I - HXIS - SRON Netherlands Institute for Space Research

HXIS: Röntgencamera voor zonneonderzoek

De uitdaging
De oplossing
Verdere ontwikkeling
Links

De uitdaging

Met de Solar Maximum Mission wil NASA tijdens een maximum in de elfjarige cyclus van de zonneactiviteit belangrijke gegevens over de zon verzamelen. De satelliet heeft een Nederlands instrument aan boord, de Utrechtse Hard X-ray Imaging Spectrometer (HXIS). Het instrument is het antwoord van de groep van Kees de Jager op wetenschappelijke vragen die opkomen na de vlucht van de Europese TD-1A satelliet. Uit de waarnemingen van deze missie blijkt dat er harde röntgenstraling optreedt bij zonnevlammen, maar dan in de vorm van een paar stoten aan het begin van het verschijnsel.

Om het verband te achterhalen is het nodig dat er scherpe röntgenafbeeldingen van de zon worden gemaakt, over een flink golflengtebereik, en dat ook nog eens met afbeeldingen die snel achter elkaar kunnen worden genomen. Dat laatste is nodig omdat de gebeurtenissen tijdens zonnevlammen elkaar in seconden opvolgen. Er wordt dus eigenlijk een röntgenfilmcamera gevraagd, eerder dan een röntgenfotocamera…

Een team van meer dan zestig experts gaat aan de slag en is enkele jaren bezig om tot een doordacht ontwerp te komen. Veel problemen zijn niet te voorzien en ontstaan tijdens de ontwerpfase. Steeds weer worden nieuwe oplossingen bedacht. Dat is overigens normaal in elk project voor ruimteonderzoek. Uiteindelijk wordt de satelliet, met HXIS aan boord, gelanceerd op 14 februari 1980. In december van dat jaar doet zich een groot probleem voor in de satelliet zelf, waardoor hij niet meer goed op de zon kan worden gericht. NASA zet een spectaculaire reparatiemissie op: de satelliet wordt bezocht door de elfde Shuttle-missie, uitgevoerd door de Challenger. De bemanning weet de standregeling van de satelliet te repareren. Op 12 december 1989 verbrandt de satelliet, en dus ook HXIS, in de atmosfeer van de aarde.

De oplossing

HXIS is ontwikkeld en gebouwd door het Utrechtse Laboratorium voor Ruimteonderzoek, in samenwerking met de universiteit van Birmingham. Verder zijn, na de succesvolle samenwerking bij de ANS, opnieuw Fokker en Philips betrokken. Het instrument bestaat uit een langwerpige doos, 160 centimeter lang en 70 kilogram zwaar. In de doos bevinden zich tien platen die samen het afbeeldend vermogen van de camera leveren. Het geheel van platen, folie, houders en draden heet de collimator en vormt het hart van HXIS.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: de HXIS-collimator.{end-link}Elke plaat is verdeeld in vier kwadranten en binnen elk kwadrant wordt een vierkant gat afgedekt door een speciaal folie van een decimeter in het vierkant. Het folie zelf bestaat uit twee op elkaar gelaste laagjes wolfram van 25 duizendste millimeter dik. Het wolfram laat nauwelijks röntgenstraling door en om de camera te laten ‘zien’ is op elk folie een gaatjespatroon aangebracht. De kleinste gaatjes zijn vijf honderdste millimeter groot. Elke plaat telt wel 350.000 gaatjes. Nu worden al die tien platen met beweegbare houders en draden precies zo uitgelijnd dat de gaatjes in ieder folie precies boven elkaar liggen. Dat blijkt overigens een uiterst lastige klus. De corresponderende gaatjes in de platen vormen samen ‘kijkbuisjes’. De buisjes in het midden kijken recht langs de optische as, en hoe verder naar buiten hoe meer de buisjes onder een kleine hoek kijken. Het lijkt op het principe van een facetoog van een insect.{end-tooltip}

