T - Rontgen tralies - SRON Netherlands Institute for Space Research

Röntgentralies: De weg geopend naar röntgenspectrometrie

Uitdaging

Spectra kennen we uit het zichtbare licht. Meestal ontstaan ze door breking van het licht door glas (prisma) of water (regenboog). Röntgenstraling laat zich niet breken door glas, en dus moet er iets anders worden bedacht om röntgenspectra te verkrijgen. Maar waarom zouden we die spectra willen hebben? Het verloop van de stralingsintensiteit met de golflengte kan iets vertellen over de temperatuur van de bron, of zelfs zijn aard. In tegenstelling tot zichtbaar licht kijken we bij röntgenstraling naar extreme omstandigheden. Deze hoogenergetische straling is bijvoorbeeld afkomstig van een heet ijl plasma, van elektrisch geladen deeltjes die in sterke magneetvelden bewegen, of afkomstig uit heet, dicht opeengepakt gas in de materieschijf rond een zwart gat.

Röntgenspectra kunnen onthullen waaruit het gas bestaat dat bijvoorbeeld extreem heet is. De verschuiving van de spectraallijnen in het spectrum kan worden gebruikt om de ruimtelijke beweging van het gas na te gaan. Verbreding van de spectraallijnen vertelt iets over de interne turbulentie. De uitdaging is om spectra te maken waarin de verdeling en de structuur van de spectraallijnen goed te zien is. Dat levert immers meer informatie op over de bron. Maar aan deze hoge spectrale resolutie kleeft ook een nadeel. De röntgenfotonen worden enorm verdeeld over het spectrale gebied. Als de bron weinig fotonen uitzendt, moet je heel lang wachten (‘belichten’) voor dat het spectrum zodanig is ‘opgebouwd’ dat je spectraallijnen kunt onderscheiden van de achtergrondruis.

Een röntgenspectrograaf moet dus uitgerust zijn met heel gevoelige detectoren (er mag geen foton verloren gaan) en een goede techniek om de fotonen te scheiden op energie. Een groot fotonverzamelend oppervlak (de telescoop) is vanzelfsprekend ook bepalend voor de gevoeligheid van het systeem.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: spectraallijnen{end-link}Daarnaast kunnen in het spectrum de zogeheten spectraallijnen voorkomen. Afname van de stralingsintensiteit bij een specifieke golflengte levert een absorptielijn op. Er bestaan ook emissielijnen; dan is de stralingsintensiteit bij een specifieke golflengte juist groter. De spectraallijnen zijn afkomstig van chemische elementen die in een bepaalde energietoestand verkeren. Het spectraallijnpatroon maakt het mogelijk die chemische elementen te identificeren. Overigens geeft de positie van de spectraallijn in het spectrum ook nog informatie, namelijk over de snelheid van de bron langs de gezichtslijn. Is die naar ons toe gericht, dan verschuift de lijn naar kortere golflengten. En beweegt hij van ons af, dan is de verschuiving naar de langere golflengten. Het verschuivingseffect (dopplereffect) in het spectraallijnpatroon is terug te rekenen tot de snelheid langs de gezichtslijn.{end-tooltip}

Doorbraak

Net als bij een gewoon prisma en zichtbaar licht, kun je een röntgenspectrum verkrijgen door de straling te verstrooien. En wel op zo’n manier dat de verstrooiingshoek groter is naarmate de golflengte korter is (en de energie hoger is). Deze ‘dispersie’ kun je in röntgenstraling bereiken met behulp van een tralie. Daarbij zijn er twee mogelijkheden. Je verstrooit de straling terwijl het door het tralie beweegt (transmissietralie) of je verstrooit de straling aan een speciaal geprepareerd reflecterend oppervlak (reflectietralie). SRON speelt een belangrijke rol in de ontwikkeling van zowel transmissie- als reflectietraliespectrometers voor röntgenspectroscopie.

Het tralie zelf bestaat uit een zich herhalende structuur, zoals lijnen in een weerkaatsend oppervlak of plaatjes op een drager. Als straling dit patroon passeert of er aan reflecteert, treedt een buigingseffect op. Het effect is dat de bundel uiteen wordt gespleten in alle samenstellende golven. Het spectrum herhaalt zich in het afbeeldingsvlak. We spreken wel eens over de 1^ste , 2^de en 3^de orde van het spectrum.

