Перегляд вихідного коду сторінки Око лобстера (оптика)

[[Файл:Configuration_of_the_focusing_mirror_system_of_LEIA.jpg|міні| Оптична система «око лобстера» телескопа {{Не перекладено|LEIA||en|Lobster Eye Imager for Astronomy}}.]]
'''Око лобстера''' ({{Lang-en|Lobster-eye optics}})&nbsp;— схема в [[Рентгенотехніка|рентгенівській оптиці]], яка імітує структуру ока [[Лобстери|лобстера]] і може мати надшироке [[поле зору]]. Застосування цієї схеми в [[Рентгенівська астрономія|рентгенівській астрономії]] дозволяє не тільки спостерігати за заздалегідь обраними об'єктами, а й здійснювати безперервний моніторинг великих областей небесної сфери. Хоча «око лобстера» було запропоновано ще в 1970-х роках, воно було вперше використане для астрономічних спостережень лише в місії {{Не перекладено|Lobster Eye Imager for Astronomy}} (LEIA) на китайському космічному апараті-демонстраторі технологій SATech ‑ 01, запущеному в 2022 році. За цією ж схемою збудовано ширококутний [[рентгенівський телескоп]] WXT, встановлений на запущеній у січні 2024 року космічній обсерваторії [[Einstein Probe]], створеній [[Китайська академія наук|Китайською академією наук]]. Планується застосування «ока лобстера» у низці інших проєктів космічних рентгенівських телескопів. Прилади, побудовані за цією схемою, знаходять застосування також у медицині та системах безпеки.

== Опис ==
[[Файл:Lobster-eye_optics_schematic_diagram.svg|міні| Хід променів у системі «око лобстера».]]
[[Файл:Point_spread_function_of_lobster-eye_optics.svg|міні| Хрестоподібна [[функція розсіювання точки]] «оком лобстера».]]
Оптична система «око лобстера» імітує структуру [[Фасеткове око|складних очей]] [[Лобстери|лобстерів]], зібраних з багатьох [[Оматидій|довгих вузьких комірок]] квадратного перерізу, розташованих на сферичній поверхні. Ці комірки не мають [[Заломлення|заломлюючих елементів]], зображення фокусується завдяки тому, що промені, що падають з одного напрямку, відбиваються від внутрішніх стінок різних комірок під різними кутами<ref>{{Стаття|title=Exceptional Variation on a Common Theme: The Evolution of Crustacean Compound Eyes|author=Cronin, T.W., Porter, M.L.|видання=Evolution: Education and Outreach|том=1|language=en|pages=463–475|doi=10.1007/s12052-008-0085-0|publisher=[[BioMed Central]]|url=https://evolution-outreach.biomedcentral.com/articles/10.1007/s12052-008-0085-0|archivedate=2024-02-14|archiveurl=https://web.archive.org/web/20240214104159/https://evolution-outreach.biomedcentral.com/articles/10.1007/s12052-008-0085-0}}</ref>. Рентгенівська оптична система побудована за тим же принципом&nbsp;— вона є вигнутою пластиною, усіяною безліччю мікроканальних отворів (або мікропор) квадратного перерізу. [[Рентгенівське випромінювання]], що входить у ці канали під малими кутами, [[Фокус (оптика)|фокусується]] за рахунок [[Повне внутрішнє відбиття|відбиття]] від їхніх стінок. Велика кількість каналів, що мають різні напрямки, дозволяє отримати широке поле зору{{Sfn|Hudec R., Feldman C.|2022|місце=Lobster eye X-ray optics}}, а фокусування підвищує світлочутливість{{Sfn|Лидер В. В.|2022|с=25}}.