Achter de collimator zit de detector die de röntgenfotonen die door de buisjes zijn gereisd, moet registreren. De detectoren zitten in een doos waarvan de opening is afgedekt met beryllium. Dit materiaal laat de straling door maar dekt de doos verder af. De eenheid bestaat uit groepen detectoren van 15 maal 15 minieme tellers, samen 900 stuks. Elke teller bestaat uit een bolletje waarop een elektrische spanning van 3000 Volt staat. Contact met een naastgelegen tellertje is niet mogelijk omdat de bolletjes in kleine cilindertjes zijn vastgezet. De detectordoos is gevuld met een mengsel van 95% xenon gas en 5% koolstofdioxide, met een druk van 1 atmosfeer, zoals op aards zeeniveau.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: de HXIS-detector.{end-link}Als er een röntgenfoton door het beryllium venster in de doos komt, raakt het gas geïoniseerd waardoor een klein wolkje elektronen ontstaat. Vanwege de elektrische spanning worden die naar het dichtstbijzijnde bolletje getrokken en veroorzaken daar een stroompulsje. Dat signaal wordt elektronisch versterkt en gemeten. De positie van het bolletje geeft aan waar in het beeldvlak het foton verscheen, en de sterkte van het signaal is een maat voor de energie (golflengte) van het foton. De camera kan dus een afbeelding maken en het röntgenspectrum meten. Elke 0,5 tot 7 seconden kan een nieuwe afbeelding worden geleverd; samen vormen de afbeeldingen de gevraagde ‘ film’ om de wetenschappelijke vragen van Kees de Jager en zijn team te beantwoorden.{end-tooltip}

Er worden twee exemplaren van HXIS gebouwd: een testmodel en het vluchtmodel. Met het testmodel is ervaring opgedaan hoe de uitlijning van de collimator moet plaatsvinden, en is getest of al die fragiele onderdelen de enorme trillingen van de raket bij de lancering kan overleven. Bij het inbouwen van HXIS in de satelliet Solar Max blijkt er een miniem lek te zitten in de detectordoos. De al geplaatste camera wordt uit de satelliet gehesen en in een crash-actie wordt een deel van de detector vervangen door een reserve-exemplaar. Na de lancering blijkt alles in orde en boekt HXIS resultaten. Helaas ontstaat na 156 dagen een probleem in een microprocessor waardoor een detectordeel uitvalt. De andere helft blijft bruikbaar tot het einde van de missie. HXIS levert meer dan 220 wetenschappelijke publicaties op.

Verdere ontwikkeling

De ervaring die met HXIS wordt verkregen, is van groot belang voor het voortzetten van de expertise-lijn met afbeeldende systemen voor röntgenonderzoek. Die lijn ontwikkelt zich tot het maken van groothoek camerasystemen voor onderzoek aan het heelal. Een eerste exemplaar vliegt mee aan de buitenkant van het Russische ruimtestation MIR (Coded Mask Imaging Spectrometer, COMIS) en later zijn er twee groothoek camera’s aan boord van de Italiaans-Nederlandse BeppoSAX missie. Internationaal gezien is de lijn van het zonneonderzoek natuurlijk ook voortgezet, zij het zonder directe Nederlandse inbreng. Belangrijke missies zijn:

SOHO – Solar and Heliospheric Observatory (NASA / ESA), met online beelden van de zon

SDO – Solar Dynamics Observatory (NASA), eveneens met online beelden van de zon

STEREO – Solar Terrestrial Relations Observatory (NASA), met nadruk op de interactie tussen de zonnewind en het magnetisch veld van de aarde

RHESSI – Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager (NASA), in veel opzichten een directe ‘nazaat’ van de Solar Maximum Mission en HXIS. De missie richt zich op het begrijpen van zonnevlammen en hoe de versnelling van deeltjes in die omgeving plaatsvindt. De satelliet kijkt naar harde röntgenstraling en zachte gammastraling en maakt afbeeldingen met een scherpte van enkele boogseconden. De opnamen kunnen met tussenpozen van enkele tientallen milliseconden worden gemaakt.

Hinode – Japan, ook wel Solar-B geheten. Ook deze missie kijkt in detail naar explosieve verschijnselen op de zon. Er zijn instrumenten aan boord voor waarnemingen in zichtbaar licht, harde ultraviolette straling en rötgenstraling.

Solar Orbiter – ESA. Deze zonnesatelliet moet in 2017 worden gelanceerd en komt in een ‘nauwe’ baan om de zon te draaien, op ongeveer drietiende van de afstand aarde-zon. De baan van de satelliet staat schuin onder een hoek van 25 graden, zodat ook de poolgebieden van de zon goed zijn te zien. In de geplande levensduur van zeven jaar worden metingen gedaan in het zichtbare licht, harde ultravioletstraling en röntgenstraling.