xray telescopeconcept

18
$)XWXUH*HQHUDWLRQ $)XWXUH*HQHUDWLRQ 8OWUD+LJK7KURXJKSXW 8OWUD+LJK7KURXJKSXW ;UD\7HOHVFRSH&RQFHSW ;UD\7HOHVFRSH&RQFHSW 3*RUHQVWHLQDQG'(*UDHVVOH 3*RUHQVWHLQDQG'(*UDHVVOH 6PLWKVRQLDQ$VWURSK\VLFDO2EVHUYDWRU\ 6PLWKVRQLDQ$VWURSK\VLFDO2EVHUYDWRU\ &DPEULGJH0$ &DPEULGJH0$ P. Gorenstein & D.E. Graessle 25 March 1999 NIAC Annual Meeting, NASA HQ 1

Upload: clifford-stone

Post on 28-Nov-2014

192 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

 

TRANSCRIPT

Page 1: Xray telescopeconcept

����������������������������������

�������������������� ��������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������

� ��������������������!"���#������ ��������������������!"���#�����

� "�����$�%�� "�����$�%�$/62 3$57,&,3$7,1*� 1$6$�/HZLV 5HVHDUFK &HQWHU�$/62 3$57,&,3$7,1*� 1$6$�/HZLV 5HVHDUFK &HQWHU�

&OHYHODQG� 2+� DQG 1$6$�0DUVKDOO 6SDFH )OLJKW &HQWHU�&OHYHODQG� 2+� DQG 1$6$�0DUVKDOO 6SDFH )OLJKW &HQWHU�

+XQWVYLOOH� $/+XQWVYLOOH� $/

P. Gorenstein & D.E. Graessle

25 March 1999 NIAC Annual Meeting, NASA HQ 1

1

Page 2: Xray telescopeconcept

����������� ���&����������� ���&

�������������� ���� �� �������������� ���������������������������� ���������� ����!����������������"

# ��������������������!���� ���������$ ��� �� "

%����������!�����$ ������������������� ���������������!����������� �$�����!���! ���������� ������!���� "

&����������� �� ����� ��������� ���!���� �!�� �"

%����������������!��!������������$�$�������"

'��� ���� ���"

( �������� ������ ���������$�$�!������!��� � ��"

P. Gorenstein & D.E. Graessle

25 March 1999 NIAC Annual Meeting, NASA HQ 2

2

Page 3: Xray telescopeconcept

�'��(����'��(���

;�UD\ DVWURQRP\ ZLOO SOD\ DQ LQFUHDVLQJO\ LPSRUWDQW UROH LQ VWXGLHV RI WKH HDUO\

XQLYHUVH DQG RI ODUJH VFDOH VWUXFWXUH� +RZHYHU� WKHVH VWXGLHV DUH XOWLPDWHO\ OLPLWHG

E\ VSDUVH SKRWRQ QXPEHUV� 7KHUHIRUH� WKHUH LV D QHHG WR GHYHORS JHQHUDWLRQV RI

WHOHVFRSHV ZLWK SURJUHVVLYHO\ ODUJHU FROOHFWLQJ DUHD XQGHU PDVV FRQVWUDLQWV WKDW DUH

LQFUHDVLQJO\ VHYHUH� 7KH FKDOOHQJH LV DFWXDOO\ PXFK JUHDWHU LQ WKH ;�UD\ EDQG WKDQ

WKH RSWLFDO� ;�UD\ WHOHVFRSHV SODFH WKH UHIOHFWRUV DW DQJOHV RI D GHJUHH ZLWK UHVSHFW

WR WKH VRXUFH GLUHFWLRQ DQG WKH WHOHVFRSH UHIOHFWV WKH ;�UD\ WZLFH� &RQVHTXHQWO\�

WKH SK\VLFDO DUHD RI WKH ;�UD\ UHIOHFWRUV LV WZR RUGHUV RI PDJQLWXGH ODUJHU WKDQ WKH

HIIHFWLYH DSHUWXUH� /DUJH PDVV LV FXUUHQWO\ D SUREOHP IRU WKH &RQVWHOODWLRQ�;

