Глаз омара ( англ. Lobster-eye optics ) — схема в рентгеновской оптике , имитирующая структуру глаз омаров и имеющая сверхширокое поле зрения. Она была предложена в 1979 году, впервые использовалась для астрономических наблюдений в миссии (LEIA) на китайском космическом аппарате-демонстраторе технологий SATech-01, запущенном в 2022 году. По схеме «глаза омара» построен широкоугольный рентгеновский телескоп WXT, установленный на запущенной в январе 2024 года космической обсерватории Einstein Probe , созданной Китайской академией наук . Разрабатывается и строится ещё ряд космических рентгеновских телескопов, использующих эту оптическую схему.

Приборы, построенные по этой схеме, находят применение также в медицине и системах безопасности.

Описание

Оптическая система «глаза омара» имитирует структуру глаз омаров , которые состоят из множества длинных узких ячеек, стенки каждой из которых отражают небольшое количество света, приходящего с определённого направления. Это позволяет сфокусировать свет из широкой зоны обзора в единое изображение. Рентгеновская оптическая система построена по тому же принципу — она состоит из изогнутых пластин, усеянных множеством микроканальных отверстий (или микропор) квадратного сечения. Рентгеновское излучение , приходящее с разных направлений и попадающее в эти каналы под малыми углами, отражается от их стенок и фокусируется , что позволяет получить широкое поле зрения, необходимое для обнаружения событий, которые невозможно предсказать заранее .

Широкоугольная рентгеновская оптическая система была предложена в 1975 году сотрудником Института Макса Планка В. Шмидтом . В этой схеме, называмой « коллиматорным фокусирующим объективом Шмидта» используются две ортогональные друг другу стопки тонких плоских отражателей из фольги , расположенные по периметру двух цилиндров разных радиусов. Рентгеновские лучи, падающие на пластины фольги под малыми углами, отражаются от них и в результате фокусируются на поверхности цилиндра с радиусом вдвое меньшим, чем радиус объектива. Поле зрения такой системы теоретически может составлять до 360 градусов по азимуту и до 90 % телесного угла в полярном направлении, то есть почти полностью охватывать собой полусферу . В 1979 году астроном предложил схему для фокусировки рентгеновских лучей, которую принято называть «глазом омара» . Схема Энджела может рассматриваться как особый случай системы Шмидта, где обе стопки отражателей расположены по периметру цилиндров одинаковых радиусов ${\displaystyle {R}}$ и образуют структуру из квадратных микропор . Изогнутые пластины с квадратными порами создаются путём вытягивания, плавления и травления волокон свинцового стекла или кремния . Стенки каналов покрываются тонким отражающим слоем из иридия .

В системе «глаз омара» изображение в фокусе формируется лучами, последовательно отразившимися от соседних стенок канала и концентрирующимися на фокальной поверхности ${\displaystyle {F}}$ с радиусом равным ${\displaystyle {R}/2}$ . Лучи, приходящие с разных направлений, отражаются от стенок каналов под разными углами и фокусируются в разных точках фокальной поверхности. Генерируемое в фокусе изображение точечного источника представляет собой крестообразную структуру с ярким пятном ${\displaystyle {A}}$ в центре, формируемым лучами отразившимся от двух ортогональных стенок канала, двумя менее яркими пересекающимися линиями ${\displaystyle {B}}$ и ${\displaystyle {C}}$ , образованными лучами, отразившимися только от одной из стенок, и слабым рассеянным фоном ${\displaystyle {D}}$ от лучей, прошедших ячейки без отражения. Отсюда следует основной недостаток «глаза омара» — необходимость большого размера регистрирующих изображение детекторов, устанавливаемых на изогнутой фокальной поверхности системы .

Угловое разрешение системы «глаз омара» ${\displaystyle \Delta \Theta {g}}$ можно оценить как отношение размера канала (микропоры) ${\displaystyle {d}}$ к фокусному расстоянию , равному ${\displaystyle {R}/2}$ : ${\displaystyle \Delta \Theta {g}=2{d}/{R}}$ . Полное поле зрения ${\displaystyle {FoV}}$ формируется всеми каналами и для системы имеющей ${\displaystyle {N}\times {N}}$ каналов определяется как ${\displaystyle {FoV}={N}(2{d}/{R})={N}\Delta \Theta {g}}$ . Размер поля зрения зависит только от угловых размеров оптической системы и детектора, угловое разрешение системы тем выше, чем меньше размер пор и больше фокусное расстояние. Но большое фокусное расстояние затрудняет построение систем с широким полем зрения, а выбор размера каналов (микропор) ограничен технологией изготовления микропористых пластин и зависит от длины волны исследуемого излучения. Для энергий в районе 1 кэВ оптимальный размер ячейки, с учётом компенсации всех существенных аберраций , равен примерно 25-30 микронам при длине канала 1-2 миллиметра. Теоретически достижимый предел углового разрешения для широкоугольной системы с фокусным расстоянием порядка 30 см составит при этом около 30 угловых секунд . Реально достижимое угловое разрешение зависит от технологии и точности изготовления изготовления микропористых объективов и ряда внешних факторов . Разрешение широкоугольного рентгеновского телескопа WXT, установленного на космической обсерватории Einstein Probe составляет около 5 угловых минут ] .

Применение

Возможность получить широкое поле обзора делает «глаз омара» перспективным инструментом для астрономических наблюдений несмотря на невысокую разрешающую способность такой системы. Достигнутые параметры позволяют успешно применять эту схему в орбитальных рентгеновских телескопах . В ряде работ рассматривается применимость широкоугольной рентгеновской оптики, построенной на геометрии Шмидта, на малых спутниках . В 2017 году был запущен чешский наноспутник VZLUSAT-1 с рентгеновским телескопом, использующим упрощенную одномерную оптику Шмидта и оптическую маску в виде расположенного перед оптической системой тонкого стержня, позволяющую локализовать положение объекта во втором измерении. Поле зрения этого аппарата составляет 3°, что, по сравнению с другими космическими рентгеновскими телескопами, уже позволяет отнести его к широкоугольным. В то же время размеры наноспутников не позволяют разместить систему, позволяющую осуществлять мониторинг в более широких углах при приемлемой чувствительности .

Широкоугольная рентгеновская оптика, построенная по схеме Энджела, впервые была использована для астрономических наблюдений в миссии , запущенной в 2022 году на китайском космическом аппарате-демонстраторе технологий SATech-01 . LEIA имеет угол обзора 18,6° X 18,6° и включает 36 микропористых пластин, объединённых в 4 группы по 9. Изображение, формируемое каждой группой, регистрируется одним из 4-х КМОП-сенсоров , каждый из которых имеет размеры 60 X 60 мм и разрешение 4096 X 4096 пикселей . Рентгеновский телескоп WXT космической обсерватории Einstein Probe , запущенной в январе 2024 года, обеспечивает одновременный обзор примерно 1/12 части небесной сферы и состоит из 12 модулей, каждый из которых аналогичен LEIA . Планируется установка рентгеновских телескопов с оптикой «глаз омара» на американском (проект TAO-ISS ) и европейском (ISS-Lobster ) сегментах МКС , космических аппаратах миссий , , SMILE и других .

Оптика типа «глаз омара» также находит применение в медицине и системах безопасности. На её базе возможно создание портативных приборов для регистрации рассеянного объектами рентгеновского излучения, таких как разработанный компанией Physical Optics Corporation аппарат LEXID («Lobster-Eye» X-ray Inspection Device), позволяющий обнаруживать предметы, расположенные за преградами .

Примечания