Кіріспе

Рентген сәулелерін анықтау арқылы алыстағы объектілерді бақылауға арналған телескоп. Рентген сәулелік телескоп (РХТ) – рентген сәулелері спектріндегі алыстағы объектілерді бақылауға құрылған телескоп. Рентген сәулелері Жер атмосферасымен жұтылады, сондықтан рентген сәулелерін анықтау құралдарын әуе шарымен, зымырандармен және спутниктермен жоғары биікке шығару қажет. Телескоптың негізгі элементтері – телескопқа кіретін сәулеленуді жинауға арналған оптика (фокусқа келтіру немесе коллимациялау) және сәулеленуді жинап, өлшейтін детектор. Осы элементтер үшін әртүрлі конструкциялар мен технологиялар қолданылған. Спутниктердегі көптеген рентген телескоптары бірнеше кішкентай детекторлық телескоп жүйелерінен тұрады, олардың мүмкіндіктері біріктіріліп немесе толықтырылып, құралға қосымша бекітілген немесе алынып тасталатын элементтер (фильтрлер, спектрометрлер) арқылы оның функционалдығын арттырады.

Рентгендік телескоптардың тарихы

Рентгендік телескоптар алғаш рет астрономияда Күнді бақылау үшін қолданылды, себебі ол сол кездегі телескоптардың рентген сәулесін анықтауға шамасы жететін аспандағы жалғыз жеткілікті жарық көзі болатын. Күн рентген сәулесінде өте жарқын болғандықтан, алғашқы рентгендік телескоптар кішкентай фокустаушы элементтерді пайдалана алды және рентген сәулесі фотопленкамен тіркелді. 1963 жылы NASA Годдард ғарыш ұшу орталығының Джон В. Линдсей және оның әріптестері ракетамен тасымалданатын телескоп арқылы Күннің алғашқы рентгендік суретін түсірді. 1970 жылдардың басында Skylab орбитасына ұшқан алғашқы рентгендік телескоп 9 ай ішінде Күннің 35 000-нан астам толық дискілік суретін түсірді. Алғашқы рентгендік спутнигі, Uhuru, 1970 жылы NASA ұшырды. Ол 2,5 жылдық қызмет ету мерзімінде 339 рентген сәулесінің көзін анықтады. 1978 жылы ұшырылған Эйнштейн обсерваториясы – алғашқы бейнелейтін рентгендік обсерватория. Ол барлық типтегі жұлдыздардың, жолжырғызған жұлдыздардың қалдықтарының, галактикалардың және галактикалар шоғырларының 0,1–4 кэВ энергия диапазонындағы жоғары ажыратымдылықтағы рентгендік суреттерін алды. Тағы бір маңызды жоба – ROSAT (1990–1999 жылдары жұмыс істеді), ол фокустаушы рентгендік оптикасы бар ауыр рентгендік ғарыш обсерваториясы, сондай-ақ еуропалық EXOSAT. Ол орбитаға 2009 жылдың 27 маусымында сағат 22:51 GMT уақытында Cape Canaveral Air Force Station-дағы 37B ғарыш ұшыру кешенінен ұшырылды. Қытайдың Hard X-ray Modulation Telescope телескопы 2017 жылдың 15 маусымында қара тесіктерді, нейтронды жұлдыздарды, белсенді галактикалық ядроларды және олардың рентген және гамма сәулелеріне негізделген басқа да құбылыстарды бақылау үшін ұшырылды. CNSA 2020 жылдың 25 шілдесінде "Лобстер көзі" рентгендік спутнигін ұшырды, ол рентген энергия диапазонындағы қара материя сигналдарын іздеу үшін "Лобстер көзі" бейнелеу технологиясын қолданатын орбитадағы алғашқы телескоп. Астрономия үшін Lobster Eye Imager 2022 жылдың 27 шілдесінде, 2024 жылдың 9 қаңтарында ұшырылған Эйнштейн зонды үшін технологиялық демонстрация ретінде ұшырылды. 2024 жылдың маусым айында ұшырылатын ғарыш айнымалы нысандар мониторы обсерваториясы массивті жұлдыздардың жарылыстарын зерттеуге және гамма сәулелерінің шағылысуын талдауға бағытталған. 2006 жылдың 24 мамырында Delta IV ракетасымен Cape Canaveral LC37B-ден ұшырылған GOES 13 ауа райы спутнигінде жұмсақ рентгендік күн суреттерін түсіретін телескоп орналасқан. Алайда, 2006 жылдың желтоқсанынан бері GOES 13 SXI суреттері алынбады. Ресей-Германияның Spektr RG телескопы eROSITA телескоптар массивін және ART XC телескопын алып жүреді. Роскосмос оны 2019 жылдың 13 шілдесінде Байқоңырдан ұшырып, 2019 жылдың қазан айында деректерді жинауды бастады.

