The development of the miniature X-ray telescope µROSI

Abstract

Within the scope of this work, a unique miniature X-ray telescope is developed, manufactured and tested. The µROSI (Micro Röntgen Satellite Instrument) telescope is the primary payload on board the South-Tyrolean nanosatellite Max-Valier. The satellite is developed by a team of South-Tyrolean amateur astronomers and technical schools with the support of the German space company OHB. The primary objective of the instrument is to conduct an all-sky survey and measure spectra of at least 100 bright sources in the soft X-ray bandwidth.

For the development of the telescope, the constraints for the satellite mission and the scientific objectives are elaborated. The scientific objectives are selected in such a way that the µROSI mission fills a niche among the big X-ray telescopes. This is achieved by selecting the same F-number and energy range as the successful ROSAT telescope and using a silicon drift detector (SDD) with high spectral resolution. Thus, the extensive database compiled in the ROSAT all-sky survey bright source catalogue can be enriched by µROSI with high resolution spectra.

Although the µROSI telescope is smaller by a factor of 10 in focal length compared to ROSAT, it requires the same subsystems as a large X-ray telescope: the mirror module to focus the X-ray radiation, the detector module to convert the radiation into electronic signals, the structure to provide mechanical stability, the thermal control subsystem to maintain the temperatures in specified limits and the electronics subsystem for signal and data processing.

In the course of this work, all subsystems are designed and tested with different development models. Special attention is paid to the mirror subsystem as well as the detector cooling subsystem.

Due to the short wavelength of X-ray radiation, the mirrors need to have extremely smooth surfaces. In order to achieve this, the mirrors are manufactured by an electrogalvanic forming process, which requires highly polished mandrels. The complete mirror shell manufacturing process, including the manufacturing and polishing of the mandrels, has been developed and verified by measuring one sample mirror shell in the PANTER X-ray test facility.

The detector cooling system is required as the spectral resolution of the detector depends on its temperature. In order to maintain a stable detector temperature in a low Earth orbit, the detector is connected to a specifically developed latent cold storage (LCS) which contains a phase change material. The LCS is connected to a radiator with a heat pipe making the whole system completely passive. All components for the thermal control system have been designed, manufactured and tested.

The structure of the telescope has been analysed, manufactured and tested with mass dummies in a random vibration test to verify its load capability and mechanical stability.

The detector module including the optical filter has been designed, manufactured and tested in a vacuum chamber to verify the integrity of the filter foil and the thermal properties of the detector housing.

The electronics required for retrieving signals and processing data from the detector module has been developed and tested using several breadboard models to verify the basic design functionality. A final X-ray test with a Fe-55 X-ray source demonstrated the spectral resolution capabilities of the combined detector and electronics system.

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein einzigartiges Miniatur-Röntgenteleskop entwickelt, gefertigt und getestet. Das µROSI (Micro Röntgen Satellite Instrument) Teleskop ist die Hauptnutzlast auf dem Südtiroler Nanosatelliten Max-Valier. Der Satellit wird von einer Gruppe aus Südtiroler Amateurastronomen und technischen Schulen mit der Unterstützung der deutschen Firma OHB entwickelt. Das primäre Missionsziel des Instruments ist es, eine vollständige Himmelsdurchmusterung durchzuführen und dabei Spektren von mindestens 100 hellen Quellen im weichen Röntgenspektrum zu messen.

Für die Entwicklung des Teleskops werden zunächst die Rahmenbedingungen für die Satellitenmission und die wissenschaftliche Zielsetzung erarbeitet. Die wissenschaftlichen Ziele wurden so gesteckt, dass die µROSI Mission eine Nische zwischen den großen Röntgenteleskopen ausfüllt. Dies wird erreicht, indem dieselbe F-Zahl und derselbe Energiebereich wie bei dem erfolgreichen ROSAT Teleskop verwendet wird und ein Silizium Drift Detektor (SDD) mit hoher spektraler Auflösung zum Einsatz kommt. Somit kann die umfangreiche Datenbank des ROSAT All-Sky Survey Bright Source Catalogue um hochauflösende Spektren erweitert werden.

Obwohl das µROSI Teleskop um den Faktor 10 in der Fokallänge kleiner ist als ROSAT, benötigt es die gleichen Subsysteme wie ein großes Röntgenteleskop: Das Spiegelmodul zur Fokussierung der Röntgenstrahlen, das Detektormodul zur Konvertierung der Strahlung in elektronische Signale, die Struktur zur Gewährleistung der mechanischen Stabilität, das Thermalkontrollsystem zur Einhaltung der spezifizierten Temperaturgrenzen und das Elektronikssytem zur Signal- und Datenprozessierung.

Alle Subsysteme werden im Rahmen dieser Arbeit für das µROSI Teleskop ausgelegt und mit verschiedenen Versuchsmodellen getestet. Besonderes Augenmerk liegt auf dem Spiegelsystem und dem Detektor-Kühlsystem.

Aufgrund der sehr kurzen Wellenlänge der Röntgenstrahlen benötigen die Spiegelschalen eine extrem glatte Oberfläche. Um diese zu erreichen, werden die Spiegel mit einem elektrogalvanischen Formprozess hergestellt, der extrem fein polierte Mandrels benötigt. Der komplette Fertigungsprozess der Spiegelschalen, inklusive Fertigung und Polieren der Mandrels wurde erfolgreich entwickelt und durch Messung einer Probeschale in der Röntgentestanlage PANTER verifiziert.

Das Detektor-Kühlsystem wird benötigt, da die spektrale Auflösung des Detektors von der Temperatur abhängig ist. Um die Detektortemperatur im niedrigen Erdorbit stabil zu halten, ist der Detektor mit einem eigens entwickelten Latentkältespeicher (LCS) verbunden, der ein Phasenübergangsmaterial enthält. Der LCS ist über eine Heat pipe mit einem Radiator verbunden, so dass das gesamte System komplett passiv arbeitet. Alle Komponenten des Thermalsystems sind erfolgreich entwickelt, gefertigt und getestet worden.

Die Teleskopstruktur wurde analysiert, gefertigt und mit Massendummies in einem Vibrationstest getestet, um die Lastaufnahme und die Stabilität der Struktur zu verifizieren.

Das Detektormodul inklusive des optischen Filters wurde designed, gefertigt und in einer Vakuumkammer getestet, um die Belastbarkeit der Filterfolie und die thermischen Eigenschaften des Detektorgehäuses nachzuweisen.

Die Elektronik, die für die Signalaufnahme vom Detektor und die weitere Datenprozessierung benötigt wird, wurde entwickelt und mit mehreren Breadboard Modellen getestet, um die Funktionalität nachzuweisen. Ein abschließender Röntgentest mit einer Fe-55 Quelle zeigte das spektrale Auflösungsvermögen des kombinierten Detektor-Elektronik Systems.