Focal plane detectors of a Laue lens telescope for Nuclear Astrophysics

Abstract

centenares de keV hasta unos pocos MeV), presenta un extraordinario potencial para comprender los procesos más extremos que tienen lugar en el Universo, como las explosiones estelares o los aceleradores de partículas. No obstante, a pesar de los enormes esfuerzos realizados por los observatorios de rayos gamma (en el pasado y en la actualidad), se requiere una mejora en la sensibilidad instrumental para aprovechar el enorme potencial científico contenido en este rango energético. Durante las dos últimas décadas se han buscado formas de mejorar la sensibilidad de los instrumentos, incrementando la eficiencia de los detectores y reduciendo el ruido instrumental (mediante sofisticados mecanismos de blindaje y técnicas de análisis). Con este objetivo, un enorme esfuerzo en innovación instrumental (construcción de prototipos y estudios numéricos) está siendo realizado por una comunidad creciente de científicos que se enfrentan al reto de preparar la próxima generación de telescopios de rayos gamma. En particular, son especialmente notables los avances logrados en los últimos años en el campo de la focalización de rayos gamma mediante lentes de difracción. Conceptualmente, una lente de rayos gamma reduciría drásticamente el ruido instrumental ya que concentra los fotones en un detector de pequeñas dimensiones (el ruido es proporcional al volumen del instrumento). Una lente de difracción, para observaciones en astrofísica nuclear, no es sólo un concepto teórico, sino una realidad, gracias principalmente al proyecto CLAIRE. Asimismo, el desarrollo de la tecnología para la focalización de rayos gamma ha incentivado el desarrollo de las diferentes tecnologías de detección. Un detector apropiado para el plano focal de una lente gamma, debe disponer de capacidad de imagen, proporcionar espectroscopia de alta resolución y medir la polarización de los fotones incidentes. El trabajo presentado en esta tesis comprende tanto la óptica de focalización como el detector del plano focal. Con respecto a la óptica, se presenta el ensayo realizado con el prototipo CLAIRE, mediante el cual se ha confirmado los principios de una lente de difracción. En cuanto al plano focal, esta investigación se ha desarrollado principalmente en el marco de estudio de las misiones espaciales GRI (2007) y DUAL (2010), propuestas a la ESA dentro del programa “Cosmic Vision 2015-2025”. En el marco de la misión GRI, se presenta una configuración para el detector del plano focal basado en detectores pixelados de Cd(Zn)Te, al tiempo que se investiga y desarrolla un primer prototipo de detector pixelado de CdTe. Cabe destacar que el sistema de detección propuesto fue registrado con éxito mediante una patente europea, y está siendo desarrollado para su aplicación en medicina nuclear. En relación a la propuesta DUAL, se presenta un estudio del ruido instrumental obtenido mediante simulaciones numéricas con el fin de precisar la sensibilidad del instrumento (basado en detectores de Germanio) propuesto en esta misión. Más allá de las tecnología consideradas en GRI y DUAL, una amplia variedad de detectores pueden ser explorados, bien para el plano focal de una lente de difracción o bien como sistemas de detección por sí mismos. En este sentido, se ha ampliado el espectro de tecnologías y se ha incluido un estudio sobre detectores basados en xenón líquido. En esta tesis se ha realizado un trabajo de investigación y desarrollo con tecnologías vanguardistas propuestas para la próxima generación de telescopios de rayos gamma. Esta instrumentación debe enfrentarse al reto de alcanzar la sensibilidad requerida para dar respuesta a las cuestiones aun no resultas por la astrofísica de rayos gamma en el rango de energía de las transiciones nucleares.

few MeV) has an extraordinary potential for understanding the evolving and violent Universe. In spite of the strong efforts accomplished by past and current instruments, in order to perform observations in this energy range, an improvement in sensitivity over present technologies is needed to take full advantage of the scientific potential contained in this energy range. In order to achieve higher sensitivities, γ-ray astronomy has been looking over the last decades for new ways to increase the efficiency of its instruments while reducing the background noise. With the objective of reducing or avoiding as much background as possible (through shielding mechanisms and data analysis techniques), a strong effort in innovation and design (build-up of prototypes and numerical simulations studies) is being conducted by a community facing the challenge of preparing the next generation of γ-ray telescopes. In particular, the progress achieved during the last decade on focusing optics based on Laue lenses is especially remarkable. Conceptually, a focusing telescope will reduce drastically the background noise by concentrating γ-rays onto a small size detector. Focusing γ-rays with a Laue lens is not just a theoretical concept, but a reality, mainly thanks to the development of a first prototype of Laue lens for nuclear astrophysics accomplished as part of the CLAIRE project. Moreover, the development of focusing optics during these years has also encouraged the development of new detector technologies. The focal plane detector of a focusing telescope should provide imaging capabilities, perform high-resolution spectroscopy and measure the polarization of the incident photons in order to achieve the ambitious scientific goals. The research presented in this thesis covers both main areas of a γ-rays telescope: focusing optics and focal plane detector. As far as the optics is concerned, a test of the lens CLAIRE was performed in order to confirm the principles of a Laue diffraction lens. Concerning the focal plane detector, theoretical and experimental studies with new detector technologies have been carried out. Our main research has evolved in the framework of two mission concept studies -GRI (2007) and DUAL (2010)- submitted to the ESA Calls for a Medium-size mission opportunity within the Cosmic Vision 2015-2025 program. As far as the GRI mission is concerned, a focal plane detector configuration based on Cd(Zn)Te pixelated detectors is proposed, whilst development and testing of a detector prototype is accomplished. It is noteworthy that the detector configuration was successfully registered under a European Patent and is being considered for applications in the field of nuclear medicine. Regarding the DUAL mission, simulations of the expected space radiation environment and the resulting detector activation were carried out in order to estimate the performances of the all-sky Compton telescope of DUAL (based on Germanium-strip detectors). The results show that DUAL could achieve, after two years of operation, a continuum sensitivity one order of magnitude better than any past and current observatory in the MeV energy range and up to a factor 30 of improvement with its Laue lens. Beyond the detector technology proposed for GRI and DUAL, a wide variety of technologies could be explored for the focal plane of a γ-ray lens mission as well as for a stand-alone detector. In this thesis a focal plane detector based on liquid xenon is also considered. This work faces the challenges of the next generation of γ-ray telescopes, where high performance γ-ray detectors are necessary to achieve the required sensitivity in order to answer several hot scientific topics of Gamma-ray astrophysics in the energy range of nuclear transitions.