Institut für Astronomie und Astrophysik Abteilung Astronomie Sand 1, D-72076 Tübingen, Germany
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Dissertation Ulrich Briel

Entwicklung und Test von Spektroheliographen zur Aufnahme der Sonne im weichen Röntgenlicht

Summary.
Die Sonne ist die am längsten bekannte Röntgenquelle am Himmel. Sie emittiert aus dem sie umhüllenden heißen Plasma, der Korona, ein weiches Röntgenkontinuum, welchem eine Vielzahl scharfer Emissionslinien hochionisierter Atome überlagert ist. Besonders hohe Emission erhält man aus Störgebieten der Korona, den Aktivitätsgebieten, welche eng mit den Sonnenflecken der Photosphäre korreliert sind. Um physikalische Vorgänge in den Aktivitätsgebieten, wie z.B. deren Entstehung oder den Aufheizmechanismus verstehen zu lernen, braucht man Modelle der Störgebiete, an denen dann die Eigenschaften untersucht und mit den Beobachtungen verglichen werden können. Dazu ist es nötig, die Aktivitätsgebiete mit hoher räumlicher und spektraler Auflösung abzubilden. Aus einer Serie von Aufnahmen im Lichte einzelner Emissionslinien wird es möglich sein, eine dreidimensionale Dichte- und Temperaturverteilung abzuleiten.
Um diesem Ziel einen Schritt näherzukommen, wurden in der vorliegenden Arbeit zwei Spektroheliographen entwickelt und getestet und für einen Raketenstart vorbereitet. Von den zwei prinzipiell möglichen Röntgenoptiken wurde in Fortsetzung früherer Arbeiten des hiesigen Institutes die der Fokussierung durch Fresnelsche Zonenplatten gewählt, welche für beide Kameras einen Durchmesser von 2.4 mm und eine Brennweite von 700 mm hatten. Die spektrale Vorzerlegung wurde auf zwei unterschiedliche Arten bewerkstelligt. Bei einer der beiden Kameras (Spektroheliograph ET3) wurden Metallabsorptionsfilter eingesetzt. Dazu wurde ein Optimierungsprogramm erstellt, welches, ausgehend von einem aus früheren Aufnahmen errechnetem Röntgenspektrum von 15 bis 55 Å, die Bestrahlung in der Bildebene als Funktion des Absorptionsmaterials und der Schichtdicke berechnet. Ein wesentlicher Punkt in der Rechnung ist die Berücksichtigung der wellenlängenabhängigen Brennweite der Zonenplatte. Es konnte gezeigt werden, daß bei dem vorausgesetzten Röntgenspektrum eines der Absorptionsfilter so ausgelegt werden könnte, daß man mit ihm ein Bild in nur einer Emissionsliniengruppe erhalten würde.
In der anderen Kamera (Spektroheliograph ET1) wurden zur spektralen Zerlegung des ankommenden Röntgenlichts ebene Reflexionsgitter verwendet. Die derzeit mit der besten Reflektivität erhältlichen Gitter für das weiche Röntgengebiet sind die "Blazegitter", bei denen durch eine spezielle Formgebung der Gitterfurchen eine Erhöhung der Effizienz in eine höhere Beugungsordnung auf Kosten hauptsächlich der 0. Ordnung erzielt wird. Theoretische Betrachtungen anderer Autoren zur Reflektivität von Blazegittern wurden weitergeführt. Es konnte eine Formel angegeben werden, mit der unter Voraussetzung eines idealen Blazegitters die Reflektivität in die m-te Beugungsordnung in Abhängigkeit des Einfallswinkels und der Wellenlänge, sowie die vom betreffenden Gitter abhängigen Größen Gitterkonstante, Blazewinkel und Oberflächenbeschichtung berechnet werden kann. Zum Vergleich mit den Rechnungen, aber auch zur Absoluteichung der Kamera wurde die Effizienz der Gitter in die -1. Ordnung als Funktion des Einfallswinkels im Wellenlängenbereich zwischen 13.3 und 44.7 Å vermessen. Der qualitative Verlauf der Kurven entspricht denen der gerechneten; Abweichung in der absoluten Reflektivität können mit dem vom Gitterhersteller nur mit großem Fehler angegebenem Blazewinkel begründet werden.