Ширококутна рентгенівська оптична система була запропонована в 1975 співробітником [[Інститут позаземної фізики Товариства Макса Планка|Інституту позаземної фізики Макса Планка]] В. Шмідтом<ref>{{Стаття|url=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0029554X75905017|language=en|title=A proposed X-ray focusing device with wide field of view for use in X-ray astronomy|author=Schmidt W. K. H.|місяць=08|дата=1|date=1975|видання=Nuclear Instruments and Methods|том=127|issue=2|pages=285—292|doi=10.1016/0029-554X(75)90501-7}}</ref>. У цій схемі, званій «<nowiki/>[[коліматор]]ним фокусуючим об'єктивом Шмідта», використовуються дві групи тонких плоских відбивачів з [[Фольга|фольги]], розташовані перпендикулярно одна до одної. Пластини в кожній групі розташовані віялом, по периметру циліндрів різних радіусів. Рентгенівські промені, що приходять з одного напрямку, відбиваються від різних пластин одного віяла під різними кутами і фокусуються в лінію на поверхні циліндра з радіусом удвічі меншим, ніж радіус твірного циліндра. Два перпендикулярно розташованих віяла фокусують промені від точкового джерела в дві перпендикулярні лінії (хрест) з максимальною яскравістю в точці їх перетину. Поле зору такої системи теоретично може становити до 360 градусів за азимутом і до 90&nbsp;% [[Тілесний кут|тілесного кута]] в полярному напрямку, тобто майже повністю охоплювати півсферу<ref>{{Cite web|url=http://altamira.asu.cas.cz/xray_wide.php|title=Wide-field X-ray Optics|last=Hudec R., Pina L., Inneman A.|publisher=High Energy Astrophysics Group Astronomical Institute Ondrejov|language=en|archive-url=https://web.archive.org/web/20191207113904/http://altamira.asu.cas.cz/xray_wide.php|archive-date=2019-12-07|url-status=live|access-date=2024-01-11}}</ref>.[[Файл:Schematic diagram of lobster eye lens.jpg|міні| Двовимірна фокусуюча схеми Енджела]]У 1979 році астроном {{Не перекладено|Энджел, Роджер|Р.&nbsp;Энджел|en|Roger Angel}} запропонував схему для фокусування рентгенівських променів, яку прийнято називати «оком омара»<ref>{{Стаття|author=J. R. P. Angel|language=en|title=Lobster eyes as X-ray telescopes|видання=Astrophysical Journal|місяць=10|date=1979|том=233|issue=Part 1|pages=364–373|doi=10.1086/157397|bibcode=1979ApJ...233..364A|url=https://adsabs.harvard.edu/full/1979ApJ...233..364A|archivedate=2023-12-29|archiveurl=https://web.archive.org/web/20231229170642/https://adsabs.harvard.edu/full/1979ApJ...233..364A}}</ref>. Схема Енджела може розглядатися як особливий випадок системи Шмідта, де два переперехресні віяла відбивачів, розташовані по периметру циліндрів однакових радіусів <math>{{R}}</math>, утворюють структуру у вигляді вигнутого сферичного сегмента з безліччю квадратних каналів<ref>{{Стаття|title=Effective collecting area of lobster eye optics and optimal value of effective angle|author=Tichý V., Barbera M., Hudec R. et al|видання=Experimental Astronomy|тип=журнал|том=47|date=2019|pages=161–175|language=en|doi=10.1007/s10686-019-09622-2}}</ref>. Наприкінці 1980-х та на початку 1990-х років були запропоновані методи створення рентгенівської оптики типу «око омара» з {{iw|Мікроканальна пластина|мікроканальних пластин||Microchannel plate detector}}, використовуваних в [[Фотоелектронний помножувач|електронних помножувачах]]. Проведені експерименти показали, що стандартні мікроканальні пластини з круглими каналами (порами) не підходять для створення фокусуючих систем, натомість як пластини з квадратними порами розміром в десятки мікрон різко збільшують ефективність фокусування за рахунок відбиття від стінок каналів і можуть бути застосовані для створення фокусуючої рентгенівської оптики з досить високою роздільною здатністю й ефективністю використання поверхні<ref>{{Cite journal|last=Kaaret, Philip E.|last2=Geissbuehler, Phillip|year=1992|title=Lobster-eye x-ray optics using microchannel plates|url=https://archive.org/details/82_20240307|journal=SPIE Proceedings|doi=10.1117/12.51261}}</ref>. Для отримання широкого поля зору застосовують вигнуті мікроканальні пластини, одержувані витягуванням, плавленням і травленням волокон [[Кришталь|свинцевого скла]], з товщиною 1-4 [[Міліметр|мм]], квадратними порами розміром 20-40 [[Мікрометр|мікронів]] і перегородками між порами товщиною в одиниці мікронів{{Sfn|Лидер В. В.|2021}}. Зовнішні стінки перегородок між порами покривають плівкою з [[Алюмінієві сплави|алюмінієвого сплаву]], а стінки каналів&nbsp;— тонким відбивним шаром [[Іридій|іридію]]<ref>{{Стаття|title=Iridium coatings for space based x-ray optics|author=Probst, A., Döhring, T., Stollenwerk M. et al|language=en|видання=International Conference on Space Optics|тип=|date=2017|doi=10.1117/12.2296167}}</ref>{{Sfn|Hudec R., Feldman C.|2022|місце=Lobster eye telescopes using Micro Pore Optics}}.