Оптика

Рентгендік оптикада ең көп қолданылатын әдістер - сыйма беткейлік айналар және коллиматорланған саңылаулар. Рентген сәулелерін пайдаланып рентгендік кескіндер жасау үшін сыйма беткейлік шағылысты қолданатын үш геометрия ғана белгілі: Вултер жүйесі, Киркпатрик-Баез жүйесі және омар көзі оптикасы.

Рентген сәулелерін анықтау және бейнелеу

Рентген сәулелерінің толқын ұзындығы (~8 нм – 8 пм), жиілігі (~50 ПГц – 50 ЭГц) және энергиясы (~0,12 – 120 кэВ) өте кең диапазонды. Температура бойынша 1 эВ = 11 604 К. Осылайша, рентген сәулелері (0,12 – 120 кэВ) 1,39 × 106 – 1,39 × 109 К-қа сәйкес келеді. 10-дан 0,1 нанометрге (нм) дейін (шамамен 0,12 – 12 кэВ) олар жұмсақ рентген сәулелері, ал 0,1 нм-ден 0,01 нм-ге дейін (шамамен 12 – 120 кэВ) – қатты рентген сәулелері деп жіктеледі. Электромагниттік спектрдің көрінетін диапазонына жақын ультракүлгін сәуле орналасқан. Күн сәулесінің қарқындылығын анықтау жөніндегі ISO стандартының жобасы (ISO DIS 21348) ультракүлгін сәулені ~10 нм-ден ~400 нм-ге дейін деп сипаттайды. Рентген сәулелеріне ең жақын бөлігі көбінесе «ең жоғары ультракүлгін» (EUV немесе XUV) деп аталады. EUV фотоны сіңірілген кезде иондану арқылы фотоэлектрондар мен екінші электрондар пайда болады, бұл рентген сәулелерінің немесе электрон сәулелерінің заттармен өзара әрекеттесуіне ұқсас. Рентген және гамма сәулелері арасындағы айырмашылық соңғы онжылдықтарда өзгерді. Бастапқыда рентгендік сәуле түтіктерінен шығатын электромагниттік сәулелердің толқын ұзындығы, радиоактивті ядролардан (гамма сәулелері) шығатын сәулелерге қарағанда ұзын болды. Сондықтан, ескі әдебиеттерде Х және гамма сәулеленуі толқын ұзындығы бойынша ажыратылды, ал 10-11 м сияқты белгілі бір толқын ұзындығынан қысқа сәулелену гамма сәулелері деп анықталды. Алайда, қысқа толқын ұзындығымен үздіксіз спектрлі «рентген» сәулелерінің көздері (мысалы, сызықтық үдеткіштер) және ұзын толқын ұзындығымен «гамма сәулелері» эмиттерлері табылғанда, толқын ұзындығы диапазондары кеңінен үсті-үстін келді. Радиацияның екі түрі қазір әдетте олардың пайда болу тегі бойынша ажыратылады: рентген сәулелері ядродан тыс электрондармен, ал гамма сәулелері ядродан шығарылады. Энергиясы 30 кэВ-тан (4800 аДж) жоғары рентген сәулелері, яғни, жоғары энергетикалық фотондар Жер атмосферасына кем дегенде бірнеше метрге енуге мүмкіндік берсе де, Жер атмосферасы тығыз болғандықтан, олардың ешқайсысы ғарыштан Жер бетіне жетпейді. Рентген сәулелерінің 0,5 – 5 кэВ (80 – 800 аДж) диапазонында, мұнда көптеген аспан денелері энергиясының көп бөлігін шығарады, бірнеше қағаз парағымен тоқтатуға болады; 3 кэВ (480 аДж) рентген сәулелерінің сәулесінің 90% -ы ауаның 10 см қалыңдығынан өту кезінде сіңіріледі.

Пропорционалды санағыштар

Пропорционалды санағыш – иондаушы сәулеленудің бөлшектерін санайтын және олардың энергиясын өлшейтін газдық иондау детекторының бір түрі. Ол Гейгер-Мюллер санағымен салыстырылатын принцип бойынша жұмыс істейді, бірақ одан төмен жұмыс кернеуін пайдаланады. Барлық рентгендік пропорционалды санағыштар терезесі бар газ камерасынан тұрады. Көбінесе бұл камера электродтардың белгілі бір орналасуы арқылы төменгі және жоғары электр өрісі аймақтарына бөлінеді. Пропорционалды санағыштар EXOSAT-та, Аполлон-Союз миссиясының АҚШ бөлігінде (1975 жылдың шілдесінде) және француздық TOURNESOL құралында қолданылған.

Рентгендік бақылау

Мониторинг дегеніміз – жүйенің жағдайын білу. Рентген сәулелерін шығаратын көзден шығатын рентген сәулелерін көрсетуге немесе көрсету сигналын жіберуге арналған құрылғы, осылайша оның жағдайын білу үшін, ғарыш қолданбаларында рентген мониторы деп аталады. Мысалы, Ай орбитасындағы «Аполлон-15» ғарыш кемесінде рентген мониторы Күннің рентген сәулелерінің қарқындылығы мен спектральдік құрамындағы өзгерістерді бақылау үшін пайдаланылды, сондай-ақ Ай бетін оның химиялық құрамына қатысты картографиялау кезінде екінші рентген сәулелерінің пайда болуын да бақылады. «Солвинд» рентген мониторы, NRL 608 немесе XMON, Теңіз зерттеу зертханасы мен Лос-Аламос Ұлттық зертханасы арасындағы ынтымақтастық нәтижесі болды. Монитор 2 коллимацияланған аргон пропорционалдық санауыштарынан тұрды.

