掠入射X射线空间望远镜在天体物理学研究中至关重要,这些望远镜的工作能量通常在100 eV到10 keV之间。旋转对称的Wolter镜光学系统至今仍被广泛使用,它能够以大约1°的视场进行X射线成像,但这类系统的缺点是观测角度小,无法实时监测天空。解决这个问题的一个方法是使用龙虾眼光学系统的小型卫星(CubeSat),它可以确认观测目标的坐标或者监测宇宙中的瞬时辐射。
龙虾眼透镜也是一种掠入射光学装置,主要优点是大视场,原则上可以达到全角度,并且有效地提高探测微弱信号的灵敏度。它使用一组与球面垂直排列的方形截面通道,以聚焦入射光,模仿了长体甲壳动物(如龙虾和小龙虾)的眼睛结构。光子可以从一个或多个通道壁反射并传播到球形成像表面,也可以直接通过通道壁,也可以被通道壁吸收。
目前有两种常见的龙虾眼制造方式,一种是利用MCP技术(Angel型),但MCP是作为平板生产的,需要额外的处理来创建所需的曲率,这降低了透镜的成像质量。另一种是平面MTO技术(Schmidt型),把非常薄和精确定位的金属镀在玻璃或Si衬底上,不需要额外增加曲率但通道间距更大。由于金属对X射线的反射率非常低,除了掠入射时,大部分光子会被吸收。通常龙虾眼透镜需要非常高的深宽比。例如,由镍构成的透镜将有效聚焦6 keV的X射线光子,大约137:1的深宽比。
RITE和ADVACAM的合作开发 VZLUSAT-1
2017年6月由捷克航空航天中心主导的2U立方星VZLUSAT-1发射,卫星载荷包含了一个微型X射线天文望远镜。光学系统是Schmidt型1D平面龙虾眼透镜,具有3°的视场,由捷克Rigaku Innovative Technologies Europe s.r.o.(RITE)公司提供。焦平面的成像探测器是带有300um Si传感器的Timepix探测器,能对3-60 keV的X射线成像,由捷克ADVACAM s.r.o.公司提供。由于这项技术从未在低地球轨道上使用过,因此选择了明亮的X射线辐射源—太阳,进行成像测试和技术演示。如果任务成功,更多的望远镜将会紧随其后,具有更大的光学系统,更高的灵敏度和更好的角分辨率。
2017年9月VZLUSAT-1观测到了近10年来最强的日冕物质抛射事件—太阳耀斑X9.2。将X9.2事件前后3段时间进行对比,此事件引起了远离极地和SAA以及美洲中部上空的辐射强度增加,即使在事件发生几天后仍可观察到。此外,增加的辐射成分表明重带电粒子(质子)强度的增加。VZLUSAT-1自在轨以来,还为近地轨道的环境和辐射研究采集了大量有价值的数据。
VZLUSAT-2
由于VZLUSAT-1的成功,2022年1月3U立方星VZLUSAT-2发射。RITE和Advacam继续合作研发了光学望远镜系统,由分段2D龙虾眼透镜耦合到配备了2000um CdTe传感器的Timepix探测器。此望远镜旨在对来自天体和大气的高能瞬时辐射进行观测(地球伽玛闪或伽玛射线暴),能对5-500 keV的X射线或伽玛射线进行高分辨率和高灵敏度成像,并提供60°的大视场。目前,VZLUSAT-2已经运行了一年,收集了足够多的数据来绘制地球辐射地图,并且观测到多个宇宙瞬时辐射。值得一提的是,如此低成本的立方星可以提供和价值高达1亿欧元的卫星一样的辐射地图信息。
由VZLUSAT-2收集到的数据绘制的地球辐射图
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