряде случаев оказывается выгодным для улучшения характеристик системы и расширения круга решаемых научных задач. В данной главе рассматриваются аберрации одиночных вогнутых зеркал при скользящем падении, принципы построения, методы расчета и характеристики различных типов изображающих зеркальных систем, примеры их использования в рентгеновских телескопах и микроскопах. Современные методы изготовления и контроля качества зеркал скользящего падения будут рассмотрены в гл. 6.

Расчет методом хода лучей применяется как для вычисления характеристик конкретных систем, так и для нахождения зависимостей разрешения и эффективной площади от основных конструкционных параметров системы. Используя полученные численные значения, можно аппроксимировать их полуэмпирическими формулами, удобными для быстрых практических оценок. Ниже мы рассмотрим результаты расчета разрешения и светосилы для основных типов зеркальных систем скользящего падения, использующихся в рентгеновских телескопах и микроскопах.

В рентгеновских телескопах используются следующие типы зеркальных систем скользящего падения: скрещенные системы Киркпатрика и Баеза; системы «параболоид—гиперболоид» первого и второго рода; системы Вольтера—Шварцшильда первого и второго рода.

Скрещенная система Киркпатрика и Баеза. По аналогии с системой Киркпатрика и Баеза из сферических зеркал, предложенной ими для рентгеновского микроскопа, в рентгеновских телескопах используется система из скрещенных зеркал, представляющих собой набор пар плоских стеклянных пластинок, изогнутых по параболе в двух взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 5.11). Поверхности зеркал в системе координат с центром в общем фокусе [80] описываются следующими уравнениями: первое зеркало — х\ = р\ + 2р\ (z\ + а); ' —LJ2 < ух < LJ2; второе зеркало — у\ = р\ + 2рггг\ —L2/2 < x2 < L2/2, где pi и р2 — фокальные параметры парабол. Смещение фокуса первой параболы на величину а необходимо вследствие второго отражения. Оптимальное смещение а = р2 для системы в целом а = = (р2). Координаты точки в фокальной плоскости, в которую попадает после двух отражений луч, входящий в систему в точке с координатой х и азимутальным углом ср и направленный под углом у к оптической оси:

Системы «параболоид—гиперболоид» первого и второго рода. Эти системы наиболее часто используются в рентгеновских телескопах. Начнем рассмотрение с системы первого рода, которая отличается компактностью и технологичностью (рис. 5.13, а).

В РЕНТГЕНОВСКИХ ТЕЛЕСКОПАХ И МИКРОСКОПАХ

Наиболее широкое применение зеркальные системы скользящего падения нашли в рентгеновской астрономии для исследований излучения космических источников в мягкой рентгеновской области спектра 0,1-—10 кзВ. В 1960 г. Джаккони и Росси [39 ] выдвинули идею повышения отношения «сигнал— шум» в счетчиковых рентгеновских телескопах с помощью параболических концентраторов излучения. Они первыми предложили также принцип совмещения нескольких соосных зеркал с общим фокусом для увеличения общей эффективной площади телескопа. Спутниковые телескопы с параболическими концентраторами появились в конце 1960-х — начале 1970-х годов (САС-3 [70], ОАО «Коперник» [19], АНС [18], РТ-4 [4]). Их зеркала изготавливались из металла по относительно простой технологии, точ-

В табл. 5.1 приведены данные о некоторых из запущенных на орбиту или разрабатываемых в настоящее время зеркальных рентгеновских телескопах высокого разрешения. Первые два телескопа, предназначенные для исследования рентгеновского излучения Солнца, были установлены в 1973 г. на американской орбитальной станции «Скайлэб» (эксперименты S-054 и S-056). Зеркальная система телескопа S-054 состояла из двух совмещенных пар металлических зеркал «параболоид—гиперболоид», изготовленных методом прямой полировки [71]. Объектив телескопа S-056 был изготовлен из плавленого кварца [77]. Регистрация изображений Солнца в обоих телескопах проводилась на фотопленку. Спектральный диапазон определялся коэффициентами отражения зеркал и фильтрами. В телескопе S-054 с помощью объективной дифракционной решетки регистрировались также изображения Солнца в различных спектральных линиях. В экспериментах на станции «Скайлэб» было получено несколько десятков тысяч рентгеновских снимков Солнца в различных стадиях его активности, которые дали огромный материал для исследования происходящих на Солнце физических процессов.

5.3.3. Зеркальные элементы с многослойными покрытиями в рентгеновских телескопах и микроскопах

В начале пятой главы излагаются общие принципы построения и расчета систем неосесимметричных зеркал, скрещенных систем Киркпатрика и Баеза, систем Вольтера и Вольтера— Шварцшильда. Затем на основе данных расчетов показываются зависимости разрешения и эффективности этих систем от основных геометрических параметров. Применение систем скользящего падения иллюстрируется на примере созданных в последние годы и разрабатываемых рентгеновских телескопов и микроскопов. Здесь же обсуждаются новые возможности, которые дает использование в них зеркал скользящего и нормального падения с многослойными покрытиями.

Несмотря на успехи, достигнутые в технологии обработки сверхгладких поверхностей, в настоящее время поверхностные неоднородности остаются одним из основных факторов, ограничивающих разрешение рентгеновских телескопов и микроскопов скользящего падения [20, 30]. Детальное знание зависимости коэффициента зеркального отражения от микрогеометрии отражающей поверхности, а также углового распределения рассеянного излучения (индикатрисы рассеяния) позволяет количественно

Светосила системы характеризуется ее эффективной площадью (для рентгеновских телескопов) или эффективной апертурой (для микроскопов). Для определения эффективной площади используется соотношение

5.2.2. Расчет систем рентгеновских телескопов

При практической разработке зеркальных систем скользящего падения для рентгеновских телескопов, микроскопов и других приборов часто возникает задача выбора таких параметров системы, при которых одновременно достигаются максимальная светосила и разрешение в заданном поле зрения. Как мы видим, требования получения максимальной светосилы и разрешения противоречат одно другому. Задача поиска оптимальных параметров системы может быть решена как расчетным, так и аналитическим путем.

Большинство современных рентгеновских телескопов имеют совмещенные зеркальные системы первого рода (рис. 5.24, а), состоящие из 2—10 пар зеркал с относительной длиной L/F0 = = 0,14-0,2.

Таблица 5.1. Характеристики зеркальных рентгеновских телескопов скользящего падения

1. Бейгман И. Л., Слемзин В. А., Шевелько В. П. Системы зеркальных рентгеновских телескопов для области спектра 10—100 А. — М.: ФИАН СССР, 1976. — 25 с. (Препринт № 112).

3. Зеркальные системы для рентгеновских телескопов/И. Л. Бейгман, Л. А. Вайнштейн, Ю. П. Войнови др.//Тр. ФИАН СССР. — 1974. — Т. 77. — С. 14—32.

8. Обсерватория им. Эйнштейна и будущее рентгеновских телескопов/ Р. Джиаккони, П. Горенстейн, С. Мюррей и др.//Современные телескопы/Под ред. Дж. Бербиджа а А. Хьюита: Пер. с англ. — М.: Мир., 1978. — С. 216—308.

11. Расчет и изготовление оптики скользящего падения для рентгеновских телескопов/В. Вальничек, Л. А. Вайнштейн, Р. Гудеци др.//Научное космическое приборостроение. — Вып. 1. — М.: Металлургия, 1983. — С. 53—61.