У системі «око лобстера» зображення у фокусі формується променями, що послідовно відбилися від сусідніх стінок каналу і концентруються на фокальній поверхні <math>{{F}}</math> з радіусом <math>{{R}}/2</math>. Промені, що приходять з різних напрямків, відбиваються від стінок каналів під різними кутами і фокусуються в різних точках фокальної поверхні. Зображення точкового джерела, що генерується у фокусі, є хрестоподібною структурою з яскравою плямою <math>{{A}}</math> в центрі, що формується променями, відбитими від двох ортогональних стінок каналу, двома менш яскравими лініями <math>{{B}}</math> і <math>{{C}}</math>, утвореними променями, що відбилися тільки від однієї зі стінок, і слабким розсіяним тлом <math>{{D}}</math> від променів, що пройшли комірки без відбиття. Основний недолік «ока лобстера»&nbsp;— необхідність великого розміру детекторів, що встановлюються на вигнутій фокальній поверхні системи та реєструють зображення{{Sfn|Лидер В. В.|2022}}.

[[Роздільна здатність (оптика)|Кутову роздільну здатність]] системи «око лобстера» <math>\Delta\Theta{{g}}</math> можна оцінити як відношення розміру каналу (мікропори) <math>{{d}}</math> до [[Фокусна відстань|фокусної відстані]], рівної <math>{{R}}/2</math>: <math>\Delta\Theta{{g}}=2{{d}}/{{R}}</math>. Повне поле зору <math>{{FoV}}</math> формується всіма каналами і для системи з <math>{{N}} \times {{N}}</math> каналами визначається як <math>{{FoV}}={{N}}(2{{d}}/{{R}})={{N}}\Delta\Theta{{g}}</math>. Розмір поля зору залежить тільки від кутових розмірів оптичної системи й детектора, кутова роздільна здатність системи тим вище, чим менший розмір пор і більша фокусна відстань. Але велика фокусна відстань ускладнює побудову систем із широким полем зору, а вибір розміру каналів (мікропор) обмежений технологією виготовлення мікропористих пластин і залежить від [[Довжина хвилі|довжини хвилі]] досліджуваного випромінювання. Для енергій в районі 1 [[Електронвольт|кеВ]] оптимальний розмір комірки, з урахуванням компенсації всіх істотних [[Аберації оптичних систем|аберацій]], дорівнює приблизно 25-30 [[Мікрометр|мікрон]] при довжині каналу 1-2 міліметри. Теоретично досяжна межа роздільної здатності для ширококутної системи з фокусною відстанню близько 30&nbsp;см становить при цьому близько 30 [[Кутова секунда|кутових секунд]]. Реально досяжна роздільна здатність залежить від технології й точності виготовлення об'єктивів, які збираються з кількох мікропористих пластин, а також ряду зовнішніх факторів{{Sfn|Лидер В. В.|2022}}{{Sfn|Hudec R., Feldman C.|2022|місце=Limitations of MPOs}}. Роздільна здатність ширококутного рентгенівського телескопа WXT, встановленого на космічній обсерваторії [[Einstein Probe]], становить близько 5 [[Градус (геометрія)|кутових мінут]]<ref name="НК">{{Cite web|url=https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/203144/|title=Зонд Эйнштейна|publisher=Новости космонавтики|language=ru|archive-url=https://web.archive.org/web/20240110141620/https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/203144/|archive-date=2024-01-10|url-status=live|access-date=2024-01-10}}</ref>.

