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TOA - Curso 2010/2011 Astrofísica de Altas Energías
Astrofísica de Altas Energías:Tecnologías
Xavier BarconsInstituto de Física de Cantabria (CSIC-UC)
TOA - Curso 2010/2011 Astrofísica 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)
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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
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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
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Reflectividad de los metales a los rayos X
Au
Rayos XUVÓptico
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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
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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
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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
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Ejemplo: XMM-Newton
• Sustrato: Niquel electroformado• Longitud focal: 7.5m• 58 pares de espejos encajados
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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
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RGS en XMM-Newton
Rowland’s circle
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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• 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.
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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.
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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
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Óptica con máscaras codificadasSimple Optimizada
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Máscaras codificadas: reconstrucción de imágenes
INTEGRAL/IBIS Imagen reconstruida de unaZona del cielo
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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.
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Lentes de Laue
• Efecto Bragg en distintas capas de un cristal
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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
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Efecto Cherenkov
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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
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Cascadas atmosféricas
Fotónicas Hadrónicas
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Señales de cascadas fotónicas y hadrónicas
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