Как изогнуть линейку, чтобы она повторяла форму глобуса ✛
Глобус стоит на столе, а линейка лежит рядом: одна изогнута, другая прямая. Рентгеновские телескопы годами жили с этой нестыковкой. Их зеркала собирают свет на изогнутую поверхность, как глобус, а детекторы, которые этот свет ловят, были плоскими, как линейка. Инженеры выкладывали изогнутую поверхность мозаикой из множества маленьких плоских сенсоров, мирились с зазорами между ними и сложной конструкцией.
Теперь линейку удалось изогнуть. В Массачусетском технологическом институте взяли кремниевый ПЗС-детектор с обратной засветкой (светочувствительный чип, освещаемый с обратной стороны) и аккуратно придали ему форму сферы радиусом 2,5 метра. Для этого матрицу клали на пористую тефлоновую прокладку, прижимали вакуумом к выпуклой стеклянной оправке, а затем приклеивали к вогнутой кремниевой оправке. Эпоксидная смола застывала несколько дней.
Изогнутый детектор испытали рентгеновским излучением при температуре около минус 90 градусов Цельсия. Шум считывания, тёмный ток (паразитный сигнал без освещения) и спектральное разрешение (способность различать близкие энергии фотонов) оказались такими же, как у плоского контрольного образца. Энергия активации тёмного тока составила около 0,6 электронвольт, как и положено для кремния. Спектральное разрешение на линии углерода (0,27 кэВ) составило 68 эВ, на кислороде (0,53 кэВ) — 89 эВ, на марганце (5,9 кэВ) — 179 эВ. Для научных задач этого достаточно.
Раньше было неясно, можно ли изогнуть функциональный кремниевый детектор рентгеновского диапазона без ухудшения его характеристик. Теперь показано, что можно: изогнутые ПЗС-матрицы сохраняют шум, тёмный ток и спектральное разрешение на уровне плоских, а отклонение поверхности не превышает микрометра. Добиться этого удалось с помощью процедуры вакуумного изгиба тонкой кремниевой мембраны с последующей фиксацией на оправке.
Такой детектор повторяет фокальную поверхность зеркал скользящего падения (зеркал, отражающих рентген под малым углом) целиком, без мозаики и зазоров. Для будущих рентгеновских телескопов, таких как Lynx, это означает субсекундное угловое разрешение по всему широкому полю зрения. Изогнутая линейка наконец-то легла на глобус, и картинка стала цельной.
Изогнутые детекторы уже используются в наземном телескопе слежения за космическим мусором SST, где они имеют радиус кривизны 5,44 м и работают в видимом диапазоне.
В романе Артура Кларка «Свидание с Рамой» описываются гигантские изогнутые зеркала, фокусирующие свет на детекторы, повторяющие их форму — похожая идея теперь реализуется для рентгеновских телескопов.