Kleines Lehrbuch der Astronomie und Astrophysik - Astronomie.de

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Teleskope, Detektoren, Meßgeräte
Für praktische astrophysikalische Aufgabenstellungen sind nicht nur die Energieverteilung und die
ungefähre Position einer Gammastrahlungsquelle interessant. Man möchte die Quellen dieser
hochenergetischen Strahlung möglichst direkt mit bekannten Objekten, die z.B. auch in anderen
Spektralbereichen Absonderlichkeiten aufweisen, identifizieren. Eine Identifikation erfordert aber eine
präzise Ortsbestimmung. Wie bereits erwähnt, sind alle sonst in der Astronomie verwendeten
Abbildungssysteme (wie z.B. Spiegel- und Linsensysteme) im Energiebereich oberhalb von 10 keV
unbrauchbar. Es gibt zwar Versuche mit sogenannten Bragg-Reflektoren, die aber alle noch im
Experimentierstadium sind. Man hat deshalb andere Methoden und Instrumente entwickelt, um das
Winkelauflösungsvermögen von Gammastrahlungsdetektoren zu verbessern. Neben der Lösung, wie
sie im Gammastrahlenteleskop COMPTEL realisiert ist, sind das spezielle Kollimatorblenden sowie
codierte Masken.
Ein Kollimator dient dazu, das Gesichtsfeld einer Detektoranordnung soweit einzuschränken, daß nur
die innerhalb eines kleinen Raumwinkelbereichs α einfallende Gammastrahlung den eigentlichen
Detektor erreicht. In der Praxis verwendet man beispielsweise honigwabenförmig angeordnete
„Röhren“ aus einem Gammastrahlung absorbierenden Material, die vor einer Detektorfläche (z.B.
einem NaI-Kristall) angeordnet werden. Das Verhältnis Durchmesser zu Höhe einer Röhre bestimmt
den Winkel α und damit das effektive Gesichtsfeld. Ein prinzipieller Nachteil eines solchen Detektors
besteht darin, daß zwei unterschiedliche Gammastrahlungsquellen, die innerhalb des Gesichtsfeldes
liegen, räumlich nicht getrennt werden können. Die logische Weiterentwicklung eines „starren“
Kollimatorsystems stellen die sogenannten Modulationskollimatoren dar. Bei ihnen verwendet man
zwei Gitteranordnungen, die in einem bestimmten Abstand über der eigentlichen Detektorfläche
befestigt sind. Das obere Gitter wirft dabei einen „Schatten“ auf das untere Gitter. Man nutzt dabei aus,
daß Strahlung, die nicht genau achsenparallel eintritt, durch das untere Gitter teilweise abgeschirmt
wird. Bewegt man die Detektoranordnung langsam über den Himmel, dann erhält man von den dabei
überstrichenen Strahlungsquellen ein „moduliertes“ Signal, aus dem die Richtungsinformation
senkrecht zur Gitterausrichtung extrahiert werden kann. Um die genaue Position einer
Gammastrahlungsquelle zu erhalten, sind deshalb mehrere „Scans“ mit unterschiedlicher
Gitterausrichtung notwendig (man kann die Anordnung auch während eines Meßzyklus um die
Symmetrieachse der Detektoranordnung rotieren lassen, wodurch ein sogenannter
Rotationsmodulationskollimator entsteht).
Das Prinzip der „Abschattung“ verwendet man auch bei Gammastrahlenteleskopen mit codierter
Maske. Das europäische Gammastrahlenobservatorium „INTEGRAL“ ist z.B. mit einem derartigen
Teleskop ausgestattet. Eine codierte Maske ist eine Art von Scheibe, die aus einem komplizierten
Muster aus strahlungsdurchlässigen und strahlungsundurchlässigen „Pixeln“ besteht. Dieses
Pixelmuster wird bei Strahlungseinfall in Form eines „Schattens“ auf die Detektorfläche (die logisch
auch in „Pixel“ aufgeteilt ist), projiziert. Über ein kompliziertes mathematisches Verfahren
(Autokorrelation) kann aus den Signalen der Detektorfläche und der Struktur der codierten Maske ein
zweidimensionales Abbild der Gammastrahlungsquelle am Himmel abgeleitet werden. Auf diese
Weise lassen sich deshalb auch diffuse Strahlungsquellen beobachten und ihre Struktur ermitteln. Im
Vergleich zu einem Compton-Teleskop erweisen sich das große Gesichtsfeld, das gute
Auflösungsvermögen von Punkt- und Flächenquellen sowie die bessere spektrale Auflösung als
Vorteile.