Estudo computacional da concepção e do desempenho da câmera de raios X do experimento protoMIRAX

• Ano de defesa: 2011
• Autor(a) principal: Manuel Antonio Castro Ávila
• Orientador(a): João Braga
• Banca de defesa: Jorge Mejía Cabeza
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Astrofísica
• País: BR
• Resumo em Inglês: Building focusing instruments for high-energy electromagnetic radiation above $\sim$ 15 keV is still a major technological challenge due to the limitations imposed by geometric optics. NASA's recently launched NuSTAR satellite shall extend this limit to 80 keV. However, at hard \textit{X} rays and low energy $\gamma$ rays, the coded mask imaging technique is still the most suitable one, and it is widely used in both balloon and satellite experiments. Even though coded-mask systems do not provide images with high signal-to-noise ratios due to the fact that there is no concentration of photons coming from the sources, the technique allows imaging with good angular resolution in wide fields of view. In this work, we carry out a computational study to define in detail the best possible configuration for the \textit{X}-ray camera of the balloon-borne protoMIRAX experiment, which is under development at INPE's Astrophysics Division. The experiment consists essentially in a coded-mask imaging camera designed to produce images of the sky from 30 to 200 keV in a 20° x 20° FWHM field of view, using state-of-the-art CdZnTe detectors. Simulations were performed using the wellknown Geant4 package in order to estimate the background during balloon flights. This background is due to the interactions of several particle species and photons. A detailed mass model was conceived for the camera and the radiation and particle fields at balloon altitudes were studied. The knowledge of the background intensity and spectrum is of fundamental importance for the definition of the best materials to be used, the lateral and bottom shield structure, and the open fraction of the mask. These are also fundamental parameters for the instrument sensitivity estimation. Monte Carlo simulations were also performed inorder to determine the ideal parameters for the coded mask of protoMIRAX. The use of an iterative reconstruction algorithm was shown to be very useful for achieving better angular resolution as compared to conventional instruments when the background is relatively weak. This technique allows building coded-mask systems in which the openings in the mask are significantly smaller than the detector plane spatial resolution. This was never implemented in astrophysical instruments.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m19/2011/02.10.13.46

A construção de instrumentos focalizadores de radiação eletromagnética de altas energias, acima de $\sim$15 keV, ainda é um grande desafio tecnológico devido aos limites impostos pela óptica geométrica. Recentemente lançado, o satélite NuSTAR da NASA deverá conseguir elevar esse patamar até aproximadamente 80 keV. No entanto, em raios \textit{X} duros e raios $\gamma$ de baixa energia, o método mais adequado para se produzir imagens em astrofísica ainda é o de máscara codificada, amplamente utilizado em experimentos em balões e satélites. Embora não produza imagens com alta relação sinal/ruído, pois não há concentração de fótons oriundos das fontes, o método permite imageamento com boa resolução angular em amplos campos de visada. Neste trabalho, fazemos um estudo computacional para definir em detalhe a melhor configuração possível para a câmera de raios \textit{X} do experimento de balão estratosférico protoMIRAX, da Divisão de Astrofísica do INPE. O experimento consiste essencialmente de uma câmera imageadora que utiliza a técnica da máscara codificada para obter imagens do céu de 30 a 200 keV num campo de visada de 20° x 20° FWHM, utilizando detectores CdZnTe de última geração. Foram realizadas simulações utilizando o conceituado pacote Geant4 para prever o ruído de fundo a ser observado em voos de balão, gerado por diversos tipos de partículas e fótons. Para isso foi concebido um modelo de massa detalhado para a câmera e foi feito um estudo dos campos de radiação em altitudes de balão. O conhecimento da intensidade e do espectro de ruído de fundo é fundamental para se definir os melhores materiais a serem utilizados, a estrutura do sistema de blindagem lateral e inferior, e a fração aberta da máscara, além de serem parâmetros fundamentais para se estimar a sensibilidade do instrumento. Foram realizadas também simulações de Monte Carlo com o objetivo de se determinar os parâmetros ideais para a máscara codificada do protoMIRAX. A aplicação de um método iterativo de reconstrução mostrou-se útil para a obtenção de resoluções angulares superiores aos instrumentos convencionais quando o ruído de fundo é relativamente fraco. Essa técnica permite a construção de câmeras de máscara codificada com aberturas de tamanho significativamente menor do que a resolução espacial do plano detector, algo que nunca foi utilizado em astrofísica.