Laue gamma-ray lenses for space astrophysics:status and prospects
Filippo Frontera, Peter Von Ballmoos
我们审查的可行性研究，技术发展和天体物理前景劳厄透镜致力于硬X-/γ射线天文观测。
We review feasibility studies, technological developments and astrophysical prospects for Laue lenses devoted to hard X-/gamma-ray astronomy observations.
机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。
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Laue lenses: Focusing optics for hard X/soft Gamma-ray Astronomy
硬X射线/软伽马射线天文学是研究重要天体物理现象的关键领域，如引力波、伽马射线暴、黑洞物理学等的电磁对应物。然而，空间定位，成像能力和灵敏度的测量是非常有限的能量范围$>$ 70千电子伏，由于缺乏在这个能量带操作的聚焦仪器。新一代适合聚焦硬X射线/软伽马射线的仪器对于揭示天体物理现象的性质是必要的，由于目前直视望远镜的限制，天体物理现象的性质仍然不清楚。劳埃透镜可以满足这些需求。劳厄透镜是一种光学器件，由大量适当取向的晶体组成，这些晶体能够通过劳厄衍射将辐射集中到共同的劳厄透镜焦点。与通常用于较软X射线的掠入射望远镜相比，劳厄透镜的透射配置使我们即使在数百keV的能量下也能获得显著的敏感区域。在费拉拉大学，我们正积极致力于宽带劳厄透镜的建模和构建。在这项工作中，我们将介绍劳厄透镜背后的主要概念和TRILL（劳厄透镜的技术成熟度提高）项目的最新技术发展，该项目致力于通过开发由锗的圆柱形弯曲晶体制成的透镜部门的第一个原型来提高劳厄透镜的技术成熟度。
The LAUE project for broadband gamma-ray focusing lenses
我们介绍了LAUE项目，致力于开发一种先进的技术，建立一个高焦距劳厄透镜的软伽玛射线天文（80-600千电子伏）。最终目标是开发一种聚焦光学器件，可以将上述能带的电流灵敏度提高2个数量级。
New results on focusing of gamma-rays with Laue lenses
我们报告的新成果的硬X-/γ射线天文学（70/100-600千电子伏）的宽带劳厄透镜的发展活动。在开发出第一个原型之后，其性能在去年在马赛举行的SPIE天文望远镜会议上进行了展示（Frontera等人，2008年），我们改进了镜头组装技术。我们目前的发展状况的新镜头的原型，这是组装的方式。
Hard x-ray broad band Laue lenses (80 - 600 keV): building methods and performances
本文介绍了劳厄计划的现状，该计划致力于开发一种用于硬X射线/软γ射线天文学（80 - 600 keV）的20米长焦距劳厄透镜的技术。劳厄透镜由砷化镓（GaAs，220）和锗（Ge，111）的弯曲晶体组成，并且第一次将弯曲晶体的聚焦特性用于该应用领域。我们显示的初步结果有关的粘合剂用于固定的晶体瓦的镜头支持，获得的定位精度和可能的进一步改进。将在几个月内完成的劳厄透镜瓣具有80 - 300 keV的通带，并且是能够聚焦高达600 keV的X射线的整个劳厄透镜的一小部分，可能利用合适的低吸收晶体材料和焦距延伸到20 - 30 keV。最终的目标是开发一种聚焦光学系统，可以将当前望远镜在该能带的灵敏度提高2个数量级。
Laue lenses for hard X-/soft Gamma-rays: new prototype results
我们提出的结果与新的劳厄透镜原型建立在拉里克斯设施在费拉拉大学物理系。根据在马赛SPIE会议上提出的第一个原型的结果，并感谢用于改进原型的方法（在圣地亚哥的SPIE会议，Ferrari等，2009），在这里，我们提出了新原型的结果，在点扩散函数（PSF）和光谱响应方面具有改进的性能。
