In the last decades gamma-ray astronomy has evolved into an important branch of astrophysics. Especially in the energy range between a few 100keV and several 10MeV a large variety of physical processes in cosmic sources can be observed - such as nucleosynthesis, positron annihilation, synchrotron emission, Bremsstrahlung, pion decay, and inverse-Compton scattering. A first all-sky survey was performed by the COMPTEL telescope aboard the Compton Gamma-Ray Observatory (1991-2000). Detailed insights to selected objects are currently given by INTEGRAL. For a deeper understanding of the energetic processes and the life cycle of matter in our Universe a new mission is desirable.
This could be fulfilled by an instrument called MEGA (Medium Energy Gamma-ray Astronomy). The detector concept combines the imaging and spectroscopic capabilities of a Compton and a pair creation telescope for the energy range of 0.4-50MeV. At the Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik the MEGA prototype has been built, its properties have been determined through measurements of radioactive laboratory sources and in an accelerator measurement.
The instrument makes use of an electron-tracking device ("tracker") and a calorimeter. The tracker is the central part of the detector. Here the primary interaction (Compton scatter or pair creation) takes place. It consists of eleven layers of double-sided silicon strip detectors. This setup allows to track charged particles as required for a tracking Compton instrument as well as for a pair creation detector. The average energy resolution of the tracker is 9.7keV (1 sigma at 122keV and room temperature).
The tracker is surrounded on the sides and at the bottom by 20 calorimeter blocks. The calorimeter absorbs secondary particles leaving the tracker. Each block houses a 10 by 12 array of CsI(Tl) scintillator crystals coupled to silicon PIN photodiodes. The bottom blocks feature a three dimensional resolution of the position of interaction by means of a two-sided readout. A new algorithm for calibrating the energy and position for individual crystals based on low-statistics data has been developed. The average energy resolution of the calorimeter is 38keV (1 sigma at 662keV), the average depth resolution is better than 2cm for energies above 3MeV.
The detectors are read out by a self-triggering system in response to ~10000 detector channels. In order to limit the data rate a flexible event selection hardware has been implemented.
Calibration measurements with radioactive laboratory sources cover only the lower part of the prototype's energy range. At the High Intensity Gamma-ray Source (HIGS) at Duke University (Durham, N.C., USA) the prototype was exposed to mono-energetic, fully polarized radiation in the range of 0.7 to 50 MeV.
From these measurements the characteristic parameters of the prototype, i.e. its Compton and pair creation telescope properties, are derived: an energy resolution of 41keV (1 sigma at 0.7MeV), a field-of-view larger than 160°, and an effective area of typically 1-2cm2.
Finally, lessons learned from the prototype and possible improvements are discussed. The electronics subsystem has been identified as the weakest point of the system but also modifications of the detectors (e.g. silicon drift diodes for the calorimeter readout) promise improved performance of the telescope.
This prototype clearly demonstrated that the new concept of a combined Compton and pair creation instrument is feasible. Detailed simulations are in good agreement with the measurements. After experimental validation of the instrumental background e.g. in a stratospheric balloon flight of the prototype, the performance of a full scale space telescope could be predicted with good accuracy and the instrument configuration could be optimized in terms of its sensitivity to astronomical sources.
Übersetzte Kurzfassung:
In den vergangenen Jahrzehnten entwickelte sich die Gamma-Astronomie zu einem wichtigen Zweig der Astrophysik. Insbesondere im Energiebereich von wenigen 100keV bis zu einigen 10MeV läßt sich eine große Vielzahl physikalischer Prozesse beobachten - zum Beispiel die Nukleosynthese, die Positronenannihilation, Synchrotronstrahlungs- und Bremsstrahlungsemissionen, der Pionenzerfall und die inverse Comptonstreuung. Eine erste Himmelsdurchmusterung wurde mit dem COMPTEL Teleskop auf dem Compton Gamma-Ray Observatory (1991-2000) durchgeführt. Tiefe Einblicke in eine Reihe von Objekten erhalten wir derzeit von INTEGRAL. Um die hochenergetischen Prozesse und die Zyklen, die Materie im Universum durchläuft, weiter zu verstehen, wird eine
neue Satellitenmission benötigt.
