Focalisation et vol en formation

De façon similaire à ce qui est fait dans la mission XMM-Newton, Simbol-X focalise le rayonnement X à l’aide d’une optique à miroirs attaqués en incidence rasante. Mais appliquer cette technique pour focaliser des photons de plusieurs dizaines de keV requiert une très grande distance focale irréalisable dans le cadre d’un satellite unique. La solution adoptée pour le projet Simbol-X consiste à répartir la charge utile sur deux satellites séparés de 20 mètres, l’un portant les miroirs, l’autre le module de détection. Cette configuration innovante est appelée vol en formation.

Informations complémentaires sur la focalisation des rayons X et le vol en formation

A gauche : principe d’une optique à rayons X en configuration de Wolter I. Elle combine deux surfaces de révolution aux formes paraboliques et hyperboliques sur lesquelles les photons sont réfléchis en incidence rasante. Une image du ciel est ainsi formée au plan focal sur lequel se concentre le rayonnement incident. A droite : vol en formation. Le module contenant le miroir (a) est découplé du satellite abritant le plan de détection (b). Les photons incidents sont focalisés sur les détecteurs constituant le plan focal. Les deux modules sont séparés entre eux de 20 mètres et la précision de positionnement requise à chaque instant est de 1 cm.

Miroirs et plans de détection

Des miroirs dotés d’un revêtement multicouches

Le miroir de Simbol-X est basé sur la même technologie que celle utilisée pour les miroirs d’XMM-Newton, c’est à dire sur une série de coquilles concentriques en nickel (58 pour XMM-Newton, 100 pour Simbol-X), recouvertes d’un matériau réflecteur. Dans le cas d’XMM-Newton, il s’agit d’une couche d’or. Dans le cas de Simbol-X, ce matériau est constitué d’une succession de couches en platine et en carbone. Cette technologie, dite multicouches, permet d’augmenter le champ de vue de l’instrument et d’étendre le domaine spectral.

A gauche, le miroir du satellite XMM-Newton. Le miroir de Simbol-X est basé sur le même principe, une série de 100 coquilles dont la plus externe possède un diamètre de 70 cm. A droite, la surface efficace de collection en cm2 du miroir de Simbol-X en fonction de l’énergie (cliquez pour agrandir).

Un plan de détection bicéphale

Le plan focal contient deux caméras qui détectent les photons incidents (voir schémas ci-dessous). La première en vision directe du miroir est un détecteur en silicium sensible jusqu’à environ 20 keV et transparent aux photons d’énergie supérieure. Chaque pixel, 16384 au total (128×128), mesure 625 micromètres de coté et son épaisseur est de 450 micromètres. La seconde caméra est placée juste en dessous (à moins de 1 cm) et est quant à elle constituée d’une mosaïque de détecteurs en Cd(Zn)Te, capable de mesurer les photons d’énergie supérieure à 4 keV. Elle est formée d’un assemblage de huit secteurs identiques, eux-mêmes constitués de huit modules de 64 éléments individuels ou pixels (également de 625 micromètres de coté) soit au total une caméra comprenant 16384 pixels. Cette caméra arrête et mesure tous les photons de haute énergie qui traversent le plan silicium.

Ces deux plans de détection sont des plans imageurs dont la taille sur le ciel est six secondes d’arc. Ces plans imageurs sont entourés d’un détecteur faisant office de blindage contre tous les rayonnements parasites, source de dégradation de la qualité de l’image. Cette caméra bicéphale donne pour chaque photon incident sa position dans le plan focal, son énergie, ainsi que son temps d’arrivée.

A gauche : schéma de principe de détection de Simbol-X. Les photons focalisés par le miroir traversent tout d’abord un filtre optique (en bleu) destiné à bloquer la lumière visible qui perturbe le fonctionnement du détecteur basse énergie. Suivant leur énergie, les photons X sont ensuite détectés dans le premier ou le second plan de détecteurs. Le système d’anticoïncidence (en orange) permet de rejeter les photons X parasites créés dans la matière du satellite par les particules cosmiques. Les plans détecteurs couvrent une surface de 64 centimètres carrés. A droite : un schéma détaillé des deux plans imageurs. Le détecteur basse énergie (carré rouge) et son électronique intégrée (en grisé) sont situés juste au dessus du plan de détection haute énergie. Celui-ci est constitué d’une matrice de détecteurs en CdTe (damier noir) composé de plus de 16000 détecteurs individuels associée à une électronique de lecture spécialement étudiée dans le cadre de ce projet. (crédits CEA, cliquez pour agrandir)

Principales caractéristiques du plan focal et performances attendues

Les principales caractéristiques du plan focal de Simbol-X ainsi que la courbe de sensibilité du télescope sont données ci-dessous.

Simbol-X

Module plan focal

Caméras2 caméras de 8×8 cm², chacune constituée de 128×128 pixels (625 µm chacun)domaine spectral0,5 – ~100 keV
caméra basse énergie : 0,5 – 25 keV,
caméra haute énergie : 4 – 100 keVrésolution en énergie150 eV @ 6 keV, 1.3 keV @ 68 keVrésolution temporelle

100 microsecondes