T - Rontgen imaging - SRON Netherlands Institute for Space Research

Röntgencamera’s: Creatieve technieken voor afbeeldende systemen

Uitdaging

In 1970 toont de Amerikaanse satelliet UHURU aan dat er kosmische röntgenbronnen bestaan. In 1974 laat de Astronomische Nederlandse Satelliet (ANS) zien dat sommige van die bronnen snelle veranderingen in intensiteit vertonen, in de orde van minuten tot seconden. Voor het verdere onderzoek naar deze, en andere, bronnen van hoogenergetische straling (röntgen, gamma) zouden astronomen idealiter willen beschikken over een systeem dat afbeeldingen van de hemel maakt, met een hoge gevoeligheid en ook nog met spectrale informatie. Dat laatste wil zeggen dat bekend is hoe de stralingsintensiteit verloopt met de golflengte van de straling. Omdat je vooraf niet weet waar precies de variabele bronnen aan de hemel staan, moet de camera ook nog een groot blikveld aan de hemel bezitten, zodat er een redelijke kans is dat de bronnen worden opgemerkt.

Het probleem is dat röntgenstraling (en gammastraling) zich niet laat bundelen met gewone lenzen of gewone spiegels. Daarom lijken de ontwikkelde camerasystemen ook in de verste verte niet op een ‘gewone’ telescoop of fotocamera. Er zijn twee manieren om röntgenstraling wél te ‘manipuleren’. De eerste maakt gebruik van de eigenschap dat röntgenstraling wordt weerkaatst door een glad metalen oppervlak als het onder een kleine hoek invalt. Deze techniek wordt onder andere toegepast in de Chandra-satelliet van NASA en in de XMM-Newton-satelliet van ESA. Bij Chandra worden vier in elkaar geschoven cilinderachtige spiegels gebruikt die uiteraard aan het uiteinde ‘open’ zijn. Bij XMM-Newton zijn het er tientallen en dat heeft als voordeel dat het fotonverzamelend oppervlak veel groter is zodat een hogere gevoeligheid kan worden bereikt. Beide satellieten vullen elkaar uitstekend aan en combineren samen beeldscherpte en gevoeligheid.

Met deze afbeeldende systemen is het blikveld aan de hemel nogal beperkt. Voor Chandra is het beeldveld ongeveer een halve graad aan de hemel. Hoe maak je een groothoekcamera voor röntgen- (en gamma)beelden van de hemel?

Doorbraak

Uit het zichtbare licht is het principe van de gaatjescamera bekend. Als je in een afgesloten ruimte een gaatje prikt, ontstaat op de tegenoverliggende wand een afbeelding. Met een schoenendoos en een stukje kalkpapier is zo’n systeem snel gemaakt. Hoe verder de wand van het gaatje is, hoe groter de afbeelding. Een groot beeldveld is dan mogelijk, en dat zonder lenzen te gebruiken. Zou het principe van deze ‘camera obscura’ ook kunnen worden toegepast bij röntgenstraling? Astronomen, onder wie Kees de Jager, dachten van wel. Over Kees de Jager is onder de categorie Onderzoekers een apart venster opgenomen.

Een camera met maar één gaatje levert natuurlijk maar heel weinig fotonen op en dus wordt de ‘belichtingstijd’ veel te lang. In plaats daarvan maak je een heleboel gaatjes, wel tienduizenden, en ziet de voorkant van het afbeeldende systeem eruit als een gaatjesmasker. Een puntbron van röntgenstraling werpt zo een schaduw van dit masker op het vlak waar de detectoren zitten. Met computerprogramma’s kun je uit het gemeten schaduwbeeld ‘terugrekenen’ wat de positie van de bron is. De nauwkeurigheid van deze reconstructie blijkt erg af te hangen van het patroon waarin de gaatjes zijn aangebracht. Is dat patroon regelmatig, dan zijn er verschillende ‘oplossingen’ voor de positie. Het patroon moet daarom juist volkomen onregelmatig zijn maar … wel exact bekend omdat je het bij de terugrekening nodig hebt. Er worden ook eisen gesteld aan de kwaliteit van de gaatjes zelf. Het is een afweging: kleinere gaatjes leveren een scherper beeld, grotere gaatjes laten meer fotonen door en leiden tot een gevoeliger systeem. In de praktijk wordt de afmeting zo gekozen dat de afmeting van een detectorelement goed wordt benut. Meer informatie is te vinden in het venster over de Wide Field Camera (WFC) van de satelliet BeppoSAX, onder de categorie Experimenten.

