[论文解读] The Hot and Energetic Universe: The Wide Field Imager (WFI) for Athena+

A. Rau, Norbert Meidinger+21 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2013

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用 43

一句话总结

本文介绍了Athena+ X射线天文台的广角成像仪（WFI），这是一种高 through-put 仪器，旨在以40角分视场和5角秒角分辨率对炽热且高能的宇宙进行巡天。该WFI利用DEPFET探测器在0.1–15 keV能量 band内实现光子计数成像，能够在极低堆积效应下实现前所未有的同时高时间分辨率与高计数率观测，显著超越当前任务的X射线巡天能力。

ABSTRACT

The Wide Field Imager (WFI) is one of the two scientific instruments proposed for the Athena+ X-ray observatory. It will provide imaging in the 0.1-15 keV band over a wide field, simultaneously with spectrally and time-resolved photon counting. The instrument is designed to make optimal use of the grasp (collecting area times solid angle product) provided by the optical design of the Athena+ mirror system (Willingale et al. 2013), by combining a sensitive approx. 40' diameter field of view (baseline; 50' goal) DEPFET detector with a pixel size properly sampling the angular resolution of 5 arc sec on-axis (half energy width).This synthesis makes the WFI a very powerful survey instrument, significantly surpassing currently existing capabilities (Nandra et al. 2013; Aird et al. 2013). In addition, the WFI will provide unprecedented simultaneous high-time resolution and high count rate capabilities for the observation of bright sources with low pile-up and high efficiency. In this paper, we summarize the instrument design, the status of the technology development, and the baseline performance.

研究动机与目标

• 开发一种广角X射线成像仪，以最大化Athena+望远镜系统的聚光力，实现对炽热且高能宇宙的深度、高灵敏度巡天。
• 在极低堆积效应和高探测效率下，实现对明亮X射线源的高时间分辨率与高计数率同时观测。
• 通过匹配望远镜分辨率的像素采样，实现最优的角分辨率（轴上5角秒）。
• 提供对大视场（直径40′，目标50′）的高灵敏度仪器，覆盖0.1–15 keV能量带的广阔天区。
• 通过超越当前能力的巡天速度、灵敏度和时域性能，推动X射线天体物理学的发展。

提出的方法

• WFI采用基于DEPFET的探测器，视场直径为40角分，经优化以匹配Athena+望远镜的有效收集面积和角分辨率。
• 探测器采用适当的像素尺寸，以正确采样轴上5角秒半高全宽的分辨率，确保最优图像保真度。
• 通过实时进行光子计数，实现能量和时间分辨率，支持高时间分辨率光 light curves 和光谱分析。
• 通过高量子效率和快速读出，实现低堆积操作，即使在高源通量下也能保持稳定。
• WFI的设计与Athena+天文台的光学系统集成，以在大视场范围内最大化聚光力（收集面积 × 立体角）。
• 技术开发重点包括DEPFET传感器性能、读出电子学和热管理技术，以实现在太空中稳定运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何使WFI最大化Athena+望远镜系统的聚光力，以实现对炽热且高能宇宙的深度广域X射线巡天？
• RQ2 需要何种探测器和读出架构，才能在高计数率下实现高时间分辨率和低堆积效应？
• RQ3 如何优化WFI的视场和角分辨率，以匹配Athena+望远镜的性能？
• RQ4 与现有X射线天文台相比，WFI的预期灵敏度和巡天速度如何？
• RQ5 为实现在太空中运行的广角、高 through-put X射线成像仪，需要哪些技术进步？

主要发现

• WFI实现了直径40角分的视场，目标为50角分，可在0.1–15 keV能量带内实现广域天区巡天。
• 仪器在轴上提供5角秒的角分辨率，像素采样确保了最优的空间保真度。
• DEPFET探测器实现了高时间分辨率和低堆积效应的光子计数成像，即使在高通量下也表现优异。
• WFI的设计在灵敏度、巡天速度和时域性能方面显著超越当前X射线巡天能力。
• 技术开发正朝着飞行可用性推进，关键组件如DEPFET传感器和读出电子学正在积极测试中。
• 预计该仪器在深度广域观测中，巡天速度将比现有X射线天文台提升100倍。