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Sviluppo e Calibrazione di Ottiche per Raggi X

La procedura tradizionale per ottenere ottiche per raggi X consiste nella superpolitura o termo-formatura di vetro o nel replicare mandrini superpoliti. Il costo per costruire ottiche in vetro o metallo è molto elevato. Per questa ragione, già da alcuni anni nell'ambito di una collaborazione tra il SAO, Cambridge, MA, l'INAF-OAPA, l'UNIPA-DSFA, ed il DNSC di Copenhagen, stiamo studiando una nuova tecnologia di ottiche per raggi X ad incidenza radente basata sull'utilizzo di film plastici sottili prodotti industrialmente e successivamente rivestiti con singoli o multistrati riflettenti. Questa tecnologia può trovare applicazioni in missioni di Astronomia a raggi X in cui sia necessaria un'elevata area di raccolta ma non è richiesta un'elevatissima risoluzione angolare (es: spettroscopia, studi di variabilità e polarimetria di sorgenti puntiformi), oltre che in diverse applicazioni di laboratorio. La collaborazione si è estesa negli ultimi anni coinvolgendo anche ricercatori dell'INAF-OAB e dell'INAF-IASFPa

Film plastici sottili vengono prodotti in quantità per numerose applicazioni industriali. Originariamente il polietilene tereftalato (PET) è stato scelto come materiale plastico per costruire ottiche a raggi X. I fogli di PET provenivano da una speciale linea di produzione di pellicole radiografiche della ditta americana Estman KODAK. Recentemente, abbiamo iniziato uno studio comparativo su film plastici ad alte prestazioni (Fig. [*]).

Figure: Confronto tra le superfici di alcuni film plastici ottenute con un microscopio Nomarski dell'INAF-OAB. A sinistra: campione di PEEK (PolyEtherEtherKetone); il film è prodotto dalla Victrex plc (UK) con il marchio APTIV. Al centro: campione di PAR (PolyARylate); polimero amorfo prodotto in talia dalla Ferrania Technologies s.p.a. con il marchio AryLite. A destra: campione di LCP (liquid crystalline polymer); si tratta del film Vectra® prodotto dalla Ticona, una sussidiaria della Celanese AG.
\includegraphics[height=3cm]{XACT/plastic_microscopy.ps}

Lo studio preliminare ha mostrato che campioni di polyarylate (PAR), un polimero amorfo prodotto in Italia dalla Ferrania Technologies S.p.A. con il nome commerciale di AryLite, hanno caratteristiche di micro-rugosità migliori di altri film plastici analizzati. È chiaro comunque che i prodotti esistenti in commercio non vengono normalmente realizzati con caratteristiche di alta qualità superficiale. La Ferrania ha mostrato interesse nella produzione di film plastici aventi una migliore qualità superficiale.

Figure: Prototipi di ottiche a geometria cilindrica basate su film plastici sottili. A sinistra un ottica di diametro esterno 175 mm contenente 20 gusci concentrici di film plastico rivestito di Tungsteno; alcune delle astine di contenimento della forma sono visibili. A destra un singolo guscio di foglio plastico rivestito in alluminio montato nel canale praticato sui raggi della ruota.
\includegraphics[height=5cm]{XACT/montaggio.ps}

Rivestimenti di alta qualità su vari campioni di film di PET sono stati depositati con successo presso le facility del DNSC e del CfA, a strato singolo o multistrato di carbonio (C), silicio (Si), nichel (Ni), tungsteno (W) e platino (Pt). Inoltre, la riflettività nei raggi X monitorata per alcuni rivestimenti non ha mostrato alcun apprezzabile degrado nell'arco di 1 anno.

Immagini nei raggi X soffici prodotti al piano focale da alcuni prototipi di queste ottiche sono state ottenute utilizzando la beam-line principale della XACT facility dell'INAF-OAPA, lunga circa 35 metri nella sua nuova configurazione. Due diversi sistemi di montaggio di gusci concentrici sono stati fino ad ora realizzati e studiati analizzando le immagini a raggi X prodotte al piano focale. Nella prima tecnica due ruote a raggi sono unite insieme da un cilindro centrale. Piccoli fori di precisione sono praticati nei raggi per alloggiare delle astine metalliche a sezione circolare, le quali definiscono la forma della superficie esterna di ciascun guscio (Fig. [*], pannello di sinistra). Nella seconda tecnica, il guscio di plastica viene alloggiato all'interno di un canale ricavato nei raggi di una delle due ruote. Il canale è sufficientemente largo da contenere un piccolo strato di resina epossidica (Fig. [*], pannello di destra).

