Calibration of the MEGA prototype [Elektronische Ressource] : hardware and performance of a combined tracking Compton and low-energy pair creation telescope / Robert Manfred Andritschke

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• Publié par: technische_universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2006
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Extrait

Calibration of the MEGA Prototype
Hardware and Performance of a Combined Tracking Compton
and Low-Energy Pair Creation Telescope
Robert AndritschkeTechnische Universität München
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik
Garching bei München
Calibration of the MEGA Prototype
Hardware and Performance of a Combined Tracking Compton and Low-Energy
Pair Creation Telescope
Robert Manfred Andritschke
Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Physik der Technischen Universität München zur Erlangung
des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
genehmigten Dissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. Andrzej Jerzy Buras
Prüfer der Dissertation: 1. apl. Prof. Dr. Volker Schönfelder
2. Univ.-Prof. Dr. Franz von Feilitzsch
Die Dissertation wurde am 20.11.2006 bei der Technischen Universität München eingereicht und durch
die Fakultät für Physik am 01.12.2006 angenommen.Zusammenfassung
In den vergangenen Jahrzehnten entwickelte sich die -Astronomie zu einem wichtigen Zweig der Astro-
physik. Insbesondere im Energiebereich von wenigen 100 keV bis zu einigen 10 MeV läßt sich eine große
Vielzahl physikalischer Prozesse beobachten — zum Beispiel die Nukleosynthese, die Positronenanni-
hilation, Synchrotronstrahlungs- und Bremsstrahlungsemissionen, der Pionenzerfall und die inverse Comp-
tonstreuung. Eine erste Himmelsdurchmusterung wurde mit dem COMPTEL Teleskop auf dem Compton
Gamma-Ray Observatory (1991-2000) durchgeführt. Tiefe Einblicke in eine Reihe von Objekten erhalten
wir derzeit von INTEGRAL. Um die hochenergetischen Prozesse und die Zyklen, die Materie im Univer-
sum durchläuft, weiter zu verstehen, wird eine neue Satellitenmission benötigt.
Dieser Aufgabe wird ein Instrument namens MEGA (Medium Energy Gamma-ray Astronomy) gerecht.
Sein Detektorkonzept vereint die Abbildungs- und Spektroskopieeigenschaften eines Compton- und Paa-
rerzeugungsteleskops im Energiebereich von 0.4 bis 50 MeV. Am Max-Planck-Institut für extraterrestri-
sche Physik wurde ein Prototyp von MEGA gebaut und seine Eigenschaften einerseits mit radioaktiven
Laborquellen und andererseits anhand einer Beschleunigermessung bestimmt.
Das Instrument besteht aus einem Spurdetektor und einem Kalorimeter. Der Spurdetektor stellt den zen-
tralen Teil des Detektors dar. Hier findet die primäre Wechselwirkung (Comptonstoß oder Paarerzeugung)
statt. Er besteht aus elf Lagen doppelseitiger Siliziumstreifenzähler. In diesen Lagen können die Spuren
geladener Teilchen aufgezeichnet werden, so wie es sowohl für einen spurverfolgenden Comptonstoßde-
tektor als auch ein Paarerzeugungsinstrument notwendig ist. Im Mittel beträgt die Energieauflösung des
Spurdetektors 9.7 keV (1 bei 122 keV und Raumtemperatur).
Der Spurdetektor ist an seinen Seiten und seinem Boden von 20 Kalorimeterblöcken umgeben. Das Kalo-
rimeter absorbiert die sekundären Teilchen, die aus den Spurdetektor verlassen. Jeder Block umfaßt eine
10 12 Matrix aus CsI(Tl) Szintillatorkristallen, die an Silizium-PIN-Dioden gekoppelt sind. Die Blöcke
am Boden erlauben eine dreidimensionale Auflösung der Wechselwirkungsposition, die durch zweiseitige
Auslese der Kristalle erreicht wird. Ein neu entwickelter Algorithmus erlaubt eine Eichung der Energie
und der Position von Wechselwirkungen in einzelnen Kristallen auch auf Basis von Kalibrationsdaten mit
niedriger Statistik. Im Mittel ergibt sich eine Energieauflösung des Kalorimeters von 38 keV (1 bei 662
keV) und eine Tiefenauflösung von unter 2 cm für Energiedeposits oberhalb von 3 MeV.
Die Detektoren werden von einem System ausgelesen, das eigenständig auf die 10000 Detektorkanäle
reagiert. Die Datenrate wird durch einen flexiblen Ereignisfilter begrenzt, der in der Ausleseelektronik
implementiert ist.
Eichmessungen mit radioaktiven Laborquellen decken nur den niederenergetischen Teil des Energiespek-
trums ab. Deshalb wurde der Prototyp an der High Intensity Gamma-ray Source (HIGS) der Duke Uni-
versity (Durham, N.C., USA) mit monoenergetischer, vollständig polarisierter -Strahlung im Bereich von
0.7 bis 50 MeV bestrahlt.
