AOX

ll progetto AOX (Advanced Optics for X-rays) riguarda lo sviluppo di tecnologie innovative per specchi radenti, da utilizzare in missioni per astronomia X di prossima generazione. Le attività del contratto – finanziato da ASI – si inquadrano, più in generale, nel contesto dell’astronomia delle alte energie. Questo e’un settore di eccellenza per ASI e per la comunità astronomica Italiana dopo la realizzazione diretta e la partecipazione con ruoli guida a missioni di grande successo, con importanti ritorni di tipo industriale e la possibilità di collaborazione ad alto livello con altre agenzie internazionali come ESA, NASA, CAS, JAXA, MPE e DLR.

In particolare, ASI e INAF hanno guidato l’implementazione delle ottiche per raggi X realizzate in Nichel elettroformato tramite tecnica di replica per le missioni Beppo-SAX, Swift, XMM-Newton. Grazie alle competenze acquisite, su commissione delle agenzie tedesca e cinese DLR e CAS, l’Italia è stata coinvolta a livello industriale per la realizzazione degli specchi dei progetti eROSITA/Spectrum e Einstein Probe ed è ora coinvolta per la produzione delle ottiche per la missione eXTP. La tecnologia del Nichel, inizialmente sviluppata per le ottiche astronomiche in raggi X, ha inoltre trovato importanti spin-off in altre applicazioni quali ad esempio l’implementazione di collettori nell’ultravioletto estremo in beamline di nano-litografia, la realizzazione di ottiche per “free space communications” e per la realizzazione di sistemi LIDAR.

In questo contesto, le attività previste dal contratto mirano a realizzare prototipi per il consolidamento della tecnologia di realizzazione di shell sottili monolitiche. Lo sviluppo di dimostratori permetterà alla comunità italiana e – in futuro – alle industrie nazionali di partecipare con ruoli importanti all’implementazione di missioni come queste descritte. 

Le attività R&D del progetto AOX riguardano telescopi per astronomia in raggi X di prossima generazione ad altissima risoluzione angolare quali ad esempio LYNX o AXSIO, che combinano un rapporto area efficace/massa molto elevato ad un’alta risoluzione angolare. LYNX è la missione che NASA sta studiando per sostituire CHANDRA, che vuole mantenere la stessa alta risoluzione angolare (0.5 arcsec HEW a 1 keV) ma con una area efficace 20 volte superiore. Per queste missioni, è necessario lo sviluppo di nuovi approcci tecnologici per la produzione degli specchi radenti per raggi X, con tecnologie basate sull’uso di substrati sottili e leggeri. In Fig. 1 un sommario delle tecnologie allo studio per l’implementazione dell’ottica di LYNX.

Le shell monolitiche – studiate in questo contratto – rappresentano un unicum tra le tecnologie per le ottiche in fase di sviluppo. Mentre le altre tecnologie per la realizzazione di ottiche ad alta risoluzione angolare seguono diverse opzioni per la realizzazione di substrati segmentati da assemblare in un secondo momento, nel caso di shell monolitiche si mantiene l’obiettivo della semplicità riducendo il numero di parti da realizzare/integrare, passando da decine di migliaia a un paio di centinaia. In Fig. 1 è riportato il disegno optomeccanico realizzato da INAF-OABrera in grado di soddisfare i requisiti ottici di Lynx basato su shell monolitiche di vetro.   

La tecnica si basa sul polishing diretto di shell monolitiche, in cui una struttura di supporto temporanea opportunamente disegnata garantisce la corretta gestione del processo. Due esempi delle fasi della lavorazione sono riportati in Fig. 2 e in Fig. 3. Sulla sinistra il polishing realizzato con la macchina Zeeko presso INAF-OABrera e sulla destra il set-up che è stato predisposto per l’ion beam figuring. La finitura con IBF della superficie interna delle shell per astronomia X è unica a livello mondiale e il set-up presso INAF-OABrera è stato realizzato grazie ad un finanziamento precedente di ASI.

l processo di figuring della superficie ottica delle shell avviene attraverso una fase di grinding, Bonnet polishing e pitch polishing. Attraverso le attività svolte nei recenti contratti con ASI, abbiamo dimostrato la possibilità di gestire le diverse fasi del processo su un tornio al diamante opportunamente adattato. La ditta che si è resa disponibile (LT-Ultra) è in Germania e collabora proficuamente con INAF-OABrera da ormai molti anni a questa attività. Per alleggerire il carico di attività esterne e avere la possibilita’ di fare prove diverse, si e’ implementato un set-up per il polishing finale realizzato presso INAF-OABrera (Fig.5). 

In aggiunta ci sono attività dedicate alla diffusione della cultura scientifica e alla didattica. In particolare e' stata avviato lo sviluppo di materiale multimediale per introdurre a studenti e persone non esperte i fondamenti fisici del funzionamento in configurazione radente delle ottiche per raggi X.