TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías Astrofísica de Altas Energías: Tecnologías Xavier Barcons Instituto de Física de Cantabria (CSIC-UC)

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1 TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías Astrofísica de Altas Energías: Tecnologías Xavier Barcons Instituto de Física de Cantabria (CSIC-UC)

2 TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías 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) 

3 TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías 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

4 TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías 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

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

6 TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías 252015105 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

7 TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías 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

8 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 TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías Anidando espejos unos dentro de otros, aumenta el área efectiva

9 CHANDRA 0.5” HEW 18500 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 TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías

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

11 TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías 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

12 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   TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías

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

14 TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías 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.

15 TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías 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.

16 TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías 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.

17 TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías 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.

18 TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías 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.

19 TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías 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.

20 TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías 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.

21 TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías 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.

22 TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías 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

23 TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías Óptica con máscaras codificadas Simple Optimizada

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

25 TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías Telescopios Compton Los rayos Υ (0.3-30 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

26 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. TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías

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

28 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 TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías

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

30 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 TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías

31 Cascadas atmosféricas FotónicasHadrónicas TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías

32 Señales de cascadas fotónicas y hadrónicas TOA - Curso 2010/2011Astrofísica de Altas Energías