Aus diesen Messungen wurden die Charakteristika des Prototypen, d.h. seine Eigenschaften als Compton-
und Paarerzeugungsteleskop, ermittelt: Seine Energieauflösung beträgt 41 keV (1 bei 0.7 MeV), das
2Gesichtsfeld ist größer als 160 und der Prototyp hat eine effektive Fläche von typisch 1 2 cm .
IAbschließend werden die mit dem Prototypen gesammelten Erfahrungen zusammen mit Verbesserungsvor-
schlägen diskutiert. So wurde die Elektronik als schwächstes Glied des Gesamtsystems identifiziert, aber
auch Änderungen an den Detektoren (z.B. Siliziumdriftdetektoren zur Auslese der Kalorimeterkristalle)
versprechen eine Leistungssteigerung des Teleskops.
Dieser Prototyp hat eindeutig bewiesen, dass das neue Konzept eines kombinierten Comptonstoß- und Paa-
rerzeugungsteleskops realisierbar ist. Detaillierte Simulationen stimmen gut mit den Messungen überein.
Der instrumentelle Hintergrund ist noch experimentell zu überprüfen, z.B. durch einen Stratosphärenbal-
lonflug mit dem Prototypen. Danach wären die Eigenschaften eines größeren Instruments mit hoher Ge-
nauigkeit vorhersagbar und die Konfiguration des Instruments für eine Satellitenmission könnte auf ihre
Sensitivität hin optimiert werden.
IIAbstract
In the last decades -ray astronomy has evolved into an important branch of astrophysics. Especially in
the energy range between a few 100 keV and several 10 MeV a large variety of physical processes in
cosmic sources can be observed — such as nucleosynthesis, positron annihilation, synchrotron emission,
Bremsstrahlung, pion decay, and inverse-Compton scattering. A first all-sky survey was performed by the
COMPTEL telescope aboard the Compton Gamma-Ray Observatory (1991-2000). Detailed insights to
selected objects are currently given by INTEGRAL. For a deeper understanding of the energetic processes
and the life cycle of matter in our Universe a new mission is desirable.
This could be fulfilled by an instrument called MEGA (Medium Energy Gamma-ray Astronomy). The
detector concept combines the imaging and spectroscopic capabilities of a Compton and a pair creation
telescope for the energy range of 0:4 – 50MeV. At the Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik the
MEGA prototype has been built, its properties have been determined through measurements of radioactive
laboratory sources and in an accelerator measurement.
The instrument makes use of an electron-tracking device (“tracker”) and a calorimeter. The tracker is the
central part of the detector. Here the primary interaction (Compton scatter or pair creation) takes place. It
consists of eleven layers of double-sided silicon strip detectors. This setup allows to track charged particles
as required for a tracking Compton instrument as well as for a pair creation detector. The average energy
resolution of the tracker is 9:7keV (1 at 122keV and room temperature).
The tracker is surrounded on the sides and at the bottom by 20 calorimeter blocks. The calorimeter ab-
sorbs secondary particles leaving the tracker. Each block houses a 10 by 12 array of CsI(Tl) scintillator
crystals coupled to silicon PIN photodiodes. The bottom blocks feature a three dimensional resolution of
the position of interaction by means of a two-sided readout. A new algorithm for calibrating the energy
and for individual crystals based on low-statistics data has been developed. The average energy
resolution of the calorimeter is 38keV (1 at 662keV), the average depth resolution is better than 2 cm
for energies above 3 MeV.
The detectors are read out by a self-triggering system in response to 10000 detector channels. In order
to limit the data rate a flexible event selection hardware has been implemented.
Calibration measurements with radioactive laboratory sources cover only the lower part of the prototype’s
energy range. At the High Intensity Gamma-ray Source (HIGS) at Duke University (Durham, N.C., USA)
the prototype was exposed to mono-energetic, fully polarized radiation in the range of 0.7 to 50 MeV.
From these measurements the characteristic parameters of the prototype, i.e. its Compton and pair creation
telescope properties, are derived: an energy resolution of 41keV (1 at 0:7MeV), a field-of-view larger
2than 160 , and an effective area of typically 1 – 2 cm .
Finally, lessons learned from the prototype and possible improvements are discussed. The electronics
subsystem has been identified as the weakest point of the system but also modifications of the detectors
(e.g. silicon drift diodes for the calorimeter readout) promise improved performance of the telescope.
This prototype clearly demonstrated that the new concept of a combined Compton and pair creation in-
strument is feasible. Detailed simulations are in good agreement with the measurements. After experi-
IIImental validation of the instrumental background e.g. in a stratospheric balloon flight of the prototype,
the performance of a full scale space telescope could be predicted with good accuracy and the instrument
configuration could be optimized in terms of its sensitivity to astronomical sources.
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