0LVVLRQ� $V ZH ORRN IRUZDUG EH\RQG &RQVWHOODWLRQ IRU $VWURQRP\V 'HFDGHO

6XUYH\ ZH UHDOL]H WKDW D UDGLFDOO\ GLIIHUHQW DSSURDFK LV UHTXLUHG EDVHG XSRQ VXSHU

OLJKW ZHLJKW UHIOHFWRUV DQG SHUKDSV LQ VLWX DVVHPEO\ RI WKH WHOHVFRSH�

7KLV ZRUN LV VXSSRUWHG E\ 1$6$ XQGHU D JUDQW IURP WKH ,QVWLWXWH IRU $GYDQFHG

&RQFHSWV�

P. Gorenstein & D.E. Graessle

25 March 1999 NIAC Annual Meeting, NASA HQ 3

3

Page 4: Xray telescopeconcept

! �)*+�! �)*+�

)" )��$���

))" * �� ����� �������

)))" �������� ����$�� �

)+" ,�������$��������

+" %������

P. Gorenstein & D.E. Graessle

25 March 1999 NIAC Annual Meeting, NASA HQ 4

4

Page 5: Xray telescopeconcept

)")" ����������� ���,������ ���-������������ ���,������ ���-�

�����#�������������,��./�����������#�������������,��./������

*��� ��� ��������� �- ������ ���� � ���������"

.� �������������/�!�! ����������� �����������!������ ��

������������ ���� �� ��� ���������!�$ ������������

���������$�)0������������������$����!������� �����������!������!���� "

1��$����$��**�� ��� $�� !���������$ �����������2�� ���!���������!�������������������� �� �"

# ����������������������� �������$� ���������������$�� �� �"

3������������������������$������������� $������������ �� ���� �����������"

&��� �����$���������� ���������������������������"

P. Gorenstein & D.E. Graessle

25 March 1999 NIAC Annual Meeting, NASA HQ 5

5

Page 6: Xray telescopeconcept

������ ��������������� ����������� ���� ���������������� ����������� ���� �

���������� ����������������� � ���� ����������� ����������������� � ���� �

��������� ��������������������������������������������������������������������������

������������������������ ���������!�������������������������

"������������������ ������������������

���������� ������������������� �#�����������������$�������������

������������� ������������������������������������

����������������� ������ %�&'(���������� �)������������������������������

P. Gorenstein & D.E. Graessle

25 March 1999 NIAC Annual Meeting, NASA HQ 7

6

Page 7: Xray telescopeconcept

��� ���� ���������������� ���� ��������� ���� ���������������� ���� ������

�������� ������������ ��� ���������� ������������ ��� ��

&��������������� � ������������������������

&�������������������������������

&������!����������������������*����� �������������

'���������+

0DVV DQG YROXPH RI WKH WHOHVFRSH YHKLFOH DUH UHGXFHG�

&RPSOH[LW\ RI WKH REVHUYDWRU\ LV ORZHU� UHOLDELOLW\ LV KLJKHU�

,QWHJUDWLRQ FRVWV DUH PXFK ORZHU�

5HSODFHDEOH DQG LQWHUFKDQJHDEOH GHWHFWRUV�

2WKHU VSDFH DJHQFLHV PD\ SDUWLFLSDWH LQ WKH PLVVLRQ� GLYLGLQJ FRVWV�

1R VWULQJHQW WLPH DQG ZHLJKW FRQVWUDLQWV RQ LQGLYLGXDO GHWHFWRUV�

&RVWV PRUH HYHQO\ GLVWULEXWHG LQ WLPH ZLWK SKDVHG ODXQFKHV RI

GHWHFWRUV�

$GDSWDWLRQ WR LPSURYHG GHWHFWRU GHVLJQV SRVVLEOH�

P. Gorenstein & D.E. Graessle

25 March 1999 NIAC Annual Meeting, NASA HQ 8

7

Page 8: Xray telescopeconcept

�� ���!�������� �� �� � ���� ������ ��� ���!�������� �� �� � ���� ������ �

��� ��������� �������� ���� � ��������� ��������� �������� ���� � ������

,-�./���� ��������������

-/������������0��������������������������

12/� ����������

&�����������)��������� ��

"������������������!�������

3������� ����������!������������������������������������

P. Gorenstein & D.E. Graessle

25 March 1999 NIAC Annual Meeting, NASA HQ 9

8

Page 9: Xray telescopeconcept

The Telescope Optics

The most familiar type of X-ray optics in astronomy is the double coni-

cal telescope, especially the Wolter Type 1 telescope. This optic has been

employed in every X-ray telescope mission to date and in all those awaiting

launch. A Wolter telescope can be segmented and this is, in fact, being con-

sidered for the European XEUS telescope.

