Estudo computacional da concepção e do desempenho da câmera de raios X do experimento protoMIRAX - Manuel Antonio Castro Ávila (2011)
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 X duros e raios $γ$ 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 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.