Sviluppo e Calibrazione di Ottiche per Raggi X

Il gruppo della XACT/OAPA collabora con il SAO in un programma di sviluppo di ottiche per raggi X ad incidenza radente, di tecnologia innovativa, ad alta area di raccolta adatte per missioni spettroscopiche di Astronomia a raggi X e per applicazioni di laboratorio. In questo programma, la XACT facility viene utilizzata per ottenere immagini di una sorgente di raggi X puntiforme prodotte da queste ottiche. Lo studio di queste immagini consente di valutare contributi alla PSF derivanti ad esempio dalla qualità dei materiali utilizzati, e dalla struttura meccanica di montaggio dei gusci concentrici a geometria cilindrica o a spirale.

La sorgente di raggi X non é una sorgente puntiforme ideale e le sue dimensioni finite possono contribuire all'immagine prodotta al piano focale dalle ottiche in studio. Per potere sottrarre questo eventuale contributo, abbiamo ottenuto delle immagini nei raggi X della sorgente utilizzando come strumento di focalizzazione ed ingrandimento un microforo da 0.3 mm di diametro posto a 790 mm dalla sorgente e 15490 mm dal rivelatore MCP (figura 73). Questa configurazione strumentale ci ha permesso di ottenere immagini della sorgente di raggi X con un fattore d'ingrandimento circa 20 (figura 73).

Figura 73: In alto e' mostrato lo schema della configurazione strumentale utilizzata per ottenere immagini nei raggi X della sorgente. In basso é mostrata, con due diverse rappresentazioni grafiche, un'immagine della sorgente X con anodo di ferro ottenuta con questa configurazione strumentale.

L'immagine della sorgente X e' stata poi analizzata per determinarne forma e dimensioni. Una buona descrizione della forma della sorgente e' data da una gaussiana con $\sigma \approx 0.1  mm$ sovrapposta ad una piccola componente costante che si estende fino ad un raggio di circa 2.5 mm. La tabella che segue mostra i parametri di best-fit di questo modello ($\sigma$ della gaussiana e percentuale dei conteggi totali nella componente costante) della sorgente X per diversi anodi e parametri strumentali della sorgente X.

Anode	Elec. Accel.	Elec. Beam	Excited Line	$\sigma_G$	Plateau
	Voltage [kV]	Current [mA]	[Kev]	[mm]	[%]
C	2.5	0.01	0.28	0.075	16
Cu	2.5	0.04	0.93	0.085	28
Al	3.5	0.06	1.49	0.080	16
Ti	6.0	0.10	4.51	0.110	16
Cr	7.0	0.06	5.41	0.060	16
Fe	8.0	0.09	6.40	0.075	16
Cu	10.0	0.04	8.04	0.045	25

Sono state effettuate misure delle immagini prodotte nei raggi X da diverse ottiche ad incidenza radente a geometria cilindrica (figura 74), costituite da cilindri concentrici o da una spirale, utilizzate per verificare alcune delle idee fondamentali della tecnologia proposta. Le ottiche studiate sono state montate all'interno della beam-line X della XACT facility, nel punto medio tra la sorgente di raggi X e il rivelatore MCP. Sono stati utilizzati manipolatori meccanici da vuoto per aggiustare gli angoli di puntamento.

Figura 74: Una delle ottiche cilindriche studiate presso la XACT facility, montata all'interno della beam-line X a circa 8.5 m dalla sorgente X e dal rivelatore posto nella camera di test.

Figura 75 mostra un esempio di immagine prodotta dalla focalizzazione di una sorgente puntiforme di energia circa 6.5 keV con un'ottica cilindrica con 14 gusci concentrici e diametro esterno di 20 cm.

Figura 75: Immagine di una sorgente X puntiforme di energia circa 6.5 keV prodotta da un'ottica cilindrica con 14 gusci concentrici.

Figura 76: Profilo radiale della densità di conteggi (pannello di sinistra) e profilo radiale dell'integrale dei conteggi, normalizzato al totale, (pannello di destra) per l'immagine di una sorgente X puntiforme di energia circa 6.5 keV messa a fuoco dall'ottica cilindrica (linea continua). Le curve a tratteggio rappresentano le curve di best-fit ottenute utilizzando il raytracing che include la dimensione finita della sorgente. Nel pannello di destra e' anche mostrata a tratto-punto la curva che si dovrebbe ottenere con un'ottica cilindrica ideale.

Il profilo radiale di questa immagine viene ben modellato assumendo una fluttuazione random normalmente distribuita con $\sigma = 180''$ dell'angolo di riflessione dei fotoni sui gusci delle ottiche ed un disallineamento random uniformemente distribuito tra 0" e 10" dei 14 gusci (figura 76).

L'immagine della sorgente puntiforme prodotta dall'ottica cilindrica studiata presenta una forma molto piccata e simmetrica (FWHM $<$ 0.5 arcominuti) a conferma della validità generale del concetto utilizzato per montare un numero elevato di gusci e garantirne la loro concentricità. Tuttavia l'immagine mostra larghe ali che determinano un Half Power Diameter (HPD) di circa 4 arcominuti. Una delle cause di queste larghe ali potrebbe essere la presenza di piccole distorsioni dei gusci introdotte nei punti di sostegno dalla gravità.

Uno dei vantaggi principali della tecnologia proposta basata sull'utilizzo di fogli plastici sottili rispetto all'approccio classico di termo o elettroformatura di materiali quali il vetro o il Nikel consiste nell'eliminazione dei costosi mandrini superpoliti. Per mettere in forma i fogli di plastica in configurazione cilindrica o conica si possono utilizzare mandrini relativamente economici, dal momento che essi devono solo fornire la forma ma non la qualità superficiale. Inoltre, disporre di un nastro lungo e continuo di film plastico consente di costruire figure cilindriche o coniche a spirale. Mentre la focalizzazione con un'ottica a gusci concentrici produce un'immagine pressoché puntiforme di una sorgente puntiforme, un'ottica a spirale produce una corona circolare la cui dimensione dipende dalla spaziatura tra avvolgimenti adiacenti. Recentemente abbiamo dedicato particolare interesse allo studio attraverso ray-tracing delle geometrie spirale, mostrando che in alcune configurazioni l'abberrazione introdotta dall'approssimazione spirale di una geometria a gusci concentrici è trascurabile rispetto all'abberrazione introdotta dagli errori di forma intrinseci nella tecnologia. Al momento stiamo anche effettuando una ricerca di nuovi materiali plastici alternativi al PET fino ad ora usato che forniscano elevate qualità ottiche e meccaniche.