A genetic algorithm to design Laue lenses with optimal performance for focusing hard X- and gamma-rays
为了聚焦硬X射线和伽马射线，可以使用劳厄透镜作为聚光器。有了这种光学工具，就有可能改善对辐射的探测，用于多种应用，从观察天空中最剧烈的现象到核医学应用，用于诊断和治疗目的。一个名为劳埃根，基于遗传算法，旨在设计优化的劳埃透镜，已经实施。选择遗传算法是因为劳厄透镜的优化是一个复杂的离散化问题。输出的代码包括在设计的劳厄透镜组成的衍射晶体选择和安排，以这种方式，以最大限度地提高透镜的性能。该代码允许管理任何材料和晶体取向的晶体。程序的结构使得用户可以控制镜头的所有初始参数。因此，劳厄根是高度通用的，可用于设计非常小的镜头，如核医学，非常大的镜头，如卫星搭载的天体物理任务。
Developing a method for soft gamma-ray Laue lens assembly and calibration
劳厄透镜构成了一个有前途的选择，集中软伽马射线与大收集面积和合理的焦距。在天文学中，它们可以使望远镜的灵敏度提高一到两个数量级，特别是对于微弱的核伽马射线线，而且对于来自各种紧凑物体的连续体状硬X射线尾也是如此。其他领域，如国土安全和核医学，也同样需要更灵敏的伽马射线探测系统，并可以找到伽马射线聚焦光学的应用。开发劳厄透镜有两个主要挑战：寻找高反射率和可再生的晶体，以及开发一种方法来精确定位和固定构成透镜的数千个晶体。在本文中，我们专注于第二个主题。我们使用专用的X射线光束线和劳厄透镜组装站来构建由15个晶体制成的试验板透镜。这使我们能够测试我们的工具和方法，以及我们的模拟代码和校准程序。虽然确定了一些关键点，但结果非常令人鼓舞，晶体取向分布低于$10''$，这是建造专门用于研究Ia型超新星的劳厄透镜望远镜（30米焦距）所需的。该试验板镜头代表了提高劳厄镜头技术准备水平的重要一步。
Soft gamma-ray optics: new Laue lens design and performance estimates
劳厄透镜是一种基于晶体衍射的新兴技术，可以集中软伽马射线。这种工作在100 keV - 1.5 MeV波段的光学器件可用于实现高灵敏度和高角分辨率的望远镜（在窄视场中）。本文综述了近年来在高效晶体的研制、劳厄透镜的设计研究和模型化方面所取得的进展。以100 keV - 600 keV波段20 m焦距透镜聚焦的新概念为例，介绍了基于劳厄透镜的望远镜的性能。该镜头在每个子能量范围内使用最有效的镶嵌晶体，以产生最大的反射率。成像能力进行了调查，并显示出可喜的成果。
Focusing effect of bent GaAs crystals for gamma-ray Laue lenses: Monte Carlo and experimental results
本文报道了砷化镓（GaAs）晶体（220）面聚焦效应的观测结果。我们已经比较了实验结果与模拟的GaAs瓦的聚焦能力，通过开发的Monte Carlo。GaAs瓦使用cnr/ien-Parma（意大利）在laue项目框架内开发的研磨工艺弯曲，该项目由ASI资助，致力于构建用于硬X-/软伽马射线能量范围（80-600 keV）的天体物理应用的宽带Laue透镜原型。我们提出并讨论了从他们的表征，主要是在聚焦能力方面获得的结果。弯曲晶体将显著提高基于劳厄透镜的望远镜的信噪比，从而导致相对于目前的非聚焦仪器的灵敏度的空前提高。
CdTe Spectroscopic-Imager Measurements with Bent Crystals for Broad Band Laue Lenses
在天体物理学中，硬X软伽马射线范围（100 keV以上）的几个关键问题需要灵敏度和角分辨率，这是目前技术难以实现的。因此，一种能够聚焦硬X射线和伽马射线的新型仪器是必不可少的。宽带劳厄透镜似乎是满足这些要求的唯一解决方案，它显著提高了X射线和伽马射线望远镜的灵敏度和角分辨率。这种类型的高能光学器件将需要在检测效率、空间分辨率和光谱学方面具有高性能的焦平面检测器。本文介绍了在项目“劳厄透镜技术准备增加（TRILL）”框架中使用Caliste-HD探测器模块所获得的结果。该探测器是在CEA（Commissiona Energie Atomique，Saclay，France）开发的像素光谱仪。它用于在LARIX设施（意大利费拉拉大学）的硬X射线束下获取劳厄透镜弯曲晶体产生的焦斑的光谱图像。
