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Studies on the Background of the Wide Field Imager aboard the IXO and ATHENA X-Ray Telescopes

Hauf, Steffen :
Studies on the Background of the Wide Field Imager aboard the IXO and ATHENA X-Ray Telescopes.
TU Darmstadt - Institut für Kernphysik, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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DIssertation von Steffen Hauf: Studies on the Background of the Wide Field Imager aboard the IXO and ATHENA X-Ray Telescopes - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Studies on the Background of the Wide Field Imager aboard the IXO and ATHENA X-Ray Telescopes
Language: English
Abstract:

The planned International X-ray Observatory (IXO) was the designated successor to the extremely suc- cessful XMM Newton and Chandra X-ray observatories. Aiming to provide high sensitivity, high spatial, spectral and timing resolution observations in the 0.1 keV – 40 keV energy range, the mission would have greatly extended our knowledge of the universe. The international project was canceled due to the pullout of NASA in 2010. Subsequently, ESA pursued an European-only mission: A Telescope for High ENergy Astrophysics (ATHENA). Both missions foresaw the use of a DePFET-based Wide Field Imager (WFI) for spectroscopic imag- ing observations in the energy range between 0.1 keV – 15 keV. The WFI would offer a high quan- tum efficiency, high spatial (≤ 10arcsec), moderate spectral (∆E ≈ 70eV@1keV) and high timing resolution (< 20μs) for imaging observations. The planned high sensitivity of ≈ 10−17 erg cm−2 s−1 for a 100ks observation translates into a maximum cosmic particle-induced background rate of ≈ 10−4 cts keV−1 cm−2 s−1 – 10−3 cts keV−1 cm−2 s−1. A rate which at the second Lagrangian point of the Earth-Sun system is only feasible if an optimized shielding concept and efficient background detection and reduction algorithms are employed. The study and optimization of these background reduction con- cepts, using a Geant4 Monte-Carlo simulation and the accompanying software development, is the core topic of this work. After an introduction to X-ray astronomy in which the requirements for a next-generation X-ray ob- servatory are discussed and an overview of the IXO and ATHENA missions is given the simulation envi- ronment and the Geant4 Monte-Carlo toolkit are introduced. In the course of doing so the requirements for the simulation are defined and it is asserted that the radioactive decay simulation of Geant4 does not provide adequate functionality for an X-ray astronomy application. In particular, it is found that the code is not well verified and validated and that an appropriate means of simulating the cosmic-ray induced delayed background is not provided. As a response to this problem an extensive verification and self-consistent validation effort on radioactive decays in Geant4 was undertaken which has resulted in a new radioactive decay code for Geant4. This software is more accurate and significantly faster than the existing code. It includes a novel statistical sampling approach which appreciates the fact that for most experiments radioactive decays and the resulting radiation are a statistical observable. Furthermore, a self-consistent long-term activation simulation which requires minimal user input is included. The new code was extensively verified with Evaluated Nuclear Structure Data File (ENSDF) data and validated with High Purity Germanium (HPGe) detector measurements. As a concrete application example this code was included into the IXO/ATHENA simulation environ- ment. Using this environment which was validated with XMM Newton EPIC-pn background measure- ments and cosmic ray activation measurements from the Space Shuttle STS-53 mission an extensive characterization of the prompt and delayed on-orbit background was performed. These studies resulted in an optimized graded-Z shielding design which is needed for a fluorescence emission free background; flexible pattern detection and rejection algorithms with > 99% rejection efficiency; as well as a novel approach utilizing an electric field to accelerate secondary electrons to energies above the detection limit thereby additionally reducing the background by ≈ 50%. In conclusion, a background estimate of (6.42 ± 2.03) × 10−4 cts keV−1 cm−2 s−1 has been obtained for the ATHENA WFI. If a 200 kV cm−1 accelerating field is used a lower rate of (2.70 ± 2.67) × 10−4 cts keV−1 cm−2 s−1 can be achieved. The contribution of the delayed background component was estimated at (0.21 ± 0.05) × 10−4 cts keV−1 cm−2 s−1 after a 10 year mission time. All rates are within the WFI background requirements. The background studies reported upon in the work are deemed applicable and beneficial for a wide range of silicon pixel detector applications. The code development work which has resulted in a new radioactive decay simulation for Geant is considered useful for an even broader range of experiments including applications in low background detectors, material sciences, radiation safety, nuclear non- proliferation studies, medical physics and homeland security.