centenares de keV hasta unos pocos MeV), presenta un extraordinario potencial para comprender
los procesos más extremos que tienen lugar en el Universo, como las explosiones estelares o los
aceleradores de partículas. No obstante, a pesar de los enormes esfuerzos realizados por los
observatorios de rayos gamma (en el pasado y en la actualidad), se requiere una mejora en la
sensibilidad instrumental para aprovechar el enorme potencial científico contenido en este rango
energético.
Durante las dos últimas décadas se han buscado formas de mejorar la sensibilidad de los
instrumentos, incrementando la eficiencia de los detectores y reduciendo el ruido instrumental
(mediante sofisticados mecanismos de blindaje y técnicas de análisis). Con este objetivo, un enorme
esfuerzo en innovación instrumental (construcción de prototipos y estudios numéricos) está siendo
realizado por una comunidad creciente de científicos que se enfrentan al reto de preparar la próxima
generación de telescopios de rayos gamma. En particular, son especialmente notables los avances
logrados en los últimos años en el campo de la focalización de rayos gamma mediante lentes de
difracción. Conceptualmente, una lente de rayos gamma reduciría drásticamente el ruido
instrumental ya que concentra los fotones en un detector de pequeñas dimensiones (el ruido es
proporcional al volumen del instrumento). Una lente de difracción, para observaciones en astrofísica
nuclear, no es sólo un concepto teórico, sino una realidad, gracias principalmente al proyecto
CLAIRE. Asimismo, el desarrollo de la tecnología para la focalización de rayos gamma ha
incentivado el desarrollo de las diferentes tecnologías de detección. Un detector apropiado para el
plano focal de una lente gamma, debe disponer de capacidad de imagen, proporcionar
espectroscopia de alta resolución y medir la polarización de los fotones incidentes.
El trabajo presentado en esta tesis comprende tanto la óptica de focalización como el detector del
plano focal. Con respecto a la óptica, se presenta el ensayo realizado con el prototipo CLAIRE,
mediante el cual se ha confirmado los principios de una lente de difracción. En cuanto al plano
focal, esta investigación se ha desarrollado principalmente en el marco de estudio de las misiones
espaciales GRI (2007) y DUAL (2010), propuestas a la ESA dentro del programa “Cosmic Vision
2015-2025”. En el marco de la misión GRI, se presenta una configuración para el detector del plano
focal basado en detectores pixelados de Cd(Zn)Te, al tiempo que se investiga y desarrolla un primer
prototipo de detector pixelado de CdTe. Cabe destacar que el sistema de detección propuesto fue
registrado con éxito mediante una patente europea, y está siendo desarrollado para su aplicación en
medicina nuclear. En relación a la propuesta DUAL, se presenta un estudio del ruido instrumental
obtenido mediante simulaciones numéricas con el fin de precisar la sensibilidad del instrumento
(basado en detectores de Germanio) propuesto en esta misión. Más allá de las tecnología
consideradas en GRI y DUAL, una amplia variedad de detectores pueden ser explorados, bien para
el plano focal de una lente de difracción o bien como sistemas de detección por sí mismos. En este
sentido, se ha ampliado el espectro de tecnologías y se ha incluido un estudio sobre detectores
basados en xenón líquido.
En esta tesis se ha realizado un trabajo de investigación y desarrollo con tecnologías vanguardistas
propuestas para la próxima generación de telescopios de rayos gamma. Esta instrumentación debe
enfrentarse al reto de alcanzar la sensibilidad requerida para dar respuesta a las cuestiones aun no
resultas por la astrofísica de rayos gamma en el rango de energía de las transiciones nucleares. / few MeV) has an extraordinary potential for understanding the evolving and violent Universe. In
spite of the strong efforts accomplished by past and current instruments, in order to perform
observations in this energy range, an improvement in sensitivity over present technologies is needed
to take full advantage of the scientific potential contained in this energy range.
In order to achieve higher sensitivities, γ-ray astronomy has been looking over the last decades for
new ways to increase the efficiency of its instruments while reducing the background noise. With
the objective of reducing or avoiding as much background as possible (through shielding
mechanisms and data analysis techniques), a strong effort in innovation and design (build-up of
prototypes and numerical simulations studies) is being conducted by a community facing the
challenge of preparing the next generation of γ-ray telescopes.
In particular, the progress achieved during the last decade on focusing optics based on Laue lenses
is especially remarkable. Conceptually, a focusing telescope will reduce drastically the background
noise by concentrating γ-rays onto a small size detector.
Focusing γ-rays with a Laue lens is not just a theoretical concept, but a reality, mainly thanks to the
development of a first prototype of Laue lens for nuclear astrophysics accomplished as part of the
CLAIRE project. Moreover, the development of focusing optics during these years has also
encouraged the development of new detector technologies. The focal plane detector of a focusing
telescope should provide imaging capabilities, perform high-resolution spectroscopy and measure
the polarization of the incident photons in order to achieve the ambitious scientific goals.
The research presented in this thesis covers both main areas of a γ-rays telescope: focusing optics
and focal plane detector. As far as the optics is concerned, a test of the lens CLAIRE was performed
in order to confirm the principles of a Laue diffraction lens. Concerning the focal plane detector,
theoretical and experimental studies with new detector technologies have been carried out.
Our main research has evolved in the framework of two mission concept studies -GRI (2007) and
DUAL (2010)- submitted to the ESA Calls for a Medium-size mission opportunity within the
Cosmic Vision 2015-2025 program. As far as the GRI mission is concerned, a focal plane detector
configuration based on Cd(Zn)Te pixelated detectors is proposed, whilst development and testing of
a detector prototype is accomplished. It is noteworthy that the detector configuration was
successfully registered under a European Patent and is being considered for applications in the field
of nuclear medicine. Regarding the DUAL mission, simulations of the expected space radiation
environment and the resulting detector activation were carried out in order to estimate the
performances of the all-sky Compton telescope of DUAL (based on Germanium-strip detectors).
The results show that DUAL could achieve, after two years of operation, a continuum sensitivity
one order of magnitude better than any past and current observatory in the MeV energy range and
up to a factor 30 of improvement with its Laue lens.
Beyond the detector technology proposed for GRI and DUAL, a wide variety of technologies could
be explored for the focal plane of a γ-ray lens mission as well as for a stand-alone detector. In this
thesis a focal plane detector based on liquid xenon is also considered.
This work faces the challenges of the next generation of γ-ray telescopes, where high performance
γ-ray detectors are necessary to achieve the required sensitivity in order to answer several hot
scientific topics of Gamma-ray astrophysics in the energy range of nuclear transitions.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:TDX_UAB/oai:www.tdx.cat:10803/83940 |
| Date | 31 January 2012 |
| Creators | Álvarez Pastor, José Manuel |
| Contributors | Hernanz Carbó, Margarita, Rodríguez Viejo, Javier, Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física |
| Publisher | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Source Sets | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | 184 p., application/pdf |
| Source | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, ADVERTIMENT. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs. |
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