astrofísica de altas energías: tecnologías

TOA - Curso 2010/2011 Astrofísica de Altas Energías

Astrofísica de Altas Energías:Tecnologías

Xavier BarconsInstituto de Física de Cantabria (CSIC-UC)


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)


Colimadores: multiplexación

a

d

• Colimador clásico en modo “scan”: texp 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


Telescopios de incidencia rasante

• Los rayos X que inciden perpendicularmente a una superficie reflectante, son absorbidos.

• Incidencia rasante (reflexión total): < cr

~1o a 1 keV para una superficie de oro (Au)

cr

n2n1


Reflectividad de los metales a los rayos X

Au

Rayos XUVÓptico

TOA - Curso 2010/2011 Astrofísica 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


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: Aeff/Ageom=R2(cr) sincr < 8%

• Pulido extremo de la superficie metálica(rms<5Å)

• El campo de visión (FOV) ~ cr, depende de la energía


Anidando espejos unos dentro de otros, aumenta el

área efectiva

Anidando espejos unos dentro de otros, aumenta el

área efectiva

CHANDRA0.5” HEW

18500 kg/m2

XMM-NEWTON14” HEW

2300 kg/m2

Si-HPO5” HEW

~200 kg/m2

El secreto está en el sustrato

IXO Options

Slumped Glass5” HEW

~270 kg/m2



Ejemplo: XMM-Newton

• Sustrato: Niquel electroformado• Longitud focal: 7.5m• 58 pares de espejos encajados


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

/ ~varios milesλ Δλ• 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 -cos )χ θ , pero sin m=0

• Funcionan en un amplio rango de λ

• Resolución espectral muy grande, para ángulos muy pequeños

R= (cos -cos )/sin



RGS en XMM-Newton

Rowland’s circle


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.


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/ E ~3 E(keV)Δ 1/2

Back.

Eff.

Polar.

Energy

Time

Pos.


Placas micro-canal (MCP)

• Fotomultiplicadores• Cascada de electrones arrancados

de las paredes del fotocátodo• Casi insensible a la energía

Back.

Eff.

Polar.

Energy

Time

Pos.


Charge-Coupled Devices (CCDs)• Dispositivos semicoductores.• Cada rayo X crea cientos de

pares electrón-hueco que se leen electrónicamente

• Resolución espectral E/ E ~30 E(keV)Δ 1/2

Back.

Eff.

Polar.

Energy

Time

Pos.


Microcalorímetros• Semiconductores a muy

bajas temperaturas• La energía depositada por

cada rayo X calienta el dispositivo que disminuye su resistividad:

ET5/2~ 5-10 eV• Limitaciones:

~ms: (lento)– T operation~0.1K

Back.

Eff.

Polar.

Energy

Time

Pos.


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.

Energy

Time

Pos.


• Superconductor a temperatura por debajo de Tcrit

• Un rayo X calienta el dispositivo, aumentando drásticamente la resistividad

• Resolución espectral ~2 eV

Transition Edge Sensors (TES)

Back.

Eff.

Polar.

Energy

Time

Pos.


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.

Energy

Time

Pos.


Óptica de rayos de baja energía: γMáscaras 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


Óptica con máscaras codificadasSimple Optimizada


Máscaras codificadas: reconstrucción de imágenes

INTEGRAL/IBIS Imagen reconstruida de unaZona del cielo


Telescopios Compton

• Los rayos (0.3-30 MeV) Υproducen efecto Compton en un convertidor.

’

’=1+(1-cos)

ђmc2

• 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 de alta Υenergía (~MeV-GeV) crean un par e+e-

• Los detectores en las capas subsiguientes miden energía y dirección del rayo γincidente.


Lentes de Laue

• Efecto Bragg en distintas capas de un cristal


Telescopios Cherenkov atmosféricos (TeV)

• Los fotones de rayos de energía ~TeV se γ

desintegran en la atmósfera.

• Después de varios procesos físicos dan lugar a una “ducha” de luz Cherenkov


Efecto Cherenkov


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


Cascadas atmosféricas

Fotónicas Hadrónicas


Señales de cascadas fotónicas y hadrónicas


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