VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II Astrofísica de Altas Energías – II Tecnología Xavier Barcons Instituto de Física de Cantabria (CSIC-UC)

VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II Contenidos de la Asignatura 1.Astrofísica de Altas Energías (Física) –Fenomenología, radiación X y γ, otros mensajeros –Procesos físicos 2.Astrofísica de Altas Energías (Tecnología) –Telescopios e instrumentación en rayos X –Telescopios e instrumentación en rayos γ blandos –Telescopios Cherenkov Atmosféricos 3.Astrofísica de Altas Energías (Astrofísica) –Un paseo por el Universo en altas energías

VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II Rayos X: Colimadores Limitan el campo de visión a través de paredes metálicas que absorben los rayos X que provienen de fuera del eje óptico. Campo de visión limitado  <  max donde tg  max =a/h a h  max Response arctg (  a/h) 

VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II Colimadores: multiplexación a d Colimador clásico en modo “scan”: t exp  a/h: –Mayor resolución angular –Menos sensible Colimador de modulación: –Mejora la resolución con 2 conjuntos de cables –Las fuentes puntuales aparecen y desaparecen al mover el detector –Resolución angular a/d/sqrt(N), ~minutos de arco

VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II Telescopios de incidencia rasante Los rayos X que inciden perpendicularmente a una superficie reflectante, son absorbidos. Incidencia rasante (reflexión total):  <  cr ~ 1 o a 1 keV para una superficie de oro (Au)  cr n2n1n2n1

VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II Reflectividad de los metales a los rayos X Au Rayos X UV Óptico

VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II Multicapas Intercalado de capas delgadas metal-aislante –Mejora la reflectividad de forma multiplicativa a energías altas –Condición de Bragg: longitud de onda ~ espaciado de las capas

VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II Sistemas ópticos en rayos X Para formar imágenes son necesarias dos reflexiones Dos clases: –Kirkpatrick-Baez (cilindros) –Wolter (cónicas de revolución) Wolter I Kirkpatrick-Baez Wolter

Propiedades ópticas y anidado Utilidad de un par de espejos: A eff /A geom =R 2 (  cr ) sin  cr < 8% Pulido extremo de la superficie metálica(rms<5Å) El campo de visión (FOV) ~  cr, depende de la energía VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II Anidando espejos unos dentro de otros, aumenta el área efectiva

CHANDRA 0.5” HEW kg/m 2 XMM-NEWTON 14” HEW 2300 kg/m 2 Si-HPO 5” HEW ~200 kg/m 2 El secreto está en el sustrato IXO Options Slumped Glass 5” HEW ~270 kg/m 2 VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II

VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II Ejemplo: XMM-Newton Sustrato: Niquel electroformado Longitud focal: 7.5m 58 pares de espejos encajados

VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II Dispersores de cristal de Bragg Efecto Bragg: Intereferencia constructiva de ondas difractadas en distintas capas de un cristal. Condición de Bragg: 2d sen  =m Resolución espectral λ/Δλ ~varios miles Sólo funciona a una longitud de onda

Redes de difracción Por transmisión Condición de dispersión m =d(sin  -sin  ) Funcionan en un amplio rango de λ Resolución espectral constante ≈ d/m < 1000 para m=1, mejorando a m mayor. Por reflexión Condición de dispersión m =d(cos χ-cos θ), pero sin m=0 Funcionan en un amplio rango de λ Resolución espectral muy grande, para ángulos muy pequeños R= (cos  -cos  )/sin   VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II

VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II RGS en XMM-Newton Rowland’s circle

X/  ray Instrumentation 3. High-energy astrophysics instruments El detector ideal de rayos X/ ϒ Registra para cada fotón recibido: –Posició (X,Y) convertible a dirección –Tiempo de llegada –Energía del fotón –Polarización del fotón Eficiencia cuántica cercana al 100% Ruido electrónico mínimo Mecanismo H/W o S/W de rechazo de señales que no vienen de rayos X Pos. Time Energy Polar. Eff. Back.

