Alma Mater Studiorum Universit`a di Bologna Telescopi per astronomia in raggi X duri: sviluppi

234 Pages·2006·8.79 MB·Italian

Alma Mater Studiorum
Universit`a di Bologna
`
FACOLTA DI SCIENZE MATEMATICHE, FISICHE E NATURALI
Corso di Laurea in Astronomia
Dipartimento di Astronomia
Telescopi per astronomia in raggi X duri:
sviluppi tecnologici di specchi multilayer
Tesi di Laurea Relatore:
di: Chiar.mo Prof.
Rodolfo Canestrari Giorgio Palumbo
Co-Relatori:
Dott.
Giovanni Pareschi
Dott.
Daniele Spiga
INAF–Osservatorio Astronomico di Brera
Sessione III
Anno Accademico 2004-2005

a mio nonno Vincenzo

Indice
Indice i
Lista degli acronimi v
Introduzione vii
1 I telescopi per astronomia in raggi-X: storia e future missioni 1
1.1 Uno sguardo al passato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Future missioni in raggi-X duri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1 SIMBOL-X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 XEUS, X-ray Evolving Universe Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.3 Constellation-X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.4 HEXIT-SAT, High Energy X-ray Imaging Telescope Satellite . . . . 11
1.3 Target scientifici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.1 Sorgenti galattiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.2 Sorgenti extragalattiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 I telescopi per raggi-X 21
2.1 Cenni di ottica nella banda X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.1 La riflessione e le costanti ottiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Configurazioni ottiche di telescopi ad incidenza radente . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1 L’aberrazione di coma e gli specchi asferici . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.2 Ottiche Kirkpatrick-Baez . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.3 Ottiche Wolter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3 Altri parametri di merito delle ottiche per astronomia X . . . . . . . . . . . 33
2.3.1 La risoluzione angolare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.2 La sensibilità in flusso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.3 Il campo di vista . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4 Realizzazione ottiche a singolo strato per raggi-X molli . . . . . . . . . . . . 40
2.4.1 La tecnica tradizionale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4.2 Ottiche basate su fogli sottili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.3 La tecnica della replica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
i
3 I telescopi per raggi-X duri 51
3.1 Specchi alla Bragg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.1.1 I multistrati periodici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.2 I multistrati graduati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2 Realizzazione di ottiche multilayer per raggi-X duri . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.1 Estensione della replica con elettroformatura di Ni: metodo diretto . 63
3.2.2 EstensionedellareplicaconelettroformaturadiNi: metodo“indiretto” 64
3.3 Metodi di deposizione di film sottili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.3.1 Evaporazione con fascio elettronico (e-beam evaporation) . . . . . . 66
3.3.2 Ion Beam Sputtering, IBS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.3.3 DC ed RF Magnetron Sputtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4 Strumenti e analisi per caratterizzazione campioni 75
4.1 Power Spectral Density. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.1.1 Modello K-correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2 Strumenti per caratterizzare superfici e film riflettenti ad OAB . . . . . . . 82
4.2.1 Il microscopio a forza atomica, AFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.2.2 Il profilometro ottico WYKO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2.3 Il microscopio a contrasto di fase Nomarski . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2.4 Il profilometro a lunga traccia, LTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.3 Metrologia di superfici tramite misure in raggi-X . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3.1 Le misure di riflettività, XRR (X-Ray Reflectivity) . . . . . . . . . . 95
4.3.2 Le misure di scattering, XRS (X-Ray Scattering) . . . . . . . . . . . 97
4.3.3 Il legame scattering-topografia di superficie . . . . . . . . . . . . . . 98
4.4 La facility PANTER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.4.1 Le sorgenti a raggi-X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.4.2 I rivelatori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.4.3 Effetti della sorgente a distanza finita . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.4.4 Analisi dei dati acquisiti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5 Diagnostica multistrati evoluzione della rugosità 107
