Monte-Carlo Background Studies for Space-Based Detectors in X-ray Astronomy

Abstract

The observation of most astrophysical X-ray sources is characterized by the fact that these usually rather weak cosmic sources have to be detected in the presence of a very strong background. This background, which has its origin in the interactions of high-energy cosmic particles with the materials that constitute the camera and also in the characteristic properties of the respective detector, has a strong impact on the ultimately achievable sensitivity of the instrument. Sources that have a flux below the limiting minimum detectable flux of a certain instrument will therefore not be detected or cannot be observed within a given experiment. To gain a higher sensitivity, which always converts to new scientific results, an intense effort to minimize the internal detector background is undertaken.

This thesis has been devoted to simulation studies of the instrumental background of X-ray detectors in astronomy. In this context, it is first shown on the basis of the pn-CCD camera on board the XMM-Newton satellite, that Monte-Carlo simulations of the physics processes and interactions caused by the radiation environment in the respective orbit can reproduce the measurements of the actual detector background. With the thus validated simulation environment, the detector geometry of the future X-ray mission Simbol-X has been optimized in collaboration with the designers. Special attention has been paid to the task of background minimization and experiment deadtime. Furthermore, the composition and spectral shape of the remaining background is predicted. For another future X-ray telescope called eROSITA, estimations of the detector background, depending on different orbit inclinations and thus different radiation environments, are presented.

Part of the work has also been concerned with hardware development. In a collaboration with the electronics lab at the Institute for Astronomy and Astrophysics in Tübingen (IAAT), a fast digital detector-event preprocessor based on experiences gained with XMM-Newton has been developed. The processor, which has been designed for utilization on board, filters the detector output with different criteria and therefore noticeably reduces the detector background as well as the necessary telemetry rate.

Die Beobachtung einer Vielzahl astrophysikalischer Quellen im Röntgenbereich ist dadurch charakterisiert, dass die Detektion der Quellphotonen in Gegenwart eines hohen Detektorhintergrundes stattfindet. Dieser Hintergrund entsteht durch die Wechselwirkung von hochenergetischen Teilchen mit den Detektormaterialien und die dadurch hervorgerufene Sekundärstrahlung. Neben den jeweiligen Charakteristika des verwendeten Detektortyps, hat er entscheidenden Einfluss auf die letztendlich erreichbare Empfindlichkeit des Instrumentes. Quellen, die Photonenflüsse unterhalb eines aus dieser wichtigen Größe ableitbaren, für das Experiment limitierenden, minimalen noch detektierbaren Flusses aufweisen, können nicht entdeckt bzw. beobachtet werden. Um die Sensitivität weiter zu steigern, werden bei der Konzeption zuküunftiger Instrumente große Anstrengungen unternommen, den Detektorhintergrund möglichst gering zu halten.

In diesem Zusammenhang zeigt die vorliegende Arbeit anhand der pn-CCD Kamera an Bord des Satelliten XMM-Newton, dass Monte-Carlo Simulationen der physikalischen Wechselwirkungen zwischen der Strahlungsumgebung im entsprechenden Orbit und Materialien der Detektoren den tatsächlich gemessenen Detektorhintergrund reproduzieren können. Aufbauend auf diesen Ergebnissen konnte die Geometrie der Fokalebene, die momentan für den Röntgensatelliten Simbol-X entwickelt wird, in Zusammenarbeit mit den Ingenieuren hinsichtlich des Hintergrundes und der Totzeit des Detektors optimiert werden. Die Zusammensetzung und die spektrale Verteilung des noch verbleibenden Hintergrundes wurden errechnet. Anhand weiterer Simulationen wurde der zu erwartende Kamerahintergrund des geplanten Röntgenteleskopes eROSITA abgeschätzt.

In Zusammenarbeit mit der Elektronikabteilung am Tübinger Institut für Astronomie und Astrophysik (IAAT) wurde eine schnelle digitale Elektronik zur ersten Verarbeitung von Detektorereignissen an Bord entworfen, die auf den ebenfalls bei XMM-Newton erworbenen Erfahrungen aufbaut. Diese verringert den Detektorhintergrund sowie die notwendige Telemetrierate zur Datenübertragung nochmals deutlich.