X/  ray Instrumentation 3. High-energy astrophysics instruments Contadores proporcionales de gas Cámara llena de gas (Ne, Ar) –Ánodos a tensión de varios kV –Cada fotón ioniza un átomo de gas y se produce una cascada detectada en el cátodo. Resolución espectral E/ΔE ~3 E(keV) 1/2 Back. Eff. Polar. Energ y Time Pos.

X/  ray Instrumentation 3. High-energy astrophysics instruments Placas micro-canal (MCP) Fotomultiplicadores Cascada de electrones arrancados de las paredes del fotocátodo Casi insensible a la energía Back. Eff. Polar. Energ y Time Pos.

X/  ray Instrumentation 3. High-energy astrophysics instruments Charge-Coupled Devices (CCDs) Dispositivos semicoductores. Cada rayo X crea cientos de pares electrón-hueco que se leen electrónicamente Resolución espectral E/ΔE ~30 E(keV) 1/2 Back. Eff. Polar. Energ y Time Pos.

X/  ray Instrumentation 3. High-energy astrophysics instruments Microcalorímetros Semiconductores a muy bajas temperaturas La energía depositada por cada rayo X calienta el dispositivo que disminuye su resistividad:  E  T 5/2 ~ 5-10 eV Limitaciones: –  ~ms: (lento) –T operation ~0.1K Back. Eff. Polar. Energ y Time Pos.

X/  ray Instrumentation 3. High-energy astrophysics instruments Super conducting Tunnelling Junctions (STJ) Dos superconductores separados por una barrera aislante. Cada rayo X rompe millones de pares de Cooper que pueden atravesar la barrera Imprescindible B~100 G para suprimir la corriente Josephson Back. Eff. Polar. Energ y Time Pos.

X/  ray Instrumentation 3. High-energy astrophysics instruments Superconductor a temperatura por debajo de T crit Un rayo X calienta el dispositivo, aumentando drásticamente la resistividad Resolución espectral ~2 eV Transition Edge Sensors (TES) Back. Eff. Polar. Energ y Time Pos.

X/  ray Instrumentation 3. High-energy astrophysics instruments Polarímetro de microtrazas Basado en la dependencia en la polarización del efecto fotoeléctrico La traza que sigue el fotoelectrón va en la dirección de la polarización del rayo X incidente Back. Eff. Polar. Energ y Time Pos.

VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II Óptica de rayos γ de baja energía: Máscaras codificadas Señal multiplexada: –Necesita un detector sensible a la posición (CdTe of CdZnTe) –La señay el ruido se dispersan por todo el detector Máscaras codificadas: –Distribución de huecos y opacos a una distancia del detector –Opacidad depende de la energía –Requiere técnicas de reconstrucción

VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II Óptica con máscaras codificadas Simple Optimizada

VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II Máscaras codificadas: reconstrucción de imágenes INTEGRAL/IBIS Imagen reconstruida de una Zona del cielo

VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II Telescopios Compton Los rayos Υ ( MeV) producen efecto Compton en un convertidor.  ’’  ’’ =1+(1-cos  ) ђђ mc 2 Se mide la energía de retroceso del electrón Compton = ђ  - ђ  ’ Se midel la energía del fotón detectado ђ  ’ Por la ecuación del efecto Compton se obtiene la energía del fotón incidente y su dirección

Telescopios de pares electrón-positrón Los rayos Υ de alta energía (~MeV-GeV) crean un par e + e - Los detectores en las capas subsiguientes miden energía y dirección del rayo γ incidente. VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II

Lentes de Laue Efecto Bragg en distintas capas de un cristal VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II

Telescopios Cherenkov atmosféricos (TeV) Los fotones de rayos γ de energía ~TeV se desintegran en la atmósfera. Después de varios procesos físicos dan lugar a una “ducha” de luz Cherenkov VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II

Efecto Cherenkov VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II Velocidad de las partículas cargadas > c/n

Radiación Cherenkov Principalmente en el ultravioleta (UV) Absorción y scattering Mie de la radiación hacen que se detecte principalmente en la parte azul del espectro óptico VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II

Cascadas atmosféricas FotónicasHadrónicas VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II

Señales de cascadas fotónicas y hadrónicas VIU - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías - II