Studio e caratterizzazione del tracciatore al silicio del Large Area Telescope di GLAST

Il Gamma-ray Large Area Telescope (GLAST) è un esperimento spaziale per lo studio dei raggi gamma. Il suo strumento principale, il LAT ( Large Area Telescope), è concepito per studiare i fotoni di energia compresa tra 30 MeV e 300 GeV attraverso il processo dominante a tali energie: la produzione di coppie e+e-. Lo strumento verrà lanciato nel 2007 e realizzerà osservazioni con una precisione mai raggiunta prima, continuando la tradizione che negli ultimi decenni ha permesso lo sviluppo dell’astronomia gamma. Inoltre si potrà osservare una regione dello spettro elettromagnetico mai osservata prima, compresa tra qualche decina e le centinaia di GeV. Con GLAST si potranno studiare vari tipi di sorgenti gamma come Nuclei Galattici Attivi, pulsar, Gamma Ray Burst e quelle sorgenti gamma che non sono state ancora identificate. Saranno possibili studi su argomenti alla frontiera tra astrofisica e fisica delle particelle come il meccanismo di accellerazione dei raggi cosmici o la ricerca di materia oscura. Nel prossimo decenni ci si aspetta un significativo passo avanti in tutti questi campi grazie alle osservazioni fornite dall’attuale generazione di strumenti, sia spaziali (tra cui GLAST è sicuramente il riferimento principale) che terrestri i quali offrono migliori prestazioni ad energie elevate. Il LAT è uno strumento altamente tecnologico, progettato utilizzando tecniche di fisica delle particelle elementari. L’idea di fondo è quella di ricostruire il vertice del processo di produzione di coppie e misurare l’energia dello sciame. Per tale scopo è necessario un tracciatore–convertitore e un calorimetro. Il tracciatore è in fase di costruzione presso l’INFN di Pisa. Esso sfrutta la sovrapposizione di piani di materiale ad alto Z (tungsteno) per favorire la produzione di coppie e piani X-Y di rivelatori a microstrip di silicio per tracciare le particelle cariche. Il disegno del LAT segue una struttura modulare, in modo da ottimizzare tempi e costi di produzione. Esso è formato da 16 torri identiche, ognuna delle quali è composta da tracciatore, calorimetro ed elettronica di controllo. Per quanto riguarda le torri del tracciatore, oggetto di questa tesi, essoe sono costruite da una pila di tray: si tratta di strutture in carbonio che fungono da sostegno meccanico ai rivelatori al silicio ed all’elettronica di lettura. I rivelatori sono di tipo a microstrip di 228 um di passo, la cui caratteristica fondamentale è la bassissima corrente di leackage (~ 100 nA per un wafer) e la bassa tensione di svuotamento (< 120 V). Tali peculiarità sono essenziali per il loro utilizzo su un satellite artificiale, dove la potenza elettrica disponibile è limitata. La costruzione del tracciatore è ormai ben avviata. Tutti i sensori al silicio sono stati ricevuti e quasi tutti sono già stati testati, confermando l’ottima qualità della produzione con oltre il 97 % di wafer accettati. Le procedure di produzione dei vari componenti sono ormai definite ed hanno già dato buoni risultati sui prototipi. Si prevede di ultimare la costruzione della prima torre di volo entro l’estate di quest’anno. Componente essenziale del LAT è il sistema di controllo e acquisizione dati (DAQ). Ogni torre ha un sistema indipendente gestito da un modulo chiamato TEM (Tower Electronic Module). Ogni piano di rivelatori è letto da un modulo di elettronica, detto MCM (Multi Chip Module), formato dai chip di Front–End, che digitalizzano il segnale dei rivelatori e da due chip di controllo. All’INFN di Pisa è anche affidato il compito di preparare i test elettrici per le varie fasi della costruzione stessa. Il controllo dello strumento avviene tramite un sistema di supporto a terra (EGSE) gestito per mezzo di un ambiente software fornito dal gruppo responsabile del I&T (Integration and Test). A Pisa vengono preparate le routine di test e si provvede ad archiviare i risultati dei test stessi in modo da renderli facilmente reperibili durante la successiva fase di integrazione. Si tratta di script in linguaggio Python scritti in modo da esercitare le varie funzioni dei chip e studiarne le prestazioni: funzionalità, ricerca di strip difettose, rumore elettronico, ecc... Un prototipo di rivelatore, equipaggiato con MCM di volo, è stato costruito ed ampliamente testato con l’obiettivo di validare il progetto generale e cercare eventuali punti deboli. Su di esso sono stati studiate le prestazioni in termini di rumore, efficienza e risoluzione: i risultati hanno soddisfatto i requisiti di progetto in un ampio range di parametri funzionali. È stato infine analizzato un set di eventi di raggi cosmici con l’ausilio del software offline di ricostruzione e analisi di GLAST: GLEAM. Sono state evidenziate interessanti correlazioni tra la direzione (ricostruita) di arrivo delle particelle e l’andamento di valori come distribuzione e molteplicità delle hit e Time Over Threshold. Dove possibile sono stati anche costruiti semplici modelli analitici per spiegare gli andamenti osservati. L’esperienza acquisita con il prototipo di tracciatore ed il miglioramento progressivo del sistema di controllo sono estremamente importanti per la fase di assemblaggio. Essi sono gli strumenti essenziali per la preparazione dei test che dovranno garantire il perfetto funzionamento delle torri del LAT