Zur Überprüfung der Justierung von Zonenplatte und Gitter wurden mit der Kamera im Labor Aufnahmen gemacht. Bei Verwendung eines feinmaschigen Netzes als Abbildungsobjekt ergab sich in 0. Ordnung des Gitters eine Abbildung hoher Auflösung. In -1. Ordnung dagegen wurden die Stege nur parallel zur Dispersionsrichtung aufgelöst. An Hand einer Abbildung eines kreisrunden Loches konnte gezeigt werden, daß unter denen im Labor vorliegenden Bedingungen eine Auflösung der senkrecht zur Dispersionsrichtung liegenden Stege nicht möglich ist, da man in Dispersionsrichtung durch die große Linienbreite der Röntgenstrahlen und durch die Divergenz des Strahlenbündels von jedem Objektpunkt im Bild einen Strich erhält.
Beide Kameras waren Teil der Nutzlast Astro 1/2 im nationalen Astronomieprogramm. Die Mission vom 14.3.1975 in Woomera (Südaustralien) brachte in allen 6 Kanälen der Kamera ET3 auswertbare Aufnahmen in den Fe XVII - Emissionslinien bei 15.1 und 16.9 Å und in den OVII- und OVIII-Emissionslinien bei 19.0 und 21.7 Å, für die die Kanäle ausgelegt waren. Durch einen Fehler im Fallschirmsystem wurde bei der Landung die Nutzlast so stark beschädigt, daß, im Gegensatz zur Kamera ET3, die Filme der Kamera ET1 vernichtet wurden.
Als Abschluß der vorliegenden Arbeit wurde eine vorläufige Auswertung der Röntgenaufnahmen durchgeführt. Dazu mußten zuerst die Schwärzungskurven der verwendeten Filme bestimmt werden.
Auf Grund der Kleinheit des Aktivitätsgebietes bildet der Zonenplattenhalo eine ziemlich gleichmäßig geschwärzte, fast kreisrunde Scheibe, die dem Bild des Aktivitätsgebietes überlagert ist, und die im äußeren Bereich frei von Strukturen des Bildes in I.Ordnung ist. Daher konnte in diesem Bereich Filterspektroskopie getrieben werden, die eine Energieverteilung der vier oben genannten Liniengruppen lieferte, welche in relativ guter Übereinstimmung mit einem kürzlich gemessenem Spektrum liegt.
Es wird ein Iterationsverfahren angegeben, welches, ohne auf Linienintensitäten aus theoretischen Berechnungen zurückgreifen zu müssen, die mit Farbfehlern behafteten Aufnahmen in 1. Ordnung zu in jeweils der gewünschten Liniengruppe spektralreine Bilder umwandelt. Für die in den Sauerstoffemissionslinien erhaltenen Aufnahmen wurde das Verfahren durchgeführt, aus den dadurch erhaltenen Intensitätsverteilungen mit Hilfe der in der Literatur bekannten Verfahren eine Temperatur- und Emissionsmaßverteilung errechnet. In der Emissionsmaßverteilung zeigt sich eine deutlich ausgeprägte bogenförmige Struktur, welche, wie in Verbindung mit einem Magnetogramm des Aktivitätsgebietes zu erkennen ist, die beiden magnetischen Polaritäten miteinander verbindet.
In der Temperaturverteilung zeigen sich zwei scharfe Temperaturmaximas, die in der Nähe der Fußpunkte der Bogenstruktur liegen. In guter Übereinstimmung mit der Emmissionsmaßverteilung deutet sich auch hier die bogenförmige Struktur an.
 

Dissertation (123,77 Mb PDF file including figures)

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| Impressum Last modified 08 Aug 2011