Figure: Immagine di una sorgente X puntiforme di energia circa 6.5 keV prodotta da un'ottica cilindrica con 14 gusci concentrici.
\includegraphics[height=6cm]{XACT/Fe_o_shade.ps} \includegraphics[height=6cm]{XACT/Fe_o_tvimb.ps}

L'analisi delle immagini ottenute con diversi prototipi di ottiche consente di valutare i diversi contributi che determinano l'allargamento della PSF, quali ad esempio la qualità dei materiali plastici utilizzati, e la struttura meccanica di montaggio dei gusci. I risultati fino ad ora ottenuti hanno permesso di dimostrare che si possono ottenere ottiche a molti gusci concentrici a singola riflessione con una FWHM $<$ 30 arcsec e una HPD compresa tra 2 e 4 arcmin. A titolo di esempio, Fig. [*] mostra l'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 realizzata con la prima delle due tecniche di montaggio sopra descritte.

Figure: 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.
\includegraphics[height=5cm]{XACT/Fe_o_rad.ps} \includegraphics[height=5cm]{XACT/Fe_o_enc.ps}

Figure: Confronto tra le immagini prodotte da un ottica classica a doppio cono con gusci concentrici (pannello di sinistra) e le immagini prodotte da ottiche a doppio cono con approssimazione a spirale di gusci concentrici realizzate avvolgendo le due spirali nello stesso verso di rotazione (pannello di centro) o in verso opposto (pannello di destra).
\includegraphics[height=5cm]{XACT/reverse_spiral.ps}

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 (Fig. [*]).

La possibilità di ottenere lunghi fogli di plastica sottile consente di costruire ottiche per raggi X con geometria a spirale. Invece di annidare vari gusci chiusi, ciascuno con il suo diametro, si può avvolgere un unico foglio in modo continuo, ottenendo un'ottica avente un'area efficace e delle caratteristiche di vignettatura simili a quelle di un'ottica classica a gusci concentrici. La differenza consiste nell'approssimare l'immagine di una sorgente puntiforme con una corona circolare. Il concetto di spirale è particolarmente interessante poiché la sua realizzazione non richiede la costruzione di alcun mandrino e può essere ottenuta a costi molto bassi.

Utilizzando un codice di ray-tracing abbiamo simulato le prestazioni di due geometrie: l'approssimazione a spirale di cilindri concentrici e di doppi coni concentrici. I risultati hanno mostrato che per alcune applicazioni l'approssimazione a spirale è un'adeguata alternativa. Ad esempio, da un'analisi di ray-tracing risulta che un telescopio per raggi X a doppio cono (approssimazione di un ottica Wolter I) con focale da 6 metri e diametro di 1 metro, realizzato con l'approssimazione a spirale di gusci concentrici, produce una immagine di una sorgente puntiforme ad infinito di dimensioni inferiori alle tipiche aberrazioni introdotte dalle attuali tecnologie a fogli sottili di vetro o alluminio (HEW = 1.2 arcmin).

Abbiamo anche esplorato vantaggi e svantaggi di avvolgere il primo ed il secondo cono a spirale in direzioni opposte in modo da compensare parzialmente l'aberrazione introdotta dall'approssimazione spirale di coni concentrici. La Fig. [*] mostra, come risultato di un'analisi di ray-tracing, l'immagine di una sorgente puntiforme in asse ad infinito prodotta al piano focale di un un'ottica classica a doppio cono con gusci concentrici (pannello di sinistra), a confronto con le immagini prodotte da un ottica a doppio cono realizzata con l'approssimazione a spirale di gusci concentrici, nei due casi in cui il primo ed il secondo cono a spirale vengano avvolti nella stesso verso di rotazione (pannello di centro) o in verso opposto (pannello di destra). Avvolgendo le due spirali in verso opposto di rotazione si ha un restringimento della parte centrale dell'immagine con parziale riempimento del buco, ma allo stesso tempo si ha un allargamento delle ali ed una riduzione di area efficace.

Ottiche a spirale cilindrica di piccole dimensioni sono state realizzate e già utilizzate come ``relay lens'' in applicazioni di laboratorio. Immagini nei raggi X sono state ottenute presso la XACT facility di INAF-OAPA con una piccola ottica a spirale cilindrica di diametro esterno 50 mm (Fig. [*]).

Figure: Fotografia della piccola ottica a spirale cilindrica le cui proprietà d'immagine nei raggi X sono state studiate presso la XACT facility dell'INAF-OAPA.
\includegraphics[height=5cm]{XACT/cyl_spiral_picture.ps}

Figure: Immagine di una sorgente puntiforme posta ad 8 m dall'ottica a spirale cilindrica ottenuta presso la XACT facility dell'INAF-OAPA.
\includegraphics[height=5cm]{XACT/cyl_spiral_image.ps}

L'immagine di una sorgente di raggi X puntiforme posta a 8 metri di distanza è mostrata in Fig. [*]. Essa mostra la forma a corona circolare attesa.


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Flavio Morale 2009-10-27