Progettazione e Calibrazione di Filtri

Per sfruttare a pieno le potenzialità dei rivelatori di raggi X utilizzati in astronomia, quali i CCD, le piastre a microcanali, ed i rivelatori criogenici, è necessario utilizzare filtri accuratamente progettati e calibrati.

Il gruppo di ricerca della XACT/OAPA ha partecipato attivamente alla progettazione e calibrazione dei filtri del rivelatore HRC di Chandra, della camera EPIC di Newton-XMM, della camera CCD di JET-X, nelle misure di trasmissività UV/Visibile di filtri di back-up del rivelatore HRI di ROSAT (figura 65) e nel programma di calibrazione dei filtri dello X-Ray Telescope (XRT) del satellite giapponese SOLAR-B. Recentemente è iniziata, in collaborazione con l'Institute of High Energy Physics della Chinese Academy of Sciences di Pechino una campagna di calibrazione per uno spettrometro per raggi X allo stato solido. Inoltre attualemte sono in corso misure per lo studio di fase A del satellite francese Simbol-X relative alla realizzazione delle coperte termiche ed alla misura della riflettivitá dei materiali da utilizzare per gli specchi dei telescopi. Nel seguito vengono brevemente descritte alcune delle misure di calibrazione condotte nell'ambito di alcuni dei suddetti programmi, le quali rappresentano validi esempi delle potenzialità della XACT facility nel test e calibrazione di filtri.

Figura 64: Le due figure in alto a sinistra e a destra mostrano rispettivamente una mappa di trasmissività a 1.49 keV di uno dei filtri di EPIC (70 mm di diametro) e una mappa di trasmissività a 0.277 keV di uno dei filtri di XRT-SOLARB (50 mm di diametro) condotte presso la XACT facility. Il pannello in basso a sinistra mostra una curva di trasmissività misurata al sincrotrone BESSY su un filtro medio di XMM. Il pannello in basso a destra mostra il dettaglio delle strutture fini di assorbimento in prossimità dell'edge di assorbimento dell'ossigeno.

Mappature spaziali nei raggi X a varie energie ( 183 eV, 277 eV, 930 eV, 1250 eV, 1490 eV, etc.) sono state condotte su filtri di grande area per misurare l'uniformità spaziale. Le mappature dei filtri medio e sottile della camera EPIC di Newton-XMM hanno permesso di verificare la uniformità di trasmissività nei raggi X entro il 2 % in accordo con le specifiche dettate al costruttore. Mappature spaziali sono state anche recentemente condotte sui nove filtri da volo di piano focale dell'esperimento XRT a bordo del satellite giapponese SOLAR-B (lancio previsto nel 2006) con risoluzione del $mm^2$.

Misure di trasmissività X ad alta risoluzione energetica sono state condotte dal nostro gruppo presso il sincrotrone BESSY di Berlino per definire un modello delle strutture fini di assorbimento in prossimità degli edge (figura 64). La conoscenza di queste strutture fini di assorbimento è particolarmente critica per i filtri usati nei rivelatori con elevata risoluzione energetica.

Misure di trasmissività UV/Visibile sono state condotte per valutare il livello di opacità fuori banda e per cercare eventuali microdifetti dei filtri in studio (vedi figura 65).

Figura 65: Il pannello di sinistra mostra una mappatura spaziale della trasmissività a 919 Å  condotta su un filtro valutato per JET-X. La misura ha permesso di localizzare un significativo numero di pinholes. Il pannello di destra riporta la trasmissività totale misurata dell'UV/Ion shield di scorta dell'HRI di ROSAT. Questo consisteva di due filtri distinti usati insieme: il primo di 5000 Å  di polipropilene con 300 Å  di alluminio, e il secondo di 6100 Å  di Lexan con 350 Å  di alluminio per lato.

Le misure di trasmissività condotte presso la XACT facility nell'ambito del programma di sviluppo dell'HRC di Chandra hanno permesso di evidenziare degli effetti (ossidazione degli strati di alluminio e interferenze del multistrato) che causano una significativa riduzione dell'opacità UV/Visibile. Questi risultati hanno avuto un significativo impatto nella comunità scientifica determinando la riprogettazione dei filtri del rivelatore HRC di Chandra, del CCD ACIS di Chandra (Powell et al., 1997, SPIE Proc., 3113, 432), del CCD EPIC di XMM, e del CCD di JET-X.

Durante la fase di calibrazioni in volo della strumentazione di Chandra, è stata osservata la stella Vega (A0V, V=0.03) con entrambi gli strumenti HRC-I ed HRC-S allo scopo di verificare l'efficienza dei filtri nell'assorbimento della radiazione UV/visibile. I tassi di conteggio misurati ed attesi sono in buon accordo. La contaminazione UV è stata ridotta di circa un fattore 100 rispetto al rivelatore HRI di ROSAT grazie alla suddetta riprogettazione dei filtri.

Avendo riscontrato, durante il programma di calibrazione dei filtri, un significativo effetto dell'ossidazione degli strati di alluminio sull'opacità UV/Visibile dei filtri, abbiamo iniziato un programma di misura di alcuni filtri di scorta di EPIC XMM, allo scopo di monitorare la stabilità della trasmissività UV/Visibile. Un filtro medio ed uno sottile sono stati conservati sin dal 1997 in un ambiente simile a quello dei filtri da volo (azoto secco prima del lancio, vuoto dopo il lancio). Con una periodicità di circa 6 mesi la trasmissività dei due filtri è stata misurata nella banda 2000-10000 Å  dove gli effetti d'invecchiamento sarebbero chiaramente visibili (Figura 66). Un piccolo aumento della trasmissività è stato riscontrato durante il primo anno di monitoraggio, mentre i filtri venivano mantenuti in azoto secco. A partire dal 1999 la trasmissività dei filtri è stabile e consistente con uno strato di ossidazione dell'alluminio di circa 60 Å  su un totale di 350 Å  per il filtro sottile, e di circa 130 Å  su un totale di 800 Å  per il filtro medio.

Figura 66: Il pannello di sinistra mostra alcune curve di trasmissività UV/Visibile di un filtro sottile della camera EPIC di XMM-Newton misurate a intervalli di alcuni mesi. Il pannello di destra mostra l'apparato utilizzato per mantenere in vuoto alcuni filtri di scorta di EPIC dopo il lancio.

La conoscenza dell'indice di rifrazione di vari materiali è necessaria per modellare la trasmissività di filtri multistrato. Presso la XACT facility abbiamo intrapreso un programma di misure dell'indice di rifrazione, nell'UV/Visibile/IR, di vari materiali di interesse nella realizzazione di filtri. Misure di trasmissività vengono condotte su filtri monostrato di diversi spessori. Tali misure sono quindi modellate in accordo con le equazioni classiche dell'ottica dove le espressioni del coefficiente di estinzione k è derivato da un modello parametrico quanto-meccanico (Forohui and Bloomer, 1986, Phys. Rev., 34, 7018; 1988, Phys. Rev., 38, 1865). I parametri del modello per k sono stati quindi valutati con un'analisi di best fit alle curve di trasmissività, mentre l'indice di rifrazione n è stato successivamente derivato da k usando le relazioni di Kramers Kronig. Questo programma di misure ci ha permesso di derivare le costanti ottiche del Lexan e del Polyimide nell'intervallo di lunghezze d'onda 1200-8000 Å(vedi figura 67).

Figura 67: Il pannello di sinistra mostra la misura di trasmissività condotta su un campione di polyimide con su sovrapposto il modello di best fit. I pannelli di destra mostrano i valori derivati del coefficiente di estinzione k e dell'indice di rifrazione n del polyimide.