Characterization of bent crystals for Laue lenses
在LAUE项目的背景下，致力于建立一个长焦距的软$γ$射线天文学（80 - 600 keV）聚焦光学系统，我们提出了不同配置的弯曲晶体的反射率测量的结果，通过弯曲完美或镶嵌平面晶体。我们还比较了这些结果与使用平面晶体。使用费拉拉大学LARIX设施中使用的X射线管的钨阳极的K $α$线进行测量。最终确定这些结果以选择最佳材料并优化将用于构建劳厄透镜瓣的晶体瓦片的厚度，所述劳厄透镜瓣是整个劳厄透镜的一部分，具有20 m焦距和100-300 keV通带。LAUE项目的最终目标是克服当前一代$γ$射线望远镜的灵敏度极限，至少提高两个数量级，并提高当前$γ$射线成像能力。
Technologies for tunable gamma-ray lenses
可调谐伽玛射线透镜已被证明是一个有前途的替代经典的固定能量劳厄透镜在过去的讨论。我们在这里描述我们的开发工作的微型基座与单轴倾斜调整。我们还概述了我们的光学系统的设计，能够监测所需的许多晶体的对齐。可调晶体基座的另一个好处是它缓解了对晶体安装的高精度要求和对晶体安装在其上的支撑平台的长期稳定性的严格要求。此外，将单个晶体安装在单独的基座上有利于使用双层晶体。关键词：伽玛射线天文学，望远镜技术，劳厄透镜
Hard X-ray/Soft gamma-ray Laue Lenses for High Energy Astrophysics
本文探讨了利用Laue透镜在高能天体物理学中实现软伽马射线天文观测的可行性，分析了当前仪器的局限性及透镜技术的潜在应用。
Laue and Fresnel lenses
本文介绍了基于衍射的 Laue 和 Fresnel 伽马射线透镜的基本概念、工作原理与特性，以解决未来任务中通量聚束的灵敏度需求。
The TRILL project: increasing the technological readiness of Laue lenses
TRILL项目针对硬X/软伽马射线天文观测需求，通过大规模制备弯曲锗、硅晶体并改进晶体对准技术，提升劳厄透镜的技术成熟度，以支持未来气球实验和空间聚焦望远镜任务。
Development status of the LAUE project
我们介绍了LAUE的现状，该项目由意大利航天局（ASI）支持，致力于开发用于硬X射线/软伽马射线天文学（80-600 keV）的长焦距（可达100米）劳厄透镜。由于它们的聚焦能力，设计目标是将当前仪器在上述能带中的灵敏度提高2个数量级，低至$10^{-8}$光子/（cm $^2$ s keV）的几倍。
Scientific prospects in soft gamma-ray astronomy enabled by the LAUE project
本文总结了一个成功的项目，LAUE的发展，由意大利航天局（ASI）的支持，并致力于发展长焦距（高达100米）劳厄透镜的硬X-/软伽马射线天文学（80-600千电子伏）。该设备已准备就绪，原型透镜瓣的组装正在进行中。这个项目的伟大成就是使用弯曲晶体。从单晶上获得的测量和模拟，我们已经估计了预期的点扩散函数，从而花瓣制成的透镜的灵敏度。预期灵敏度为几个$\times10^{-8}$光子cm $^{-2}$ s $^{-1}$ keV $^{-1}$。我们讨论了一些开放的天体物理学问题，可以解决这样一个仪器搭载在一个自由飞行的卫星。
Developing a second generation Laue lens prototype: high reflectivity crystals and accurate assembly
