Ich lese darüber, wie der bald auf den Markt kommende NuSTAR an der Spitze der Fokussierung von Röntgenstrahlen steht, der Strahlung von 5 bis 80 keV einfängt, indem er sie mit einer Optik mit einer Brennweite von 10,15 Metern auf 2 Sätze von 4 fokussiert 32 × 32 Pixel-Detektorarrays. Dies sind besonders "harte" (hochenergetische) Röntgenstrahlen, was die Aufgabe schwierig und das NuSTAR-Teleskop neuartig macht.
Wenn ich das richtig verstehe, wird die Bildgebung bei elektromagnetischer Strahlung ab einer bestimmten Energie besonders schwierig, da echte Gammastrahlen (über 100 keV) mit einer Familie von Strahlungsdetektoren erfasst werden, die die Compton-Streuung oder photoelektrische Absorption mit einem elektrischen Impuls erfassen, der (in ein naiver Sinn) unempfindlich gegenüber der ursprünglichen Richtung oder Position innerhalb des Detektors. Es sollte offensichtlich sein, dass die Bildgebung immer noch unter Verwendung eines Arrays von Detektoren durchgeführt werden kann, die jeweils ein einzelnes Pixel bilden, und diese Fähigkeiten können sich mit der Zeit verbessern, wenn sich die Halbleiterdetektortechnologie weiterentwickelt.
Die entscheidende Unterscheidung, die ich zu treffen versuche, ist also die zwischen Röntgenstrahlen und Gammastrahlen. Es scheint, dass wir Röntgenstrahlen fokussieren und Gammastrahlen nicht fokussieren. Ein sehr gutes Beispiel für Forscher, die Gammastrahlen nicht fokussieren, ist die Radiation Measurement Group von Dr. Zhong He an der UM, die eine tatsächliche Bildgebung einer Gammastrahlenumgebung durchführt (der UM-Polaris-Detektor). Sie verwenden ein Gitter aus Halbleitern bei Raumtemperatur, die frei in einem Raum ausgelegt sind, und verwenden eine Rückverarbeitung der Signale, um eine Folge von Streu-Streu-Absorptionsreaktionen im 3D-Raum zu triangulieren. Dies ist eine Menge Arbeit, die völlig unnötig wäre, wenn Sie die Gammastrahlen so fokussieren könnten, wie wir es für einen großen Teil des EM-Spektrums tun.
Beide Technologien, auf die ich verweise, das NuSTAR-Teleskop und der UM-Polaris-Detektor, verwenden CdZnTe-Detektoren. Funktionell unterscheiden sie sich sehr, da das Teleskop Optiken verwendet, um Licht von nur wenigen Bogensekunden des Himmels einzufangen.
Meine Frage ist, was ist die spezifische Einschränkung, die uns daran hindert, Photonen über einer bestimmten Energie zu fokussieren? Es scheint, dass dieser Cutoff-Punkt auch verdächtig nahe an dem Cutoff zwischen der Definition von Röntgenstrahlen und Gammastrahlen liegt. War das beabsichtigt? Könnte die zukünftige Technologie mit der Verwendung von Optiken beginnen, um niederenergetische Gammastrahlen aufzulösen?
Ich denke, es gibt hier zwei Fragen. Wie fokussiert man hochenergetische Photonen und wie erkennt man sie?
Im Allgemeinen ist die Detektion hochenergetischer Photonen kein Problem. Sie haben viel Energie (!), sogar das Messen ihrer Energie direkt beim Sammeln ist ziemlich einfach. Sie brauchen also keine Spektrographen wie für sichtbares Licht.
Das Fokussieren von Röntgenstrahlen ist viel schwieriger. Sie können sie entweder durch eine streifende Einfallsreflexion von einer Metalloberfläche ( Wolter-Optik ) streuen, wie sie in den meisten Gammastrahlen-Teleskopen verwendet wird, oder durch Streuung in einem optischen Material (Raleigh-Streuung).
Aber die Menge an Streuung ist gering und die Absorption in einem optischen Material ist hoch, sodass Sie nicht viel Material verwenden können und daher keine signifikanten Winkel erhalten können.
Die neue Forschung legt nahe, dass es bei sehr hohen Energien verschiedene Streumechanismen gibt, die es ermöglichen würden, ein Röntgenphoton in einem realen Material um einen signifikanten Winkel abzulenken.
Der Unterschied besteht darin, dass die Physik zum Nachweis von Röntgenstrahlen (hart und weich) und Gammastrahlen unterschiedlich ist. Bei der Gammastrahlendetektion können Sie mit der Compton-Streuung die Richtung des einfallenden Photons bestimmen, indem Sie das Rückstoßelektron verfolgen, kombiniert mit der Richtung und Energie der gestreuten Photonen. Die Compton-Rückstoßelektronen können verfolgt werden, indem die Energieverluste und die X-, Y-Koordinaten gemessen werden, während sie durch Ihren Detektor gestreut werden. Wird normalerweise mit Siliziumstreifendetektoren (SSDs) durchgeführt und mit High-Z-Materialien kombiniert, um die Gammastrahlen zu absorbieren. Dies ist Ihre übliche D1- und D2-Detektorkonfiguration, die in Compton-Teleskopen verwendet wird. Statistische Techniken wie die Maximum-Likelihood-Methode können verwendet werden, um eine grafische Verteilung der einfallenden Gammastrahlen zu erhalten.
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