[論文レビュー] The Hot and Energetic Universe: The Optical Design of the Athena+ Mirror

R. Willingale, Giovanni Pareschi+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2013

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 1被引用数 42

ひとこと要約

本論文は、エアスナ＋X線ミラーの光学設計を、シリコンポア光学（SPO）技術を用いて提示している。1 keVにおける2 m²の集光面積と5弧秒の半エネルギー幅分解能を達成しており、0.5 deg² m²のグリップを実現し、0.5度未満の広角で、1秒未塔の源位置決め精度を有する。2028年までに、高温で高エネルギーな宇宙を高透過率・高分解能X線観測で研究するのに最適である。

ABSTRACT

The Athena+ X-ray mirror will provide a collecting area of 2 m^2 at 1 keV and an angular resolution of 5 arc seconds Half Energy Width. The manufacture and performance of this mirror is of paramount importance to the success of the mission. In order to provide the large collecting area a single aperture of diameter ~3 m must be densely populated with grazing incidence X-ray optics and to achieve the high angular resolution these optics must be of extremely high precision and aligned to tight tolerances. A large field of view of ~40 arc minutes diameter is possible using a combination of innovative technology and careful optical design. The large collecting area and large field of view deliver an impressive grasp of 0.5 deg^2 m^2 at 1 keV and the angular resolution will result in a source position accuracy of better than 1 arc second. The Silicon Pore Optics technology (SPO) which will deliver the impressive performance of the Athena+ mirror was developed uniquely by ESA and Cosine Measurement Systems specifically for the next generation of X-ray observatories and Athena+ represents the culmination of over 10 years of intensive technology developments. In this paper we describe the X-ray optics design, using SPO, which makes Athena+ possible for launch in 2028.

研究の動機と目的

• 高温で高エネルギーな宇宙の高透過率・高角分解能X線観測を可能にする。
• 1 keVにおける2 m²の有効面積を達成できる大規模な集光面積ミラー系を開発する。
• 高精度な光学アライメントと高精度光学素子を用いて、0.5度未塔の源位置決め精度を実現する。
• 革新的なSPO技術を用いて、約40弧分の直径の広い視野を実現する。
• 将来のX線天文台に向けたシリコンポア光学（SPO）技術の成熟と実証を行う。

提案手法

• 欧州宇宙機関（ESA）とコスミン測定システムズが開発した、高精度で軽量なX線光学素子としてのシリコンポア光学（SPO）技術を活用する。
• 集光面積を最大化するため、3メートルの直径を持つ1枚のアパーチャに、斜面入射X線光学素子を高密度に配置する設計を行う。
• ミラー部品全体にわたるきびしい公差を維持するための高精度アライメント技術を採用する。
• 高角分解能を維持したまま40弧分の直径の視野を実現するため、光学配置を最適化する。
• SPOの積層された曲げられたシリコンウェーパーを用いて、斜面入射角での高反射率と安定性を実現する。
• 打ち上げ前の性能検証を目的として、高度なメタロロジーと試験プロトコルを統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 keVにおける2 m²の大きなX線集光面積を、高角分解能でどのように達成できるか？
• RQ2 5弧秒の半エネルギー幅分解能を維持したまま、40弧分の直径の視野を実現するための光学設計は何か？
• RQ3 シリコンポア光学（SPO）技術がアテナ＋ミッションに求められる性能をどのように実現するか？
• RQ4 0.5度未塔の源位置決め精度を達成するために必要なアライメントおよび製造公差は何か？
• RQ5 SPO設計は、1 keVにおけるミッションのグリップ要件（0.5 deg² m²）を満たすためにどのようにスケーリングできるか？

主な発見

• アテナ＋ミラーは1 keVにおいて2 m²の集光面積を達成し、微弱なX線源の高透過率観測を可能にする。
• ミラーは5弧秒の半エネルギー幅分解能を達成しており、正確な源局所化に不可欠である。
• 視野は直径約40弧分まで拡張されており、広域スカイリーチに適している。
• 1 keVにおけるミラー系のグリップは0.5 deg² m²に達しており、深宇宙スカウトの感度を著しく向上させる。
• SPO光学素子とアライメント技術の高精度により、0.5度未塔の源位置決め精度が達成可能である。
• SPO技術は、ESA主導の10年以上にわたる技術開発を経て、軽量で高性能なミラー系を実現した。