An X-ray Polarimeter for HXMT Mission

The development of micropixel gas detectors, capable to image tracks produced in a gas by photoelectrons, makes possible to perform polarimetry of X-ray celestial sources in the focus of grazing incidence X-ray telescopes. HXMT is a mission by the Chinese Space Agency aimed to survey the Hard X-ray Sky with Phoswich detectors, by exploitation of the direct demodulation technique. Since a fraction of the HXMT time will be spent on dedicated pointing of particular sources, it could host, with moderate additional resources a pair of X-ray telescopes, each with a photoelectric X-ray polarimeter in the focal plane. We present the design of the telescopes and the focal plane instrumentation and discuss the performance of this instrument to detect the degree and angle of linear polarization of some representative sources. Notwithstanding the limited resources the proposed instrument can represent a breakthrough in X-ray Polarimetry.Comment: 10 pages, 9 figure

LAMP: a micro-satellite based soft X-ray polarimeter for astrophysics

The Lightweight Asymmetry and Magnetism Probe (LAMP) is a micro-satellite mission concept dedicated for astronomical X-ray polarimetry and is currently under early phase study. It consists of segmented paraboloidal multilayer mirrors with a collecting area of about 1300 cm^2 to reflect and focus 250 eV X-rays, which will be detected by position sensitive detectors at the focal plane. The primary targets of LAMP include the thermal emission from the surface of pulsars and synchrotron emission produced by relativistic jets in blazars. With the expected sensitivity, it will allow us to detect polarization or place a tight upper limit for about 10 pulsars and 20 blazars. In addition to measuring magnetic structures in these objects, LAMP will also enable us to discover bare quark stars if they exist, whose thermal emission is expected to be zero polarized, while the thermal emission from neutron stars is believed to be highly polarized due to plasma polarization and the quantum electrodynamics (QED) effect. Here we present an overview of the mission concept, its science objectives and simulated observational results

Calibrating the IXPE Observatory from Ground to Space

The Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) will be the next SMEX mission launched by NASA in 2021 in collaboration with the Italian Space Agency (ASI). IXPE will perform groundbreaking measurements of imaging polarization in X-rays for a number of different classes of sources with three identical telescopes, finally (re)opening a window in the high energy Universe after more than 40 years since the first pioneering results. The unprecedented sensitivity of IXPE to polarization poses peculiar requirements on the payload calibration, e.g. the use of polarized and completely unpolarized radiation, both on ground and in orbit, and can not rely on a systematic comparison with results obtained by previous observatories. In this paper, we will present the IXPE calibration plan, describing both calibrations which will be performed on the detectors at INAF-IAPS in Rome (Italy) and the calibration on the mirror and detector assemblies which will be carried out at Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama. On orbit calibrations, performed with calibrations sources mounted on a filter wheel and placed in front of each detector when necessary, will be presented as well

An X-ray polarimeter for hard X-ray optics

Development of multi-layer optics makes feasible the use of X-ray telescope at energy up to 60-80 keV: in this paper we discuss the extension of photoelectric polarimeter based on Micro Pattern Gas Chamber to high energy X-rays. We calculated the sensitivity with Neon and Argon based mixtures at high pressure with thick absorption gap: placing the MPGC at focus of a next generation multi-layer optics, galatic and extragalactic X-ray polarimetry can be done up till 30 keV.Comment: 12 pages, 7 figure

POLARIX: a pathfinder mission of X-ray polarimetry

Since the birth of X-ray astronomy, spectral, spatial and timing observation improved dramatically, procuring a wealth of information on the majority of the classes of the celestial sources. Polarimetry, instead, remained basically unprobed. X-ray polarimetry promises to provide additional information procuring two new observable quantities, the degree and the angle of polarization. POLARIX is a mission dedicated to X-ray polarimetry. It exploits the polarimetric response of a Gas Pixel Detector, combined with position sensitivity, that, at the focus of a telescope, results in a huge increase of sensitivity. Three Gas Pixel Detectors are coupled with three X-ray optics which are the heritage of JET-X mission. POLARIX will measure time resolved X-ray polarization with an angular resolution of about 20 arcsec in a field of view of 15 arcmin $\times$ 15 arcmin and with an energy resolution of 20 % at 6 keV. The Minimum Detectable Polarization is 12 % for a source having a flux of 1 mCrab and 10^5 s of observing time. The satellite will be placed in an equatorial orbit of 505 km of altitude by a Vega launcher.The telemetry down-link station will be Malindi. The pointing of POLARIX satellite will be gyroless and it will perform a double pointing during the earth occultation of one source, so maximizing the scientific return. POLARIX data are for 75 % open to the community while 25 % + SVP (Science Verification Phase, 1 month of operation) is dedicated to a core program activity open to the contribution of associated scientists. The planned duration of the mission is one year plus three months of commissioning and SVP, suitable to perform most of the basic science within the reach of this instrument.Comment: 42 pages, 28 figure

A photoelectric polarimeter for XEUS: a new window in x-ray sky

XEUS is a large area telescope aiming to rise X-ray Astronomy to the level of Optical Astronomy in terms of collecting areas. It will be based on two satellites, locked on a formation flight, one with the optics, one with the focal plane. The present design of the focal plane foresees, as an auxiliary instrument, the inclusion of a Polarimeter based on a Micropattern Chamber. We show how such a device is capable to solve open problems on many classes of High Energy Astrophysics objects and to use X-ray sources as a laboratory for a substantial progress on Fundamental Physics.Comment: 12 pages, 7 figure