OSSERVATORIO ASTRONOMICO DI PALERMO GIUSEPPE S. VAIANA

Rapporto Annuale

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Progettazione e Calibrazione di Filtri

Per potere sfruttare a pieno le potenzialità dei moderni rivelatori di raggi X, utilizzati in astronomia, quali i Charge Coupled Device (CCD), le piastre a microcanali (MCP), e rivelatori criogenici di futuro impiego quali i microcalorimetri, è necessario utilizzare filtri accuratamente progettati e calibrati.
 
 

Figure 65: 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.

Il gruppo di ricerca della XACT/OAPA è ampiamente coinvolto nella progettazione e calibrazione dei filtri per alcune delle principali missioni per astronomia a raggi X, quali la High Resolution Camera (HRC) a bordo del satellite americano Chandra, lo European Photon Imaging Camera (EPIC) a bordo del satellite europeo X-ray Multi Mirror (XMM), il Joint European X-ray Telescope (JET-X) a bordo del satellite Spectrum X Gamma.

Recentemente sono state inoltre condotte misure di trasmissività UV/Visibile sui filtri di scorta dell'HRI di ROSAT (figura 65) per determinare la sensibilità UV precedentemente non ben nota (Zombeck et al. 1998).

Nel seguito vengono brevemente descritte alcune delle misure di calibrazione che sono state condotte nell'ambito dei suddetti programmi.
 
 

Figure 66: La figura in alto a sinistra è una mappa di trasmissività (1.49 keV) di uno dei filtri di EPIC (70 mm di diametro) condotta presso la XACT facility. Il pannello in alto a destra mostra la curva di trasmissività misurata al sincrotrone BESSY su un filtro medio di XMM. I pannelli inferiori mostrano il dettaglio delle strutture fini di assorbimento in prossimità degli edge di assorbimento dell'ossigeno e del alluminio.

Mappature spaziali nei raggi a varie energie ( 183 eV, 277 eV, 1490 eV, etc.) sono state condotte su filtri di grande area per misurare l'uniformità spaziale. Queste misure vengono condotte utilizzando il rivelatore a piastre di microcanali e un contatore proporzionale per monitorare la stabilità del flusso X incidente. Le misure effettuate sui filtri di EPIC XMM (pannello in alto a sinistra in figura 66) hanno mostrato che la quasi totalità della superfice dei filtri hanno una trasmissività entro un 2% del valore medio in accordo con le specifiche dettate al costruttore.

Misure di trasmissività X ad alta risoluzione energetica sono state condotte dal nostro gruppo presso il sincrotrone BESSY di Berlino per modellare le strutture fini di assorbimento in prossimità degli edge (figura 66 pannello in alto a destra e pannelli inferiori). 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 (pannello di sinistra in figura 67).
 
 

Figure 67: 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 le curve di trasmissività UV/Visibile di un filtro sottile di EPIC XMM misurate a distanza di alcuni mesi ciascuna dall'altra per studiare la stabilità dei materiali costituenti il filtro.

In particolare, 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, del CCD EPIC di XMM, e del CCD di JET-X.

Avendo riscontrato il 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 in funzione dell'età dei filtri mantenuti in atmosfera controllata (pannello di destra in figura 67) (Villa et al. 1998).

Recentemente abbiamo iniziato un programma di misure mirato alla determinazione dell'indice di rifrazione, nell'UV/Visibile/IR, di vari materiali di interesse nella realizzazione di filtri per rivelatori di raggi X soffici. La conoscenza dell'indice di rifrazione è, infatti, necessaria per modellare la trasmissività dei filtri multistrato.

Per derivare le costanti ottiche di un dato materiale abbiamo condotto misure di trasmissività su filtri monostrato di diversi spessori. Le misure di trasmissività sono state 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 già permesso di derivare le costanti ottiche precedentemente non note del Lexan e del Polyimide nell'intervallo di lunghezze d'onda 1200-8000 Å(vedi figura 68) (Cavadi et al. 1999).
 
 

Figure 68: Il pannello di sinistra rappresenta la misura di trasmissività condotta su un campione di polyimide con su sovrapposto il modello di best fit. I pannelli di destra rappresentano i valori derivati del coefficiente di estinzione k e dell'indice di rifrazione n del polyimide.

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