 |
Астронет: В. Ф. Сулейманов/КГУ Рентгеновская астрономия http://variable-stars.ru/db/msg/1174809/node3.html |
<< 1. Введение | Оглавление | 3. Механизмы генерации излучения >>
2. Краткое описание приборов рентгеновской астрономии.
2.1 Детекторы
Существует два основных типа детекторов рентгеновских квантов. Это
пропорциональный газоразрядный счетчик и сцинтилляционный счетчик.
Пропорциональный газовый счетчик работает на основе фотоэффекта в газах и
представляет собой плоскую коробку, заполненную тяжелым инертным газом
(Ar, Xe) и метаном (или CO
) под давлением 1-3 атмосферы. Метан или
CO в количестве 
10% нужен для прекращения разряда. Катодом
служат металлические стенки камеры, анодом - проволочки в центре. Счетчик
способен регистрировать фотоны различных энергий, в зависимости от состава
газа, поскольку сечение взаимодействия атома с рентгеновским квантом
пропорционально четвертой степени заряда ядра (
). Напряжение между
анодом и катодом 20 000 B, и выбитый рентгеновским квантом электрон
порождает электрический импульс, сила тока в котором пропорциональна
энергии рентгеновского фотона. В режиме пропорциональности коэффициент
усиления в счетчике
. Окна пропорциональных счетчиков
закрыты тонкими (10-100 мкм) металлическими (Be, Al) или органическими
пленками. Разрешение пропорционального счетчика 
в диапазоне
энергий от 1 до 20 кэВ обратно пропорционально 
, т.е.
. Например, при E=5.5 кэВ,
.
Квантовая эффективность счетчика велика и может достигать 90%.
Площадь счетчика до 300 см
в одном корпусе. Объединяя несколько счетчиков,
общую площадь можно довести до 10
см.
При энергиях фотонов 
20 кэВ газоразрядные счетчики становятся
малоэффективными из-за уменьшения сечения взаимодействия рентгеновских фотонов
с атомами (
). Поэтому вместо них используют
кристаллы NaJ или CsJ, активированные добавками Tl или сцинтиллирующие
органические пластмассы. Это так называемые сцинтилляционные детекторы, в
которых каждый рентгеновский квант вызывает вспышку ультрафиолетового и
оптического излучения, амплитуда которой в некотором диапазоне энергий
пропорциональна энергии поглощенного рентгеновского кванта. Эта вспышка
затем регистрируется фотоумножителем. Квантовая эффективность детектора
не очень высока и ограничивается в основном фотоумножителями. Полезная площадь
такого детектора порядка 100-300 см для кристаллов NaJ и CsJ, а
детекторы на основе органических пластмасс могут быть отлиты любых размеров,
вплоть до 1 м. В мягкой рентгеновской области в качестве детекторов
могут использоваться и микроканальные пластинки, и ПЗС матрицы.
2.2 Коллиматоры
Для локализации источника рентгеновских фотонов на небе детектор делают
регистрирующим фотоны лишь с одной стороны, закрывая остальную поверхность
защитными экранами. Для улучшения разрешающей способности поле зрения детектора
ограничивают с помощью коллиматоров. Коллиматоры бывают двух типов:
пластинчатые и модуляционные. Пластинчатый коллиматор представляет из себя
трубу или коробку, открытую с двух концов, имеющую, как правило, сотовое
строение, стоящую перед детектором и ограничивающую таким образом поле его
зрения (рис.2). Разрешающая способность такого коллиматора
.
 |
Рис. 2. Сечение и принцип действия пластинчатого коллиматора (Джиаккони и Гурский, 1974) |
 | |
 |
Рис. 3. Модуляционный двухрешеточный коллиматор и его выходной сигнал (Джиаккони и Гурский, 1974) |
0.1 мм и таким же расстоянием между ними (рис.3). Расстояние между рядами
проволочек 
много больше. При различных положениях источника относительно
коллиматора проволочки верхнего ряда либо закрывают просветы второго ряда,
либо открывают их, формируя сигнал в виде ряда треугольных пиков. Анализ
записи сигнала источника в процессе сканирования позволяет определить одну
координату источника с точностью
10
. Для определения другой координаты
необходимо либо просканировать небо при другом положении коллиматора, либо
заставить спутник вращаться вокруг своей оси. В последнем случае коллиматор
называется ротационно-модуляционным. Во всех случаях применение коллиматора
дает некий бокс ошибок, в котором находится источник излучения. Этот бокс
имеет либо форму параллелепипеда в случае модуляционного коллиматора, либо
форму эллипса в случае ротационно-модуляционного.
2.3 Телескопы и спектрографы
Описанные выше устройства не позволяют усиливать поток излучения, для этого
необходимо использовать рентгеновскую оптику. Однако современные материалы
способны отражать рентгеновские кванты лишь при очень больших углах падения,
близких к 90
. Причем, чем больше энергия кванта, тем больше угол, при
котором возможно отражение. Оптика, построенная для рентгеновской области
спектра, называется поэтому оптикой косого падения. Такой телескоп
представляет собой два зеркала с очень большим углом падения - параболоид и
гиперболоид вращения, расположенные на одной оси. Как видно из рисунка 4
эффективная площадь зеркала достаточно мала и зависит от энергетического
диапазона, так как для жестких квантов необходим больший угол падения.
Рентгеновская оптика для мягкого рентгена впервые была применена на спутнике
"Эйнштейн".
Зеркала на современных телескопах делают из фольги специальных сплавов и
вкладывают друг в друга, что позволяет увеличить эффективную площадь телескопа.
В частности, телескоп JET-X спутника "Спектр-Рентген-Гамма" имеет собирающую
площадь 3000 см и позволяет строить изображения в спектральной
области до 10 кэВ. Для регистрации изображения в фокальной плоскости
телескопа ставится
сетка из газоразрядных счетчиков. На спутнике "Эйнштейн" максимальное
разрешение составляло 12
, а эффективная площадь зеркал составляла
от 400 см для фотонов с энергиями 0.25 кэВ до 30 см для энергий 4 кэВ.
Разрешающая способность современных телескопов составляет доли угловых секунд.
Для исследования спектральных характеристик рентгеновского излучения
используется несколько методов. В области мягкого рентгена используют несколько
газоразрядных детекторов с различным газовым составом, чувствительных к
рентгеновским квантам определенных энергий. В частности, детектор рентгеновского
телескопа обсерватории "Эйнштейн" имел 32 канала в области от 0.1 до 4.5 кэВ.
Для более жесткого излучения возможно использование дифракционных решеток
косого падения из Брэгговских кристаллов. Брэгговский кристалл отражает
рентгеновские кванты в узком спектральном диапазоне. Причина отражения -
дифракционная. На атомных слоях в кристалле отражаются только те фотоны, чья
длина волны равна или кратна удвоенному расстоянию между атомными слоями в
кристалле, умноженному на 
, угла падения фотона:
.
 |
| Рис. 4. Схема рентгеновского телескопа спутника "Эйнштейн" (Миллер и др., 1978) |
 |
| Рис. 5. Отражение от Брэгговского кристалла |
Ясно, что при разных углах падения будут отражаться фотоны с разными энергиями. То есть поворачивая Брэгговский кристалл, можно направлять на детектор поочередно рентгеновские кванты разных энергий.
Таковы в основных чертах приборы, применяемые в рентгеновской астрономии.
<< 1. Введение | Оглавление | 3. Механизмы генерации излучения >>