Development and Testing of Instrumentation for Space-Based Ultraviolet and X-Ray Astronomy

Abstract

Since the atmosphere of the Earth is opaque for ultraviolet (UV) and X-ray radiation, space-based observatories are crucial for astronomical studies and scientific progress in these domains. The two key aspects of this thesis are both related to future astronomical satellite missions and concern the development of a position sensitive UV detector and the reliability assessment of silicon X-ray sensors.

An advanced microchannel plate (MCP) detector for the UV band is currently under development at the IAAT. High sensitivity, a large dynamic range, long term stability, and a low power dissipation are the necessary requirements to push the performance and lifetime of future UV missions and, therefore, are the key drivers of this effort. Besides the production of efficient photocathodes, the main innovation to reach these goals is the application of a cross-strip anode. This kind of anode has not been used in spaceborne UV detectors so far, particularly because the development of low power front-end electronics is challenging due to a large number of readout channels. A test setup equipped with MCPs to generate realistic signal stimuli for the readout electronics under development has been designed and constructed as part of this thesis.

The second part of this thesis concerns studies of the effects of orbital low energy proton radiation on X-ray sensors. These soft protons can seriously degrade the photon detection performance and are potentially more harmful than energetic protons. Furthermore, instruments with grazing incidence X-ray optics concentrate the ambient orbital proton flux in their focal plane, where the sensors are located. Soft proton radiation is thus considered a major risk to future X-ray missions such as eROSITA, LOFT, and Athena, requiring a thorough assessment and mitigation strategy. Within this work, a unique soft proton irradiation experiment has been set up at the local accelerator facility. It features an unprecedented high flux uniformity over a large area and a monitoring system for the spectrum and the fluence. The setup has been used in two irradiation campaigns for LOFT sensor prototypes and for the irradiation of coated optics for ADM-Aeolus, a future satellite mission to map Earth's global wind profiles. A recent upgrade of the setup enables measurements of the grazing angle soft proton scattering efficiency of which experimental data was scarcely available up to now. Systematic measurements with samples of eROSITA spare mirror shells have been performed. The results deviate from previous measurements and show limitations of widely used simulation codes. The data will be used as an input for a novel ray tracing software dedicated to model proton propagation through X-ray optics.

Die Erdatmosphäre ist opak für ultraviolettes (UV) Licht und Röntgenstrahlung. Der Betrieb von Observatorien im Weltraum ist deshalb eine entscheidende Grundvoraussetzung für astronomische Untersuchungen und den wissenschaftlichen Fortschritt in diesen Wellenlängenbereichen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Entwurf und der Planung von Messinstrumenten für derartige Satellitenmissionen. Die beiden Schwerpunkte der Arbeit betreffen die Entwicklung eines weltraumtauglichen positionsempfindlichen UV-Detektors sowie die Evaluation der Zuverlässigkeit von siliziumbasierten Röntgendetektoren.

Das IAAT entwickelt derzeit einen neuartigen Mikrokanalplatten-Detektor für UV-Licht. Hohe Sensitivität, ein großer Dynamikumfang, gute Langzeitstabilität und eine geringe Wärmeabgabe sind dabei wichtige Voraussetzungen für eine verbesserte Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Instruments und Ziel dieser Bemühungen. Neben der Produktion effizienter Photokathoden ist der Einsatz einer sogenannten Cross-strip-Anode die zentrale Innovation. Dieser Anodentyp wird bislang in weltraumgebundenen UV-Detektoren nicht eingesetzt, weil insbesondere die Entwicklung einer Ausleseelektronik mit geringer Wärmeabgabe für die große Zahl an Kanälen eine Herausforderung darstellt. Um realistische Auslöseimpulse für die sich in der Entwicklung befindliche Ausleseelektronik zu erzeugen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein mit Mikrokanalplatten bestückter Testaufbau entworfen und umgesetzt.

Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit den Auswirkungen von orbitaler niederenergetischer Protonenstrahlung auf Röntgendetektoren. Diese sogenannten weichen Protonen können die Fähigkeit dieser Instrumente zur Photonendetektion empfindlich verschlechtern und sind potentiell schädlicher als höherenergetische Protonen. In Röntgenteleskopen mit fokussierender Optik wird darüber hinaus der orbitale Protonenfluss auf die Detektoren in der Fokalebene konzentriert. Weiche Protonenstrahlung wird aus diesen Gründen als ein Hauptrisiko für zukünftige Röntgenmissionen wie eROSITA, LOFT und Athena betrachtet; eingehende Untersuchungen und vorbeugende Maßnahmen sind erforderlich. Aufbau und Durchführung eines einzigartigen Bestrahlungsexperiments an der Beschleunigeranlage der Universität waren deshalb ebenso Bestandteil dieser Arbeit. Das Experiment zeichnet sich durch eine bislang unerreichte Gleichmäßigkeit der Flussverteilung aus und besitzt ein Messsystem für die spektrale Energieverteilung und die applizierte Dosis, das vom bestrahlten Objekt unabhängig ist. Der Aufbau wurde für zwei Bestrahlungskampagnen für LOFT-Detektorprototypen verwendet sowie für die Bestrahlung beschichteter Optiken für ADM-Aeolus, eine zukünftige Satellitenmission zur Kartierung globaler Windprofile in der Erdatmosphäre. Eine kürzlich erfolgte Erweiterung des Aufbaus ermöglicht Messungen der Streueffizienz niederenergetischer Protonen unter streifendem Einfall, wofür experimentelle Daten bisher kaum verfügbar waren. Systematische Messungen wurden an Proben von eROSITA-Reservespiegelschalen durchgeführt. Die Ergebnisse weichen von bisherigen Messungen ab und zeigen Beschränkungen vorherrschender Simulationen auf diesem Gebiet auf. Sie dienen zudem als Grundlage einer neuartigen Raytracing-Software, die zur Modellierung der Protonenpropagation durch Röntgenoptiken bestimmt ist.