České nanodružice VZLUSAT-1 a VZLUSAT-2 – Technická fyzika rentgenové optiky a detekce GRB

Program nanodružic VZLUSAT demonstruje transformaci akademických cubesatů na plně kvalifikované vědecko-průmyslové orbitální laboratoře.

• VZLUSAT-1: Standard 2U CubeSat ($100 imes 100 imes 227,mathrm{mm}$), suchá hmotnost $1{,}95,mathrm{kg}$. Plášť z eloxované hliníkové slitiny EN AW-7075 s pasivním termálním managementem (teplotní rozsah palubních systémů $-20,^circmathrm{C}$ až $+40,^circmathrm{C}$).
• VZLUSAT-2: Standard 3U CubeSat ($100 imes 100 imes 340,mathrm{mm}$), orbitální hmotnost $3{,}95,mathrm{kg}$. Vybaven tříosým aktivním systémem orientace a stabilizace (ADCS) integrujícím:
  • 3 miniaturní reakční kola (maximální moment hybnosti $h = 1{,}5,mathrm{mNcdot mcdot s}$).
  • Tříosé magnetické cívky (magnetorquery) pro desaturaci kol.
  • Hvězdné čidlo (star tracker) a digitální sluneční senzory s přesností orientace v prostoru $Delta heta < 0{,}1^circ$.

---

Optický systém račího oka vyvinutý pro VZLUSAT-1 vychází ze Schmidtovy pravoúhlé odrazné geometrie (Schmidt 1975).

Index lomu materiálů v rentgenové oblasti spektra je mírně menší než jedna:

kde decrement $delta$ závisí na elektronové hustotě materiálu $n_e$:

Totální odraz nastává pouze tehdy, když úhel dopadu fotonu $heta$ měřený od roviny zrcadla nepřekročí kritický pastýřský úhel (grazing angle):

Pro fotony o energii $E approx 1 ext{--}2,mathrm{keV}$ dopadající na zlatou odraznou vrstvu ($mathrm{Au},$
ho = 19{,}3,mathrm{gcdot cm^{-3}}) činí kritický úhel $heta_c approx 1^circ$.

Teleskop na VZLUSAT-1 tvořila soustava tenkých plátů z křemenného skla s nanesenou vrstvou zlata, uspořádaných do vzájemně kolmé mřížky se sférickým zakřivením o poloměru $R = 250,mathrm{mm}$.

• Ohnisková vzdálenost systému činila:

• Zorné pole dosahovalo úctyhodných $mathrm{FOV} approx 3{,}2^circ imes 3{,}2^circ$ s úhlovým rozlišením $sim 5$ obloukových minut, což představovalo ideální širokoúhlý monitor pro detekci slunečních záblesků třídy M a X a transientních astrofyzikálních zdrojů.

---

V ohnisku rentgenové optiky a jako hlavní radiační monitor byl umístěn hybridní polovodičový detektor Timepix (spolupráce ÚTEF ČVUT a konsorcia Medipix / CERN):

• Architektura čipu: Matice $256 imes 256$ čtvercových pixelů s roztečí $55,mumathrm{m}$, bump-bonded na planární křemíkový senzor o tloušťce $300,mumathrm{m}$.
• Režimy měření:
  1. Time over Threshold (ToT): Měří náboj indukovaný ionizující částicí v každém pixelu, což umožňuje přímou kalorimetrickou spektrometrii deponované energie $E_{mathrm{dep}}$.
  2. Medipix counting mode: Počítání jednotlivých kvant.
• Pattern recognition (rozpoznávání stop): Využitím algoritmů strojového učení dokáže Timepix z tvaru a distribuce náboje v pixelovém klastru (cluster shape analysis) jednoznačně odlišit:
  • Bodové zásahy (fotony rentgenu a gama).
  • Přímé tenké stopy (minimálně ionizující relativistické elektrony).
  • Široké zakřivené stopy (nízkoenergetické elektrony z rozptylu).
  • Masivní husté klastry (protony z radiačních pásů a těžká jádra HZE kosmického záření).

---

Družice VZLUSAT-2 nese sekundární astrofyzikální užitečné zatížení pro registraci kosmických záblesků gama (Gamma-Ray Bursts, GRB):

• Scintilační detektor: Krystal jodidu sodného dopovaného thalliem $mathrm{NaI(Tl)}$ o rozměrech $75 imes 75 imes 5,mathrm{mm}$ opticky navázaný na pole křemíkových fotonásobičů (SiPM, Silicon Photomultipliers).
• Energetický rozsah: $30,mathrm{keV}$ až $1,mathrm{MeV}$.
• Časové rozlišení: Sub-milisekundové časové značkování fotonových událostí synchronizované s palubním přijímačem GNSS (GPS/Galileo).
• Astrofyzikální triangulace: VZLUSAT-2 tvoří společně se slovensko-maďarsko-japonskou družicí GRBAlpha orbitální interferometrickou síť nanodružic. Porovnáním časových zpoždění příchodu čela rázové vlny gama záblesku $Delta t$ mezi jednotlivými družicemi s prostorovou bází $d sim 10^3 ext{--}10^4,mathrm{km}$:

lze zrekonstruovat polohu zdroje na obloze pro následná optická pozorování velkými pozemními dalekohledy (VLT, Keck). VZLUSAT-2 tak úspěšně detekoval desítky GRB včetně historicky nejjasnějšího záblesku GRB 221009A ("BOAT – Brightest Of All Time").