== Застосування ==
[[Файл:X-ray_image_of_Sco_X-1_and_Cygnus_Loop_nebula.jpg|міні|400x400пкс| [[Рентгенівське випромінювання|Рентгенівські]] зображення, отримані телескопом {{Не перекладено|LEIA||en|Lobster Eye Imager for Astronomy}}. Ліворуч: джерело {{iw|Скорпіон X-1|||Scorpius X-1}}, праворуч: [[Туманність Вуаль|Петля Лебедя]] <ref name="Zhang">{{Cite journal|last=Zhang|first=C.|last2=Ling|first2=Z. X.|last3=Sun|first3=X. J.|displayauthors=1|title=First Wide Field-of-view X-Ray Observations by a Lobster-eye Focusing Telescope in Orbit|journal=The Astrophysical Journal Letters|volume=941|issue=1|pages=L2|arxiv=2211.10007|doi=10.3847/2041-8213/aca32f|doi-access=free}}</ref>.]]
Більшість рентгенівських телескопів мають обмежене поле зору, трохи більше 1°. Вони мають високу роздільну здатність і забезпечують точне вимірювання вибраних для спостереження джерел. При цьому існує необхідність інструментів іншого типу, які могли б безперервно спостерігати великі області видимої небесної сфери і виявляти події, які неможливо передбачити заздалегідь, а також здійснювати довгостроковий моніторинг змінних джерел. Для таких застосувань не потрібно високої роздільної здатності, але необхідне широке поле зору. «Око лобстера» забезпечує великі кути огляду при прийнятній роздільній здатності, що робить його перспективним інструментом для астрономічних спостережень<ref>{{Публікація|назва=Experimental lobster eye nano-satellite X-ray telescope|мова=en|автор=Tichý V.|рік=2010|місяць=11|видавництво=Czech Technical University in Prague|частина=Introduction|архів дата=2024-01-31|архів=https://web.archive.org/web/20240131115323/https://wiki.control.fel.cvut.cz/mediawiki/images/7/7f/Diz_2011_tichy_vladimir.pdf}}</ref>.

У 2017 році на чеському [[Малі супутники|наносупутнику]] VZLUSAT-1 було запущено експериментальний рентгенівський телескоп, який використовує спрощену одновимірну оптику Шмідта та [[Кодована апертура|оптичну маску]] у вигляді розташованого перед оптичною системою тонкого стрижня, що дозволяє локалізувати положення об'єкта у другому вимірі. Поле зору цього інструменту становить 3,2° X 3,2°, що дозволяє вважати його ширококутним. У той же час розміри наносупутників не дозволяють розмістити моніторингову систему у ширших кутах при прийнятній чутливості, для цього потрібні апарати більшого розміру{{Sfn|Лидер В. В.|2022}}<ref>{{Стаття|title=Astronomical Tasks for Tests of X-Ray Optics in VZLUSAT-1 Nanosatellite|author=Blazek M., Pata P., Inneman A., Skala P.|видання=Advances in Astronomy|date=2017|doi=10.1155/2017/3162892|pages=|language=en}}</ref>.

