Monte-Carlo background studies for space-based detectors in X-ray astronomy [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Jan-Christoph Tenzer

Sujets

• Astronomie

Informations

• Publié par: eberhard_karls_universitat_tubingen
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 10
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

Monte-Carlo Background Studies for Space-Based
Detectors in X-ray Astronomy
Dissertation
zur Erlangung des Grades eines Doktors
der Naturwissenschaften
der Fakulta¨t fu¨r Mathematik und Physik
der Eberhard-Karls-Universita¨t zu Tu¨bingen
vorgelegt von
Jan-Christoph Tenzer
aus Tu¨bingen
2008Selbstverlegt von: J.C. Tenzer, Mohlstr. 23, 72074 Tu¨bingen
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 24. Juli 2008
Dekan: Prof. Dr. N. Schopohl
1. Berichterstatter: Prof. Dr. A. Santangelo
2. Berichterstatter: Prof. Dr. K. WernerAbstract
The observation of most astrophysical X-ray sources is characterized by the fact that these
usually rather weak cosmic sources have to be detected in the presence of a very strong back-
ground. This background, which has its origin in the interactions of high-energy cosmic par-
ticles with the materials that constitute the camera and also in the characteristic properties of
the respective detector, has a strong impact on the ultimately achievable sensitivity of the in-
strument. Sources that have a flux below the limiting minimum detectable flux of a certain
instrument will therefore not be detected or cannot be observed within a given experiment. To
gain a higher sensitivity, which always converts to new scientific results, an intense effort to
minimize the internal detector background is undertaken.
This thesis has been devoted to simulation studies of the instrumental background of X-ray
detectors in astronomy. In this context, it is first shown on the basis of the pn-CCD camera on
board the XMM-Newton satellite, that Monte-Carlo simulations of the physics processes and
interactions caused by the radiation environment in the respective orbit can reproduce the mea-
surements of the actual detector background. With the thus validated simulation environment,
the detector geometry of the future X-ray mission Simbol-X has been optimized in collabora-
tion with the designers. Special attention has been paid to the task of background minimization
and experiment deadtime. Furthermore, the composition and spectral shape of the remaining
background is predicted. For another future X-ray telescope called eROSITA, estimations of
the detector background, depending on different orbit inclinations and thus different radiation
environments, are presented.
Part of the work has also been concerned with hardware development. In a collaboration with
the electronics lab at the Institute for Astronomy and Astrophysics in Tu¨bingen (IAAT), a fast
digital detector-event preprocessor based on experiences gained with XMM-Newton has been
developed. The processor, which has been designed for utilization on board, filters the detector
output with different criteria and therefore noticeably reduces the detector background as well
as the necessary telemetry rate.iiErweiterte deutsche Zusammenfassung
Die Beobachtung einer Vielzahl astrophysikalischer Quellen im Ro¨ntgenbereich ist dadurch
charakterisiert, dass die Detektion der Quellphotonen in Gegenwart eines hohen Detektorhinter-
grundes stattfindet. Dieser Hintergrund entsteht durch die Wechselwirkung von hochenergeti-
schen Teilchen mit den Detektormaterialien und die dadurch hervorgerufene Sekunda¨rstrahlung.
Neben den jeweiligen Charakteristika des verwendeten Detektortyps, hat er entscheidenden
Einfluss auf die letztendlich erreichbare Empfindlichkeit des Instrumentes. Quellen, die Photo-
nenflu¨sse unterhalb eines aus dieser wichtigen Gro¨ße ableitbaren, fu¨r das Experiment limitieren-
den, minimalen noch detektierbaren Flusses aufweisen, ko¨nnen nicht entdeckt bzw. beobachtet
werden. Um die Sensitivita¨t weiter zu steigern, werden bei der Konzeption zuku¨nftiger In-
strumente große Anstrengungen unternommen, den Detektorhintergrund mo¨glichst gering zu
halten.
In diesem Zusammenhang zeigt die vorliegende Arbeit anhand der pn-CCD Kamera an Bord
des Satelliten XMM-Newton, dass Monte-Carlo Simulationen der physikalischen Wechsel-
wirkungen zwischen der Strahlungsumgebung im entsprechenden Orbit und Materialien der
Detektoren den tatsa¨chlich gemessenen Detektorhintergrund reproduzieren ko¨nnen. Aufbauend
auf diesen Ergebnissen konnte die Geometrie der Fokalebene, die momentan fu¨r den Ro¨ntgen-
satelliten Simbol-X entwickelt wird, in Zusammenarbeit mit den Ingenieuren hinsichtlich des