Voor de röntgenspectroscopie zijn er twee soorten roosters in gebruik. Welke wordt toegepast, hangt af van het optische ontwerp van de spectrometer. De eerste soort is het transmissietralie. De straling passeert het tralie en wordt daardoor uiteengerafeld in de samenstellende golflengten. In de figuur hieronder is links is de situatie getekend voor licht met een bepaalde golflengte. We zien de verschillende ordes van het spectrum. De afbuigingshoek hangt af van de golflengte.

Het tweede type rooster is het reflectietralie (figuur rechts). De straling valt onder een kleine hoek op het vlak waarin het zich periodiek herhalende lijnenpatroon is aangebracht. Bij de reflectie wordt de straling weer uiteengerafeld naar de golflengte en treden weer de ordes op. Door de tralie-elementen zo te plaatsen dat voor de 1^ste orde de hoek van inval gelijk is aan de hoek van terugkaatsing, wordt de intensiteit van dit 1^ste orde spectrum versterkt, zodat je het beter kunt meten.

Er zijn verschillende manieren om de vaak grote aantallen tralie-elementen te vervaardigen. Voor de EXOSAT-missie wordt een soort ‘moedermasker’ gemaakt dat via ‘contactafdrukken’ naar believen kan worden geproduceerd. Het uiteindelijke tralie-element ziet er dan uit zoals op de linkerfoto hieronder. De fijne, parallelle structuur heeft een periodiciteit van een duizendste millimeter (1 micron) en de tussenruimtes zijn dan ongeveer 0,4 micron breed. De plaatjes zelf zijn 0,4 micron dik. Ze zijn gemonteerd op een dwarsbalkje, en die zijn weer vastgezet op een grotere draagstructuur, rechts op de foto nog net zichtbaar.

Al de tralie-elementjes worden vervolgens gemonteerd op een ringvormige houder (rechter foto). De constructie is voorzien van een mechaniek om dit transmissierooster in en uit de stralingsbundel te kunnen klappen.

Voor NASA’s Chandra-satelliet ontwikkelt SRON een transmissietralie, als onderdeel van de röntgenspectrometer, samen met het Duitse Max Planck Institut für Extraterrestrische Physik. Het geheel bestaat uit een ring met tralie-elementen waarop 1000 lijnen per millimeter zijn aangebracht. Met de optiek van de telescoop ontstaat voor de afbeeldingen een scheidend vermogen van 0,5 boogseconde, terwijl in het spectrum zelf details kunnen worden waargenomen van een duizendste van de golflengte. Meer dan voldoende om spectraallijnen te kunnen meten.

Voor ESA’s XMM-Newton telescoop wordt een reflectietralie gebouwd. Deze telescoop heeft een spiegelsysteem vergelijkbaar met dat van Chandra. De ‘lens’ bestaat uit 58 in elkaar geschoven spiegelschillen, terwijl de Amerikaanse satelliet maar vier spiegelschillen heeft. Daarmee is de ESA-satelliet veel gevoeliger, want er is meer fotonverzamelend oppervlak. Een nadeel is wel dat de beeldscherpte beduidend minder is: 12 boogseconden. Voor de spectroscopie wordt dit nadeel deels gecompenseerd in het ontwerp van het reflectietralie. Het geheel bestaat uit 180 platen siliciumcarbide van 10 bij 20 centimeter, met gemiddeld 645 lijnen per millimeter. Het geheel is gevat in een structuur van beryllium.

Inzet

De bouw van het EXOSAT-rooster is mede gebaseerd op de eerdere ervaring die het Laboratorium voor Ruimteonderzoek in Utrecht heeft opgedaan met de bouw van een rooster voor de Amerikaanse Einstein satelliet. Later wordt de lijn voortgezet in deelname aan NASA’s Chandra-satelliet en de XMM-Newton-satelliet van ESA. SRON verwacht niet dat er in de toekomst nog zal worden deelgenomen in projecten om zogeheten ‘dispersieve’ röntgenspectrometers te maken. Er is namelijk ook een andere manier om nauwkeurig de energie van de fotonen te meten, anders dan ze te sorteren op golflengte (energie). Die andere methodiek maakt gebruik van het feit dat de energie van een foton in de detector wordt opgevangen en als een subtiel warmte-effect kan worden gemeten. Zulke calorimeters zijn uiteindelijk veel gevoeliger en combineren spectrale resolutie met de mogelijkheid om tegelijkertijd ‘gewone’ afbeeldingen te maken met de detectoren. Een toekomstige ESA-missie (Athena, voortgekomen uit het eerdere IXO-idee dat met Amerika is ontwikkeld) biedt wellicht een mooie kans voor SRON om deze technologie toe te passen.