Inzet

SRON maakt verschillende van deze maskercamera’s. De eerste, als onderdeel van het COMIS (Coded Mask Imaging Spectrometer) project, vliegt in 1987 met de Kvant-module naar het Russische ruimtestation Mir, juist op tijd om metingen te doen aan de supernova-explosie SN 1987 A in de Grote Magelhaense Wolk. De camera heeft 65.536 gaatjes in het masker, van elk 1 millimeter. Het beeldveld is 16 bij 16 graden maar om allerlei technische redenen zijn alleen de binnenste 8 bij 8 graden echt bruikbaar. Tot 1992 blijft COMIS in werking, nadat de kosmonauten in 1987 ook nog een reparatie uitvoeren. COMIS ziet 65 röntgenbronnen waarvan er vier nog niet bekend zijn.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: de nadelen van een klein beeldveld{end-link}Het relatief kleine beeldveld van COMIS leidt tot veel beperkingen in de waarnemingsmogelijkheden. De kans dat er een variabele bron zichtbaar wordt, precies in het beeldveld, is klein. Als je met succes wilt ‘jagen’ op het identificeren van plotseling optredende röntgenbronnen, dan is een veel groter beeldveld noodzakelijk. Zodra je een bron ziet, moet de positie onmiddellijk worden doorgegeven naar aardse observatoria, zodat die direct kunnen proberen om de bron ook optisch te zien. En als het even kan een spectrum op te nemen waarmee de afstand tot de bron kan worden bepaald, alsmede de aard van de bron.{end-tooltip}

De lijn van maskercamera’s wordt door SRON verder geperfectioneerd. Aan boord van de Italiaans-Nederlandse satelliet BeppoSAX, die op 30 april 1996 wordt gelanceerd, bevinden zich twee groothoekcamera’s (WFC). Ze hebben een beeldveld van 40 bij 40 graden. Elke camera zit in een behuizing van 40 bij 40 bij 90 centimeter en is 40 kilogram zwaar. De maskers van 256 bij 256 millimeter aan de voorkant van de camera’s, zijn voorzien van zo’n 20 000 gaatjes. Dat levert een open fractie op van circa 30 procent.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer{end-link}Het masker zelf bestaat uit een folie van nikkel waarop het onregelmatige, maar bekende, gaatjespatroon is aangebracht met etstechnieken. Vervolgens is op het nikkel een laagje goud aangebracht. Dit materiaal absorbeert de röntgenfotonen effectief zodat het contrast in de afbeelding beter wordt. De scherpte van de afbeeldingen (het hoekscheidend vermorgen) is ongeveer 5 boogminuten maar de nauwkeurigheid in de positiebepaling van een puntbron is ongeveer 0,7 boogminuten.{end-tooltip}

De camera’s spelen een hoofdrol bij het identificeren van de mysterieuze gammaflitsers om dat de positie van de nagloeiende röntgenstraling met grote nauwkeurigheid kan worden vastgelegd. En het beeldveld blijkt groot genoeg om een redelijke trefkans te bereiken dat het verschijnsel toevallig in het beeldveld staat op het moment dat het zich voordoet. Het principe van de maskercamera wordt ook toegepast in ESA’s INTEGRAL-gammasatelliet, die sinds 2002 operationeel is.