Development of high throughput X-ray instrumentation for fast timing studies

Abstract

Silicon based detectors are the current working horses of observational X-ray astronomy in the 0.1–20 keV energy band. They offer a nearly Fano limited energy resolution in combination with a high quantum efficiency and have the advantage that, through the commercial usage of silicon in the semiconductor industry, a multitude of sophisticated processing technologies are available. This allows to build instruments with high spectral and spatial resolution designed to match the characteristics of the telescopes. The next generation X-ray missions like the International X-ray Observatory (IXO) and Simbol-X will use, among others, silicon based imaging detectors. IXO is currently studied as the next large aperture X-ray mission of NASA, ESA and JAXA. With a proposed large effective area of 3 m2 at 1.25 keV and a set of five different instruments covering together the energy range from 0.1–40 keV, IXO will be able to observe the evolution of the “hot” universe and to probe the physics of extreme environments. One of IXO’s main instruments will be the Wide Field Imager, an active pixel sensor where in each of its 1024 × 1024 pixels the first-amplifier stage is already integrated. The WFI pixels are realized as Depleted P-channel Field Effect Transistors (DePFET) which stand in the focus of this thesis. For the observation of bright sources, a High Time Resolution Spectrometer (HTRS) is included in the current model payload. The main goal of this thesis is to estimate the expected performance of the DePFET matrices used for IXO and Simbol-X through a combination of measurements and simulations. In collaboration with the Max-Planck-Institut Halbleiterlabor, we have built a test setup at the Institut für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen (IAAT) to operate and study laboratory prototypes of the DePFET detectors. Extensive measurements under different conditions of, e.g., temperature, exposure and detector biasing were conducted. Aspects like time and energy resolution, charge splitting and pile-up were experimentally investigated. A Monte-Carlo based simulation code was developed to study the various aspects of semiconductor based detectors. The code allows a realistic simulation of source spectra and can handle time variable sources with the proper statistics. The code was validated with laboratory measurements taken at IAAT, with respect to time and energy resolution, as well as charge splitting. The influence of pile-up in the detector when illuminated by a bright source was reproduced by the simulations. The extrapolation from the laboratory simulations shows that pile-up limits the ability of the IXO WFI to observe Galactic X-ray sources, e.g., X-ray binaries and Supernova remnants, since the typical luminosities of these objects cause a severe deterioration of the detector performance. We therefore extended our simulations to the HTRS and we conclude that this instrument, with its intrinsic capability to efficiently measure high count rates, is vital for the observation of bright Galactic sources with IXO.

Detektoren auf Silizium-Basis bilden das Rückgrat der beobachtenden Röntgenastronomie im Energiebereich zwischen 0,1 und 20 keV. Sie kombinieren gute Energieauflösung, die nahe am Fano-Limit liegt, mit hoher Quanteneffizienz und nutzen den Vorteil, dass durch die Verwendung von Silizium in der Halbleiterindustrie eine Vielzahl von hochentwickelten Prozesstechnologien zur Verfügung stehen. Dadurch wird die Entwicklung von Instrumenten mit hoher Orts- und Spektralauflösung ermöglicht, die optimal auf die gewünschten Eigenschaften des Teleskops abgestimmt sind. In der kommenden Generation von Röntgensatelliten, wie das International X- ray Observatory (IXO) und Simbol-X, werden unter anderem ebenfalls abbildende Detektoren auf Silizium-Basis verwendet werden. IXO soll das nächste große gemeinsame Röntgenobservatorium der NASA, ESA und JAXA werden. Mit einer geplanten effektiven Sammelfläche von 3 m2 bei 1,25 keV und fünf unterschiedlichen Instrumenten, die insgesamt den Energiebereich zwischen 0,1 und 40 keV abdecken, wird IXO in der Lage sein, die Entwicklung des „heißen“ Kosmos zu beobachten und die Physik in Regionen extremer Bedingungen zu untersuchen. Als eines der Hauptinstrumente von IXO ist der Wide Field Imager (WFI) vorgesehen. Sein Detektor ist realisiert als „aktiver“ Pixel-Sensor, bestehend aus 1024 × 1024 Pixeln, in welchen die erste Verstärkerstufe bereits integriert ist. Diese besteht im Wesentlichen aus einem vollständig verarmten p-Kanal Feld Effekt Transistor (DePFET). Diese Art von Detektor steht im Mittelpunkt dieser Arbeit. Für die Beobachtung von hellen Quellen ist in der gegenwärtig geplanten Satellitenkonfiguration zusätzlich der High Time Resolution Spectrometer (HTRS) vorgesehen. Das Hauptziel dieser Arbeit besteht in der Abschätzung der zu erwartenden Leistungsfähigkeit der DePFET-Matrizen, die für IXO und Simbol-X entwickelt werden, durch eine Kombination aus Messungen und Simulationen. In Zusammenarbeit mit dem Halbleiterlabor der Max-Planck-Institute, wurde dazu am Institut für Astronomie und Astrophysik der Universität Tübingen ein Teststand aufgebaut, der es erlaubt, Prototypen der DePFET-Matrizen zu betreiben und zu untersuchen. Umfangreiche Messungen wurden unter verschiedenen Bedingungen wie z.B. Temperatur, Belichtung und Betriebsparametern des Detektors durchgeführt. Aspekte wie Zeit- und Energieauflösung, Ladungsverteilung und Pile-up wurden experimentell erforscht. Es wurde ein Monte-Carlo Simulationscode entwickelt, um zahlreiche Aspekte von Halbleiterdetektoren zu untersuchen. Der Code ermöglicht eine realistische Darstellung von Quellspektren und erlaubt die Simulation von zeitlich variablen Quellen unter Berücksichtigung der entsprechenden Statistik. Anhand der am IAAT durchgeführten Messungen wurde der Code hinsichtlich Energie- und Zeitauflösung, sowie der Ladungsverteilung überprüft. Die gemessen Werte des Detektors unter Pile-up Bedingungen, welche durch die Belichtung mit hellen Quellen verursacht werden, konnten durch den Simulationscode reproduziert werden. Die Übertragung der Simulation auf den WFI von IXO zeigt, dass die Beobachtungsmöglichkeiten von Galaktischen Röntgenquellen wie z.B. Röntgendoppelsternen und Überresten von Supernovae stark eingeschränkt sind, da die typischen Leuchtkräfte dieser Objekte die Leistungsfähigkeit der Detektoren übersteigen. Wir haben deshalb den Simulationscode um den HTRS erweitert. Wir kommen anhand unsere Ergebnisse zu dem Schluss, dass ein Instrument wie der HTRS, welches bauartbedingt hohe Zählraten mit großer Effizienz messen kann, unerlässlich ist, um mit IXO Galaktische Quellen beobachten zu können.