Kirkpatrick-Baez Mirror

Segmentation can also be applied, perhaps more e�ectively to the \Kirkpatrick-

Baez" (K-B) array of stacked orthogonal parabolic re ectors (Figure A). As

shown in Figure B, a large K-B mirror can be segmented into rectangular

modules of equal size and shape.

A segmented K-B telescope has the advantage of being highly modular

on several levels. All segments are rectangular boxes with the same outer

dimensions. Along a column, the segments are nearly identical and many

are interchangeable with each other. All re ectors deviate from atness only

slightly after the �gures are imparted. On the other hand theWolter re ectors

are highly curved in the azimuthal direction and the curvature varies over a

wide range. Furthermore, within a segment, the K-B re ectors themselves

can be segmented along the direction of the optical axis. As shown in Figure

C, a K-B mirror system can be folded more easily than the Wolter mirror

into a compact volume for launch and deployment in space.

9

Page 10: Xray telescopeconcept

Figure A. Kirkpatrick-Baez mirror consisting of orthogonal stacks of re ectors. Each re- ector is a parabola in one dimension.

Figure B. A large K-B mirror can be segmented into rectangular modules of equal sizeand shape.

10

Page 11: Xray telescopeconcept

Figure C. Mirror folded for launch (upper) and unfolded in situ (lower).

11

Page 12: Xray telescopeconcept

The X-ray Observatory

The following series of color �gures illustrates the operations of the Ultra

High Throughput Observatory.

The �rst shows a segmented telescope (as a Kirkpatrick-Baez type mirror

assembly) situated on its own spacecraft. At a distance equal to the focal

length (about 300 m) are a group of spacecrafts containing detectors of vari-

ous di�erent types, i.e. high resolution, wide �eld, spectroscopy, etc. Usually

only one detector is active and precisely stationed at the focus. With the

aid of its own sensors and signals sent from the telescope that spacecraft

performs station keeping to maintain that distance equal to the focal length

with a few milimeters.

In the second �gure the target is changed. Only the active detector which

may not be the same one of the previous �gure has changed position to take

up the focal plane station. The others can stay put until they go into service.

The third �gure shows an alignment of three satellites which may be needed

for certain very high resolution dispersive spectroscopy measurements.

12

Page 13: Xray telescopeconcept

13

Page 14: Xray telescopeconcept

14

Page 15: Xray telescopeconcept

15

Page 16: Xray telescopeconcept

������ ���������� ����� ����������������� ����� �������

��������������

��������� ���������������������� ��������������

���������������������������������������������������� ����� �!��"�����������������

# ��� ����������������������$ ����%�����������

���������������������������������������&����������������

'�� �����()*�µ��'��%������%������

*+,���������%���� ������� � ���

-����������� ������������������������������������

��������%�����������%��������������������������������%���������� ������������%������%������������

P. Gorenstein & D.E. Graessle

25 March 1999 NIAC Annual Meeting, NASA HQ 18

16

Page 17: Xray telescopeconcept

������������������������������������������������������������������

��� ������������������� ����������������

#�����������.����������������� ����������������������������������%����������������%�������

'�����������������������������������%���� �����������&����������������&�(*�������

'��������������������������$ ���������������������������������"�� ����������� ����������������������/

0�������������������

)��������������)++������%����������

!����������������)+�(++� ���%���������� �����%�������� ���������������������� ����

P. Gorenstein & D.E. Graessle

25 March 1999 NIAC Annual Meeting, NASA HQ 19

17

Page 18: Xray telescopeconcept

���� ��������������

.����������������������(*���������$ ������� ������������ ��� ��������������%�.��������������

�������������������������������������� ������������� ����������������������%%������

�� ����������������������������$ ����������������%���������������

�������� �������������������������������������������"��������������������������

'������������������� �������������������������������������%���% �����������������

P. Gorenstein & D.E. Graessle

25 March 1999 NIAC Annual Meeting, NASA HQ 20

18