5.1 Tipi di campioni analizzati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.2 Protocollo per la caratterizzazione dei multilayer . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.2.1 Topografia superficiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.2.2 Indagini tramite raggi-X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.3 Modello teorico per la crescita della rugosità . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.3.1 Singolo strato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.3.2 Estensione alla crescita di un multistrato . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.4 Multilayer PSDs Evolution Simulator, MPES . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.5 Multistrati realizzati con e-beam deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.5.1 Test A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.5.2 Test B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.5.3 Test C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.6 Multistrati realizzati con DC magnetron sputtering . . . . . . . . . . . . . . 141
ii
iii
5.6.1 Test D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.6.2 Test E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.7 Multistrati realizzati con RF magnetron sputtering . . . . . . . . . . . . . . 150
5.7.1 Test F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.7.2 Test G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.8 Riepilogo e confronti tra i campioni analizzati . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6 Test di ottiche multilayer alla facility PANTER 167
6.1 Mirror shell MS-MSFC01 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.1.1 Caratterizzazione del campione witness . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.1.2 Calibrazione alla facility PANTER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.2 Mirror shell MS-JETX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.2.1 Caratterizzazione del campione witness . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.2.2 Calibrazione alla facility PANTER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.2.3 Caratterizzazione topografica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.3 Mirror shell MS-MSFC02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.3.1 Caratterizzazione del campione witness . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.3.2 Calibrazione alla facility PANTER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
7 Conclusioni 185
A Evoluzione della PSD nei multilayer: modellizzazione di XRS 187
B Codice MPES 191
B.1 Interfaccia grafica e gestione degli eventi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
B.2 Eventi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
B.3 Navigazione all’interno dell’Hard Disk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Bibliografia 215
Ringraziamenti 221
iv
Lista degli acronimi
AFM Atomic Force Microscope
AGN Active Galactic Nuclei
ASI Agenzia Spaziale Italiana
AXAF Advanced X-ray Astronomy Facility
BAT Burst Alert Telescope
BH Black Hole
CfA Center for Astrophysics
CNES Centre National d’Etudes Spatiaux (l’Agenzia Spaziale Francese)
COST European COoperation in the field of Scientific and Technical research
CTE Coefficient of Thermal Expansion
CVD Chemical Vapour Deposition
CXB Cosmic X-ray Background
DSC Detector SpaceCraft
EE Encircled Energy
ESA European Space Agency
ESRF European Synchrotron Radiation Facility
(E)UV (Extreme) UltraViolet
EXOSAT European X-ray Observatory SATellite
FOM Figure Of Merit
FOV Field Of View
FWHM Full Width Half Maximum
GC Galaxy Cluster
GRB Gamma-Ray Burst
HEW Half-Energy Width
HEXIT High-Energy X-ray Imaging Telescope
HEAO High-Energy Astrophysics Observatory
HERO High-Energy Replicated Optics
HOPG Highly Oriented Pyrolithic Graphite
HPD Half-Power Diameter
IBAD Ion Beam Assisted Deposition
IBS Ion Beam Sputtering
INAF Istituto Nazionale di AstroFisica
INTEGRAL INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory
v
vi
ISM InterStellar Medium
JET-X Joint European Telescope X
LSF Line Spread Function
LTP Long Trace Profilometer
MPE Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik
MPES Multilayer PSDs Evolution Simulator
MSC Mirror SpaceCraft
NASA National Aeronautics and Space Administration
OAB Osservatorio Astronomico di Brera
PDS Phoswitch Detector System
PPM Pythonic Program for Multilayers
PSD Power Spectral Density
PSF Point Spread Function
PSPC Position Sensitive Proportional Counter
PVD Physical Vapour Deposition
QSO Quasi Stellar Objects
RF Radio Frequency
rms Root Mean Square
ROSAT RÖntgen SATellite
SAX Satellite per Astronomia X
SEM Scansion Electronic Microscope
SNR SuperNova Remnant
SPIE Society of Photo-optical Instrumentation Engineers
SXT Spectroscopy X-ray Telescope
TEM Transmission Electronic Microscope
vs versus
XEUS X-ray Evolving Universe Spectroscopic mission
XMM X-ray Multimirror Mission
XRB X-Ray Background
XRR X-Ray Reflectivity
XRS X-Ray Scattering
XRT X-Ray Telescope