Сцинтилляция детекторы

Сцинтиллятор – иондаушы сәулеленумен қоздырылғанда люминесценция қасиетін көрсететін материал. Люминесцентті материалдар, рентген фотоны сияқты келіп түсетін бөлшектің соққысына ұшырағанда, оның энергиясын сіңіріп, сцинтилляция жасайды, яғни сіңірілген энергияны көрінетін диапазондағы жарықтың шағын жарқырауы түрінде қайта шығарады. Сцинтилляциялық рентген детекторы Vela 5A және оның серігі Vela 5B-де қолданылды; OSO 4-тегі рентгендік телескоп CsI(Tl) сәйкессіздікке қарсы қалқанға орналасқан бір жұқа NaI(Tl) сцинтилляциялық кристаллынан және фотоқұбырдан тұрады. OSO 5-те CsI кристаллы сцинтилляторы болған. Орталық кристаллдың қалыңдығы 0,635 см, сезімтал ауданы 70 см², ал арт жағынан фотокөбейтуші түтіктер жұбымен қарастырылған. PHEBUS екі тәуелсіз детектордан тұрады, әр детекторы диаметрі 78 мм және қалыңдығы 120 мм висмут германаты (BGO) кристаллынан жасалған. SAS 3 модуляциялық (2 11 кэВ) және Slat және Tube (1-ден 60 кэВ-қа дейін) коллиматорларын алып жүреді. Гранат обсерваториясында 6-дан 180 кэВ диапазонындағы жарқын көздерді 0,5° дәлдікпен анықтай алатын айналмалы модуляциялық коллиматормен жабдықталған төрт WATCH құралы болды. Құралдардың үш көру бұрышы аспанның шамамен 75%-ын қамтиды. Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager (RHESSI), Explorer 81, күннің жарылыстарын жұмсақ рентген сәулелерінен гамма сәулелеріне дейін (~3 кэВ-тан ~20 МэВ-қа дейін) бейнелейді. Оның бейнелеу мүмкіндігі 9 айналмалы модуляциялық коллиматорлар жиынтығын пайдалана отырып, Фурье түрлендіру техникасына негізделген.

Рентгендік спектрометр

OSO 8 бортында 2-8 кэВ энергия диапазонында және 3° FOV-та жұмыс істейтін графит кристалды рентген спектрометрі орналасқан. Granat ART S рентген спектрометрі 3-100 кэВ энергия диапазонын және 2° × 2° FOV-ты қамтиды. Аспап спектроскопиялық MWPC-ге негізделген төрт детектордан тұрады, олар 10 кэВ-та 2400 см² және 100 кэВ-та 800 см² тиімді аумақты құрайды. Уақыт шешімі 200 микросекунд құрады. ISEE 3-тегі рентген спектрометрі 5-228 кэВ энергия диапазонында күндегі жарқылдарды және ғарыштық гамма-сәулелердің жарылыстарын зерттеу үшін жасалған. Эксперимент 2 цилиндрлі рентген детекторларынан тұрды: 5-14 кэВ-ты қамтитын ксенонмен толтырылған пропорционалды санауыш және 12-1250 кэВ-ты қамтитын NaI(Tl) сцинтилляторы.

CCD-лер

Қазіргі рентгендік телескоптардың көпшілігі көзге көрінетін жарық камераларындағы сияқты CCD детекторларын пайдаланады. Көрінетін жарықта бір фотон пикселде бір электрондық зарядты тудырады, ал сурет экспозиция уақыты ішінде көптеген фотондардан жиналған осындай зарядтар арқылы жасалады. Рентген фотоны CCD-ге түскенде, ол жеткілікті заряд (энергиясына пропорционалды жүздегеннен мыңдаған электрондар) тудырады, соның арқасында жеке рентген сәулелерінің энергиясы оқылғанда өлшенеді.

Микрокалориметрлер

Микрокалориметрлер рентген сәулелерін бір уақытта бір фотоннан ғана анықтай алады (бірақ әр фотонның энергиясын өлшеуге мүмкіндік береді).

Өтпелі жиек сенсорлары

Көлденең сенсорлар микрокалориметрияның келесі қадамы болып табылады. Олардың мәні – өте өткізгіш металдарды олардың ауысу температурасына мүмкіндігінше жақын ұстау. Бұл температурада металдар суперөткізгішке айналады және олардың кедергісі нөлге дейін төмендейді. Мұндай ауысу температуралары әдетте абсолютті нөлден бірнеше градусқа ғана жоғары болады (көбінесе 10 К-ден төмен).