Першим ширококутним рентгенівським телескопом, побудованим за схемою Енджела, став {{Не перекладено|Lobster Eye Imager for Astronomy}} (LEIA), запущений на китайському космічному апараті-демонстраторі технологій SATech‑01 в 2022 році<ref name="Zhang"/><ref>{{Стаття|title=Space advanced technology demonstration satellite|author=Xiaofeng Z., Wen C., Xiaocheng Z. et al.|видання=Science China Technological Sciences|date=2023|місяць=12|language=en|doi=10.1007/s11431-023-2510-x}}</ref>. LEIA має кут огляду 18,6° X 18,6° і включає 36 мікроканальних пластин, об'єднаних у 4 групи по 9. Зображення, що формується кожною групою, реєструється одним з чотирьох [[КМОН-сенсор]]ів, кожен з яких має розміри 60 X 60&nbsp;мм і матрицю 4096 X 4096 [[Піксель|пікселів]]<ref name="Zhang"/><ref name="EP">{{Cite web|url=https://ep.bao.ac.cn/ep/cms/article/view?id=91|title=Einstein Probe|website=Einstein Probe official page|language=en|archive-url=https://web.archive.org/web/20231228121939/https://ep.bao.ac.cn/ep/cms/article/view?id=91|archive-date=2023-12-28|url-status=dead|access-date=2024-01-15}}</ref>. Рентгенівський телескоп WXT космічної обсерваторії [[Einstein Probe]], запущеної в січні 2024 року, забезпечує одночасний огляд приблизно 1/12 частини небесної сфери і складається з 12 модулів, кожен з яких аналогічний LEIA<ref name="EP" /><ref name="НК"/>. Планується використання рентгенівських телескопів з оптикою «очей лобстера» на американському (проєкт TAO ‑ ISS<ref name="nasa">{{Cite web|url=https://www.nasa.gov/missions/station/proposed-nasa-mission-employs-lobster-eye-optics-to-locate-source-of-cosmic-ripples/|title=Proposed NASA Mission Employs "Lobster-Eye" Optics to Locate Source of Cosmic Ripples|publisher=NASA|language=en|archive-url=https://web.archive.org/web/20231229113457/https://www.nasa.gov/missions/station/proposed-nasa-mission-employs-lobster-eye-optics-to-locate-source-of-cosmic-ripples/|archive-date=2023-12-29|url-status=live|access-date=2024-01-09}}</ref>) та європейському (ISS ‑ Lobster<ref>{{Стаття|author=Camp J., Barthelmy S., Petre R. et al|title=ISS-Lobster: a low-cost wide-field x-ray transient detector on the ISS|видання=Conference: SPIE Optics + Optoelectronics|date=2015|place=Прага|doi=10.1117/12.2176745|language=en}}</ref>) сегментах [[Міжнародна космічна станція|МКС]], у проєктах [[THESEUS]], [[SVOM]], {{iw|SMILE|||SMILE (spacecraft)}} та інших{{Sfn|Лидер В. В.|2021}}.

Оптика типу «очей лобстера» також знаходить застосування в медицині та системах безпеки. На її базі можливе створення портативних приладів для реєстрації розсіяного об'єктами рентгенівського випромінювання, таких як LEXID (Lobster-Eye X-ray Inspection Device), розроблений компанією Physical Optics Corporation, що дозволяє виявляти предмети, розташовані за перешкодами{{Sfn|Лидер В. В.|2021}}<ref>{{Cite web|url=https://www.dhs.gov/science-and-technology/eye-lobster|title=Eye of the Lobster: Mimicking Nature to Spot Contraband|publisher=U.S. Department of Homeland Security|language=en|archive-url=https://web.archive.org/web/20240115132159/https://www.dhs.gov/science-and-technology/eye-lobster|archive-date=2024-01-15|url-status=live|access-date=2024-01-15}}</ref>.

== Примітки ==
<references responsive="1"></references>

== Література ==

* {{Стаття|title=Фокусирующая капиллярная и пористая рентгеновская оптика|author=Лидер В. В.|видання=Оптика и спектроскопия,|тип=журнал|date=2021|том=129|issue=11|pages=1452—1455|language=ru|url=https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/51647|ref=Лидер В. В.}}
* {{Стаття|title=Фокусирующая оптика скользящего падения для рентгеновских телескопов|author=Лидер В. В.|видання=Приборы и техника эксперимента|тип=журнал|date=2022|номер=2|pages=25—29|language=ru|url=https://sciencejournals.ru/view-article/?j=pribory&y=2022&v=0&n=2&a=Pribory2202004Lider|ref=Лидер В. В.}}
* {{Стаття|title=Lobster Eye X-ray Optics|author=Hudec R., Feldman C.|date=2022|language=en|arxiv=2208.07149|url=https://arxiv.org/pdf/2208.07149.pdf|ref=Hudec R., Feldman C.|видання=Handbook of X-ray and Gamma-ray Astrophysics|publisher=Springer|place=Singapore|doi=10.1007/978-981-16-4544-0_3-1}}
[[Категорія:Рентгенівські телескопи]]