Hintergrundes und der Totzeit des Detektors optimiert werden. Die Zusammensetzung und die
spektrale Verteilung des noch verbleibenden Hintergrundes wurden errechnet. Anhand weiterer
Simulationen wurde der zu erwartende Kamerahintergrund des geplanten Ro¨ntgenteleskopes
eROSITA abgescha¨tzt.
In Zusammenarbeit mit der Elektronikabteilung am Tu¨binger Institut fu¨r Astronomie und As-
trophysik (IAAT) wurde eine schnelle digitale Elektronik zur ersten Verarbeitung von Detektor-
ereignissen an Bord entworfen, die auf den ebenfalls bei XMM-Newton erworbenen Erfahrun-
gen aufbaut. Diese verringert den Detektorhintergrund sowie die notwendige Telemetrierate zur
Datenu¨bertragung nochmals deutlich.ivContents
1 Observational Astronomy in the X-ray Range 1
1.1 The Beginning of X-ray Astronomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Observational Techniques in X-ray Astronomy . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Non-Focusing Imaging Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2 Focusing Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.3 Current Detector Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 An Overview of Modern X-ray Observatories . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4 On the Importance of a Low Detector Background . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 The GEANT4 Toolkit 15
2.1 On Monte-Carlo Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Introduction to GEANT4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 Historic Evolution of GEANT4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2 Scientific Community . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3 Pseudo-Random Number Generation in GEANT4 . . . . . . . . . . . . 18
2.3 Structure and Design of GEANT4 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4 The Physics Behind GEANT4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.1 Implementation of Physics Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.2 Physics Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5 Comprehensiveness and Possibilities of GEANT4 . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.1 Recent Developments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.2 GEANT4 Applications in Space Science . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3 Simulation of the XMM-Newton EPIC pn-Camera Detector Background 27
3.1 An Introduction to the XMM-Newton Observatory . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.1 The MOS Cameras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.2 The EPIC pn-Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2 The Geometric Model of XMM-Newton Used in the Simulations . . . . . . . 29
3.2.1 The XMM-Newton Spacecraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.2 Implementation of the EPIC pn-Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.3 The CCDs and the Backplane PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3 The Measured Detector Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.1 Composition of the Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.2 Data Selection and Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32vi Contents
3.4 Details of the Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4.1 The Simulation Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.2 Incoming Particle Spectrum and Flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.3 Data Generation and Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5 Results of the Simulations and Comparison to Measured Data . . . . . . . . 37
3.5.1 Quantum Efficiency of the pn-CCDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5.2 Simulated vs. Measured Background Spectra . . . . . . . . . . . . . . 38
3.5.3 Simulated vs. Measured Fluorescence Images . . . . . . . . . . . . . 40
3.6 Discussion of the Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4 The Simbol-X Mission 43
4.1 Mission Concept and Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.1.1 Scientific Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.1.2 Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.3 Low Energy Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1.4 High Energy Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.1.5 Active Anticoincidence Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5 Simulations for Simbol-X 53
5.1 Challenges and Goals of the Simulation Activities . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1.1 Composition of the Detector Background and Optimizations Measures 53
5.2 Parameters and Characteristics of the Simulation Environment . . . . . . . . 56
5.2.1 The Geometric Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.2.2 Incoming Particle