Study of an adjustable integration mold for X-ray optics

X-ray astronomy represents an important field for the study of high-energy celestial phenomena, which play a crucial role in the dynamics of the Universe. Most of the baryonic component of the Universe is locked up in a hot gas at temperatures of millions of degrees, and processes close to the event horizon of black holes occur at extreme energies, which require space-based observations in the X-ray portion of the electromagnetic spectrum. The study of these processes would explain how ordinary matter assembles in the large-scale celestial structures that we see today, and how the evolution of black holes shapes the Universe. Observations in the far, early Universe require large X-ray telescopes, with state-of-the-art optic modules organized in a nested system of hundreds of concentric mirrors. The fabrication of a high number of mirrors, each with different optical properties, is demanding both in terms of production time and costs. This thesis studies the realization of an adjustable mold that can be shaped into the different theoretical configurations needed for the mirrors. In order to define the best load configuration for the desired deformation, optimization methods have been implemented. First, a gradient based algorithm has been used to determine the optimal load distribution. A second approach consisted in using a global optimization algorithm, the Particle Swarm Optimization (PSO), which would explore more efficiently the solution space in order to obtain the optimal configuration. In addition to the traditional PSO, which uses a scalar objective function, a multi-objective version of the PSO algorithm has been adopted with the aim of differentiating the analysis in different regions of the mold. Moreover, a discussion over the possible material alternatives for the mold realization is presented, supported by results and observations from preliminary experimental tests.

L'astronomia a raggi X ha una grande importanza nello studio dei fenomeni ad alto contenuto energetico che svolgono un ruolo cruciale nelle dinamiche dell'Universo. La maggior parte della materia visibile dell'universo è bloccata all'interno di gas a temperature di milioni di gradi, e processi vicini all'orizzonte degli eventi dei buchi neri avvengono liberando energie estreme. Lo studio di questi fenomeni richiede osservazioni spaziali nel dominio a raggi X dello spettro elettromagnetico. Lo studio di questi processi spiegherebbe come la materia ordinaria si assembli nelle strutture celesti su larga scala che vediamo oggi e in che modo l'evoluzione dei buchi neri plasmi l'universo. La capacità di osservare fenomeni originatosi agli inizi dell'Universo, e pertanto, a grandi distanze, richiede telescopi a raggi X di grandi dimensioni, con moduli ottici all'avanguardia, organizzati in un sistema annidato di centinaia di specchi concentrici. La produzione di un numero elevato di specchi, ciascuno con diverse proprietà ottiche, presenta costi onerosi e tempi di produzione elevati. In questa tesi viene studiata la realizzazione di uno stampo regolabile che possa essere modellato nelle diverse configurazioni geometriche degli specchi a raggi X. Al fine di individuare la configurazione ottimale delle forze di attuazione per ottenere la deformazione desiderata, sono stati implementati metodi di ottimizzazione, integrati a delle analisi agli Elementi Finiti sulla struttura dello stampo. Innanzitutto, è stato utilizzato un algoritmo basato sul metodo del gradiente, per determinare la distribuzione ottimale del carico. Il secondo approccio è stato quello di utilizzare un algoritmo di ottimizzazione globale, l'Ottimizzazione con Sciami di Particelle (PSO), che esplori in modo più efficiente lo spazio delle soluzioni nella ricerca della configurazione ottimale, e che migliori l'affidabilità dei risultati ottenuti. Oltre al tradizionale PSO, che utilizza una funzione obiettivo scalare, è stata adottata una versione multi-obiettivo dell'algoritmo, con l'obiettivo di differenziare l'analisi in diverse regioni dello stampo. Inoltre, viene presentata una discussione sulle possibili alternative in merito ai materiali utilizzabili per la realizzazione dello stampo, supportata da risultati e osservazioni ottenuti da test sperimentali preliminari.