De canon "Vijftig jaar Nederlands ruimteonderzoek" is opgesteld in 2012.

Röntgentralies: De weg geopend naar röntgenspectrometrie  

 

xtralies0.jpg Uitdaging
Doorbraak
Inzet
Links
 

 

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.
Lees meer: spectraallijnenDaarnaast 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.

   omhoogomlaag

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 1ste , 2de en 3de 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.

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_xtralies1.png         b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_xtralies2.png


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 1ste orde de hoek van inval gelijk is aan de hoek van terugkaatsing, wordt de intensiteit van dit 1ste 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.

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_xtralies3.png     b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_xtralies4.png

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.

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_xtralies5.png     b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_xtralies6.png

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.

   omhoogomlaag

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. 

Links  

Uitdaging
Meer over röntgenspectroscopie : http://en.wikipedia.org/wiki/X-ray_spectroscopy
Meer over elektromagnetische straling : http://www.sterrenkunde.nl/index/encyclopedie/straling.html

Doorbraak
Uitleg over tralieprincipe : http://www.rekenset.nl/Natuurkunde/Natuurkunde_onderwerpen/Optica/tralie_uitleg.htm

Inzet
SRON’s tralies tien jaar in gebruik :
news/2345-dutch-golden-x-ray-gratings-launched-10-years-ago
Meer over SRON en XMM-Newton :
/experimenten-50-jaar-ruimteonderzoek-2820/i-rgs
Meer over SRON en Chandra :
/meetings-metis-2767/-axaf--letg
Meer over EXOSAT : http://www.esa.int/esaSC/120394_index_0_m.html
Meer over IXO : http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=43192

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_xtralies7.png
Overzicht van het elektromagnetisch spectrum

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_xtralies8.png
Het zichtbare licht (het regenboog-kleurenbandje rechts van het midden) vormt maar een klein onderdeel van het elektromagnetisch spectrum. Van links naar rechts wordt de straling energierijker, de golflengte kleiner en de frequentie groter

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_xtralies9.png
Benaming binnen het elektromagnetisch spectrum

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_xtralies10a.png
ESA's XMM-Newton rontgentelescoop registreerde deze spectra van sterrenstelsels. De straling is afkomstig van heet gas en de spectraallijnen geven informatie over welke elementen er in het gas voorkomen

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_xtralies11a.png
De XMM-Newton rontgensatelliet van ESA registreerde dit spectrum van een quasar, de actieve kern van een ver sterrenstelsel. Het hete gas bevindt zich in een materieschijf rond het zware zwarte gat. De spectraallijnen laten zien welke elementen er in het gas voorkomen

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_xtralies12a.png
De groep sterrenstelsels Abel 1101 werd waargenomen door ESA's XMM-Newton rontgensatelliet. De contouren op de bovenste plaat geven de verdeling weer van het gas dat zich tussen de sterrenstelsels bevindt. Onderaan is het lijnenspectrum te zien waarmee de samenstelling van dit gas kan worden bepaald

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_xtralies13.png
Structuur van het reflectietralie in ESA's XMM-Newton rontgensatelliet

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_xtralies14.png
Detail van de structuur van het transmissietralie in NASA's Chandra rontgensatelliet



SCROLL TO TOP