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Das International X-ray Observatory (IXO) war ein von der ESA, NASA und JAXA geplantes, satellitenge- stütztes Röntgenteleskop und der designierte Nachfolger der erfolgreichen XMM Newton und Chandra Missionen. Ziel war es räumlich, zeitlich und spektral hochaufgelöste Observationen im Energiebereich von 0.1 keV – 40 keV mit hoher Sensitivität durchzuführen. Infolge des durch Budgetkürzungen beding- ten Rückzugs der NASA im Jahr 2010 entschied sich die ESA ein kleineres, rein Europäisches Projekt in Form eine L-Klasse Mission weiterzuführen: A Telescope for High ENergy Astrophysics (ATHENA). Beiden Missionen gemein ist der Wide Field Imager (WFI), ein DePFET basierter Halbleiter- detektor, welcher räumlich hochauflösende (≤ 10arcsec) bildgebende Observationen mit modera- te spektroskopischer (∆E ≈ 70eV@1keV) und hoher Zeitauflösung (< 20μs) im Energiebereich von 0.1 keV – 15 keV ermöglichen würde. Die geplante hohe Sensitivität von ≈ 10−17 erg cm−2 s−1 für eine Beobachtungszeit von 100ks setzt einen maximalen teilcheninduzierten Hintergrund von ≈ 10−4 cts keV−1 cm−2 s−1 – 10−3 cts keV−1 cm−2 s−1 voraus. Eine solche Hintergrundrate ist für den ge- planten Orbit am zweiten Lagrange Punkt des Erde-Sonne Systems nur mit einem optimierten Abschir- mungskonzept und effizienten Hintergrund-Reduktionsalgorithmen als Teil der Datenprozessierung er- reichbar. Die Erforschung und Charakterisierung solcher Reduktionsmöglichkeiten mit Hilfe von Geant4 Monte-Carlo Simulationen ist das Kern-Thema dieser Arbeit. Nach einer kurzen Einleitung in die Röntgenastronomie und die IXO/ATHENA Missionsparameter wird ein Überblick über das Geant4 Monte-Carlo Tool-kit und die Anforderungen an die Simulationsumgebung gegeben. Im Zuge dessen wird festgestellt, dass die in Geant4 enthaltenen Möglichkeiten zur Simulati- on von radioaktiven Zerfällen und Langzeitaktivierung für die Domäne der Röntgenastronomie nicht ausreichend sind. Basierend auf einer Analyse der experimentellen Anforderungen und vorhandener Zerfallssimulationen wurde im Rahmen dieser Arbeit deshalb ein neuer radioaktiver Zerfallscode für Geant4 entwickelt. Diese neue Software ist genauer als der existierende Geant4 Zerfallscode, was mit weitreichenden Verfikationstests und einer selbst-konsistenten Validierung mittels Germaniumdetektor- messungen überprüft wurde. Im speziellen wurde hierzu ein neuartiges, an die experimentelle Wirk- lichkeit angelehntes, statistisches Sampling-Verfahren entwickelt, welches die Intensitätsabweichungen von zerfallsbedingter Rönten- und Gammastrahlung um bis zu 50% reduziert. Gleichzeitig werden für die Simulation einzelner Zefälle Geschwindigkeitssteigerungen von 50% und für die Simulation von Zerfallsketten Steigerungen von bis zu 400% erreicht. Dieser neue Code und die zugehörige Langzeitak- tivierungssimulation wurden in die IXO/ATHENA Simulationsumgebung integriert. Diese Simulations- umgebung, deren Genauigkeit sowohl mit XMM Newton Hintergrundmessungen, als auch mit Space Shuttle STS-53 CREAM Langzeitaktivierungsdaten überprüft wurde, ermöglicht eine genaue Charakteri- sierung des IXO/ATHENA Hintergrundes. Basierend auf diesen Studien wurde eine optimierte Graded-Z Abschirmung entwickelt, welche effizient Fluoreszenzstrahlung unterdrückt. Eine weitere Reduktion des Hintergrundes um > 99% auf (6.42 ± 2.03) × 10−4 cts keV−1 cm−2 s−1 wird durch die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Mustererkennungsalgorithmen erreicht. Mit Hilfe eines elektrischen Feldes, welches Sekundärelektronen, die stärkste Hintergrundkomponente, zu Energien außerhalb des Detektionsberei- ches beschleunigt, kann diese Rate zusätzlich um ≈ 50% auf (2.70 ± 2.67) × 10−4 cts keV−1 cm−2 s−1 gesenkt werden. Zu beiden Hintergrundraten muss noch der durch Langzeitaktivierung verursachte ver- zögerte Hintergrund hinzu gezählt werden. Dieser wurde zu (0.21 ± 0.05) × 10−4 cts keV−1 cm−2 s−1 , nach einer Missionsdauer von 10 Jahren, abgeschätzt. Die Hintergrundvorhersagen sind somit innerhalb der IXO/ATHENA Toleranzgrenze. Allgemeinen gilt, dass die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellte Hintergrundabschätzung und Op- timierung für viele Siliziumpixeldetektor-basierte Anwendungen nützlich sein wird. Von der ebenfalls erfolgten Geant4 Softwareentwicklung dürfte eine noch größere Gruppe von Experimenten profitie- ren. Sie umfasst Anwendungsmöglichkeiten auf den Gebieten der Niederhintergrund-Detektoren, der Materialforschung, der Reaktor- und Fusionsforschung, des Strahlenschutzes sowie der nuklearen Über- wachung.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Geant4, Röntgenteleskop, ATHENA, IXO, Monte-Carlo Simulation
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Geant4, X-ray telescope, ATHENA, IXO, Monte-Carlo SimulationEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 01 Oct 2012 09:58
Last Modified: 07 Dec 2012 12:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-29804
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Hoffmann, Prof. Dr. DIeter H.H. and Kuster, Dr. Markus
Refereed: 4 July 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2980
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