Dieser Aufgabe wird ein Instrument namens MEGA (Medium Energy Gamma-ray Astronomy) gerecht. Sein Detektorkonzept vereint die Abbildungs- und Spektroskopieeigenschaften eines Compton- und
Paarerzeugungsteleskops im Energiebereich von 0.4 bis 50MeV. Am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik wurde ein Prototyp von MEGA gebaut und seine Eigenschaften einerseits mit radioaktiven Laborquellen und andererseits anhand einer Beschleunigermessung bestimmt.
Das Instrument besteht aus einem Spurdetektor und einem Kalorimeter. Der Spurdetektor stellt den zentralen Teil des Detektors dar. Hier findet die primäre Wechselwirkung (Comptonstoß oder Paarerzeugung) statt. Er besteht aus elf Lagen doppelseitiger Siliziumstreifenzähler. In diesen Lagen können die Spuren geladener Teilchen aufgezeichnet werden, so wie es sowohl für einen spurverfolgenden Comptonstoßdetektor als auch ein
Paarerzeugungsinstrument notwendig ist. Im Mittel beträgt die Energieauflösung des Spurdetektors 9.7keV (1 sigma bei 122keV und Raumtemperatur).
Der Spurdetektor ist an seinen Seiten und seinem Boden von 20 Kalorimeterblöcken umgeben. Das Kalorimeter absorbiert die sekundären Teilchen, die den Spurdetektor verlassen. Jeder Block umfaßt eine 10x12 Matrix aus CsI(Tl) Szintillatorkristallen, die an Silizium-PIN-Dioden gekoppelt sind. Die Blöcke am Boden erlauben eine dreidimensionale Auflösung der Wechselwirkungsposition, die durch zweiseitige Auslese der Kristalle erreicht wird. Ein neu entwickelter Algorithmus erlaubt eine Eichung der Energie und der Position von Wechselwirkungen in einzelnen Kristallen auch auf Basis von Kalibrationsdaten mit niedriger Statistik. Im Mittel ergibt sich eine Energieauflösung des Kalorimeters von 38keV (1 sigma bei 662keV) und eine Tiefenauflösung von unter 2cm für Energiedeposits oberhalb von 3MeV.
Die Detektoren werden von einem System ausgelesen, das eigenständig auf die ~10000 Detektorkanäle reagiert. Die Datenrate wird durch einen flexiblen Ereignisfilter begrenzt, der in der Ausleseelektronik implementiert ist.
Eichmessungen mit radioaktiven Laborquellen decken nur den niederenergetischen Teil des Energiespektrums ab. Deshalb wurde der Prototyp an der High Intensity Gamma-ray Source (HIGS) der Duke University (Durham, N.C., USA) mit monoenergetischer, vollständig polarisierter Gammastrahlung im Bereich von 0.7 bis 50MeV bestrahlt.
Aus diesen Messungen wurden die Charakteristika des Prototypen, d.h. seine Eigenschaften als Compton- und Paarerzeugungsteleskop, ermittelt: Seine Energieauflösung beträgt 41keV (1 sigma bei 0.7MeV), das Gesichtsfeld ist größer als 160° und der Prototyp hat eine effektive Fläche von typisch 1-2cm2.
Abschließend werden die mit dem Prototypen gesammelten Erfahrungen zusammen mit Verbesserungsvorschlägen diskutiert. So wurde die Elektronik als schwächstes Glied des Gesamtsystems identifiziert, aber auch Änderungen an den Detektoren (z.B. Siliziumdriftdetektoren zur Auslese der Kalorimeterkristalle) versprechen eine Leistungssteigerung des Teleskops.
Dieser Prototyp hat eindeutig bewiesen, dass das neue Konzept eines kombinierten Comptonstoß- und Paarerzeugungsteleskops realisierbar ist. Detaillierte Simulationen stimmen gut mit den Messungen überein. Der
instrumentelle Hintergrund ist noch experimentell zu überprüfen, z.B. durch einen Stratosphärenballonflug mit dem Prototypen. Danach wären die Eigenschaften eines größeren Instruments mit hoher Genauigkeit vorhersagbar und die Konfiguration des Instruments für eine Satellitenmission könnte auf ihre Sensitivität hin optimiert werden.
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