劳厄透镜是一种新兴技术，它将在\sim 100千电子伏至\sim 1.5兆电子伏范围内的选定能带内使伽马射线望远镜的灵敏度提高一到两个数量级。这种光学系统将特别适合于观测微弱的伽马射线线，这是研究超新星和银河系正电子湮灭所需要的。它也可以证明是非常有用的研究硬X射线尾巴从各种紧凑的对象，特别是通过提供足够的灵敏度偏振焦平面探测器测量的差异。我们的团队一直在解决与第一代劳厄透镜原型相关的两个关键问题，以提高性能：获得大量高效晶体，并开发一种方法，将它们以准确的取向和致密的填充因子固定在基底上。我们目前正在进行的研究，旨在使大量的晶体适合在500千电子伏以上的能量衍射的初步结果。此外，我们展示了在SSL/UC Berkeley使用我们的光束线组装的劳厄透镜原型的第一个结果，这证明了我们能够以几个弧秒的精度定向和粘合晶体，这是高效劳厄透镜望远镜所需的。
Recent developments in Laue lens manufacturing and their impact on imaging performance
本文研究了由11块弯曲锗晶体构成的劳厄透镜扇区的制造与对准技术，通过蒙特卡洛模拟验证对准误差对点扩散函数的影响，并外推证明当前技术可实现半功率直径4.8角分的聚焦性能，有望提升50-600 keV能段观测灵敏度。
Experimental and theoretical study of diffraction properties of various crystals for the realization of a soft gamma-ray Laue lens
晶体是劳厄透镜的基本组成部分，劳厄透镜是一种新兴技术，可以使空间望远镜在100千电子伏至1.5兆电子伏的能量范围内比现有望远镜灵敏10至100倍。这项研究解决了目前的努力，以发展有效的晶体实现劳厄透镜。在理论部分，考虑了35个候选晶体，包括纯晶体和双组分晶体。假设它们是镶嵌晶体，计算了它们在100 keV、500 keV和1 MeV处的峰值反射率。其结果是，仔细选择的晶体可以允许在整个能量范围内的反射率超过30%，甚至在其较低的部分达到40%。在实验上，我们集中在三种不同的材料（Si_{1-x} Ge_x与梯度的组成，镶嵌铜和金），已被测量在ESRF和ILL使用高度单色光束范围从300 keV到816 keV。目的是检查它们的均匀性、质量和角展度（镶嵌性）。这些晶体表现出出色的性能，例如在~600 keV（Au）下反射率高达31%或在300 keV（SiGe）下反射率高达60%，并且对于Cu的角展度低至15 arcsec，非常好地满足劳厄透镜应用的要求。出乎意料的是，我们还注意到，当使用各种能量测量晶体时，与达尔文的模型存在重要差异。
Wide band, tunable gamma-ray lenses
本文提出了一种在兆电子伏能区建造天文望远镜的新概念。该概念建立在晶体布拉格衍射的基础上，过去曾讨论过这一点，但到目前为止，在宽能量范围内具有良好灵敏度的设计似乎遥不可及。在本文中，我们指出，如果我们找到方法来调整，在轨道上，在透镜中的所有晶体的个人倾斜，这将允许一个单一的透镜，以良好的效率，覆盖从200千电子伏到2.5兆电子伏的全部范围内的能量在几个观察步骤。其次，我们注意到使用具有双晶体层的透镜将显著增加光子收集。在随附的论文中，我们更详细地描述了我们的整体镜头设计，并提出了我们的第一个原型倾斜调整基座与个别镜头面使用。Keyords：Gamma ray astronomy，Telescope technology，Laue lenses
Feasibility study of a Laue lens for hard X-rays for space astronomy
我们报告的可行性研究劳厄透镜的硬X射线（>60千电子伏）镶嵌晶体的基础上，天体物理学的应用。特别是我们讨论的科学动机，其功能原理，遵循的程序，选择合适的晶体材料，通过建立晶体尺寸和它们的分布在透镜上，以获得最佳的透镜聚焦能力的标准，并在给定的通带优化透镜有效面积的标准。我们还讨论了由于组装透镜时不可避免的机械误差而导致的晶体瓦片未对准的影响。开发了一个软件来面对所有这些主题，并评估预期的镜头性能。
Fast and Scalable Production of Stacked Prism X-ray Lenses for Astrophysics Using Two-Photon Polymerization
本文通过双光子聚合技术快速制造堆叠棱镜X射线透镜，提升了制造效率和几何精度，初步实验显示其效率和光学性能优越，为X射线望远镜的发展奠定基础。
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