Development of a stacked detector system and its application as an X-ray polarimeter

Abstract

Astronomical observations in the X-ray range must be performed outside of earth’s atmosphere and are nowadays mainly done by the use of X-ray satellites. The optics which defines the field of view of the satellite and the sensor which detects the X-ray radiation are two essential parts of an X-ray satellite. The use of a focusing optics which concentrates the radiation to a small sensor achieves a high spatial resolution and a low detector background and results therefore in a high sensitivity to detect weak X-ray sources. The recent development of multi-layer-coated X-ray optics allows to focus radiation up to the hard X-ray range and requires new detector concepts. A stacked detector setup consisting of a low energy detector (LED) and a high energy detector (HED) that is placed behind the LED to cover such a wide energy range has been developed in this work. The main advantage of a stacked detector system is its effective detec- tion of broad band X-ray radiation (0.1keV to 80keV) that is focused by the optics. The main goal of this work is the construction of a stacked detector system and the investigation of its properties with analysis software that was especially developed for this purpose. In this context, the mutual influence between both detector systems is of special interest and shall be studied experimentally. The LED is realized by a silicon based active pixel matrix with a maximal readout speed of 410 frames per second. The HED consists of cadmium telluride Schottky diodes with a self-triggered integrated readout electronics. The performance of both detectors was first studied individually to become ac- quainted with their individual characteristics. The construction of the LED subsystem is especially worth mentioning because it is to a large fraction an in-house develop- ment of the IAAT (Institute for Astronomy and Astrophysics Tübingen). Besides the detector control electronics, the signal digitization, the signal preprocessing, and the data transfer were newly developed and tested during the construction of the LED setup. To a large fraction, this was done in the framework of this work. The combined operation of the LED and the HED in the stacked configuration results in a minor mutual heating between both detectors, the appearance of fluores- cence lines (emitted by the HED and detected by the LED), and the flux reduction of the HED for energies below ~25keV. A signal crosstalk between both systems was not observed. The presented work shows that these negative mutual influences of both detector systems can not only be compensated with an appropriate data analysis but that also typical detector artifacts, e.g. escape peaks, can be suppressed. Furthermore, the combined operation of the stacked system allows for additional quantities to be measured which is presented in the example of a Compton camera and a Compton polarimeter. In this context, the expected efficiency of the setup to operate as a Compton camera and its sensitivity as a Compton polarimeter are analyzed. This includes a statistical analysis which shows a novel way to construct point and interval estimations for the degree and the angle of polarization.

Astronomische Beobachtungen im Röntgenbereich können nur außerhalb der absor- bierenden Erdatmosphäre stattfinden und werden heutzutage nahezu ausschließlich mit Hilfe von Röntgensatelliten durchgeführt. Wesentliche Bestandteile eines Rönt- gensatelliten sind seine Optik, welche das Gesichtsfeld des Satelliten festlegt und seine Sensorik, welche die Röntgenstrahlung detektiert und in elektrische Signale umwan- delt. Die Verwendung einer fokussierenden Optik, welche das Röntgenlicht bündelt und auf einen kleinen Sensor abbildet, ermöglicht eine hohe räumliche Auflösung und einen geringen Detektorhintergrund und somit eine verbesserte Sensitivität für die Detektion von schwachen Röntgenquellen. Aufgrund der ständigen Weiterentwicklung von fokussierenden Röntgenoptiken, welche nun bis weit in den harten Röntgenbereich effizient arbeiten können, wer- den neue Detektorkonzepte möglich. Ein gestapeltes Detektorsystem, bestehend aus einem Niederenergiedetektor (LED) und einem sich dahinter befindenden Hochen- ergiedetektor (HED) ist solch ein neues Detektorkonzept, das in dieser Arbeit unter- sucht wurde. Der Hauptvorteil eines gestapelten Detektorsystems besteht darin, die durch die Optik fokussierte Strahlung in einem breiten Energiespektrum (ca. 0.1keV bis 80keV) effizient zu erfassen. Das Hauptziel dieser Arbeit ist der Aufbau eines gestapelten Detektorsystems und dessen systematische Untersuchung mittels speziell dafür erstellter Analysesoftware. Dabei soll insbesondere die gegenseitige Wechselwirkung zwischen beiden Detektorsys- temen experimentell analysiert werden. Der LED ist durch eine siliziumbasierte aktive Pixelmatrix realisiert, welche bis zu 410 mal pro Sekunde ausgelesen werden kann. Der HED besteht aus Cadmiumtellurid-Schottky-Dioden mit einer selbstauslösenden integrierten Ausleseelektronik. Die beiden Detektoren wurden zuerst einzeln untersucht, um deren individuelle Charakteristika kennenzulernen. Dabei ist insbesondere der Aufbau des LED-Systems zu erwähnen, welches zum größten Teil eine Eigenentwicklung des IAAT (Institut für Astronomie und Astrophysik Tübingen) ist. Neben der Detektoransteuerungselek- tronik wurden die Signaldigitalisierung, die Signalvorverarbeitung und die Datenüber- tragung des LED-Systems neu entwickelt und getestet, was zum großen Teil im Rah- men dieser Arbeit geschah. Der gemeinsame Betrieb von LED und HED in der gestapelten Konfiguration zeigt eine geringfügige gegenseitige Erwärmung beider Detektoren, das Auftreten von Flu- oreszenzlinien (emittiert vom HED, detektiert vom LED) und eine Flussverringerung des HED unterhalb von ~25keV. Ein Signalübersprechen zwischen beiden Systemen konnte nicht beobachtet werden. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass durch eine entsprechende Datenanalyse diese neg- ativen Beeinflussungen beider Detektorsysteme nicht nur kompensiert werden können, sondern dass auch typische Detektorartefakte wie z.B. „escape peaks“ unterdrückt werden können. Zudem ermöglicht der gemeinsame Betrieb des gestapelten Sys- tems neue Analysemöglichkeiten, welche anhand einer Compton-Kamera und eines Compton-Polarimeters vorgestellt werden. Die erwartete Effizienz im Betrieb als Compton-Kamera und die Sensitivität im Betrieb als Compton-Polarimeter werden in diesem Zusammenhang analysiert. Dies beinhaltet eine statistische Analyse, welche neue Möglichkeiten aufzeigt Punkt- und Intervallabschätzungen für den Grad und die Richtung der Polarisation zu bestimmen.