Lo scopo di questo documento e’ fornire una stima del flusso di fotoni che, non assorbiti dal TES-array, generano un segnale nel rivelatore di anticoincidenza (CryoAC) avendo quest’ultimo di fatto una soglia operativa bassa (circa un fattore 10 minore del requisito)

LOTTI, Simone

MACCULI, CLAUDIO

OA@INAF - Istituto Nazionale di Astrofisica

2015Publication Year2024-01-24T11:03:27ZAcceptance in OA@INAFCrab: conteggi attesi dalla CryoACTitleMACCULI, CLAUDIO; LOTTI, SimoneAuthorshttp://hdl.handle.net/20.500.12386/34604Handle  Crab vs CryoAC DOC. NO: CryoAC_TN_2_2014 ISSUE: 1 DATE: 12/5/2015 PAGE: 1 of 8  Title Crab: conteggi attesi dalla CryoAC.   Prepared by : C. Macculi, S. Lotti Date : 12 May 2015     Inputs by :  Date :      Checked by :  Date :      Agreed by :  Date :      Authorised by :  Date :        Distribution:               Crab vs CryoAC DOC. NO: CryoAC_TN_2_2014 ISSUE: 1 DATE: 12/5/2015 PAGE: 2 of 8  ABBREVIATIONS AND ACRONYMS  APPLICABLE DOCUMENTS [AD#] Doc. Reference Issue Title     [AD1]     [AD2]     [AD3]     [AD4]     [AD5]     [AD6]      REFERENCE DOCUMENTS [RD#] Doc. Reference Issue Title              Item Meaning   CryoAC Cryogenic Anti Coincidence                 Crab vs CryoAC DOC. NO: CryoAC_TN_2_2014 ISSUE: 1 DATE: 12/5/2015 PAGE: 3 of 8  Table Of Contents  ABBREVIATIONS AND ACRONYMS ............................................................................................ 2 APPLICABLE DOCUMENTS ......................................................................................................... 2 REFERENCE DOCUMENTS .......................................................................................................... 2 1 INTRODUCTION ..................................................................................................................... 4 2 ANALISI .................................................................................................................................. 4   Crab vs CryoAC DOC. NO: CryoAC_TN_2_2014 ISSUE: 1 DATE: 12/5/2015 PAGE: 4 of 8  1 INTRODUCTION Lo scopo di questo documento e’ fornire una stima del flusso di fotoni che, non assorbiti dal TES-array, generano un segnale nel rivelatore di anticoincidenza (CryoAC) avendo quest’ultimo di fatto una soglia operativa bassa (circa un fattore 10 minore del requisito). 2 ANALISI Questo esercizio e’ stato fatto come approccio all’analisi del time accuracy dell’impulso della CryoAC (i famosi 10 us). Incidentalmente, come vedremo, credo ponga questioni anche sul fondo. Si parte con lo spettro della Crab ottenuto con XSPEC. In figura lo mostro insieme all’Area Efficace di X-IFU (dagli specchi all’efficienza di assorbimento del rivelatore). Si ottengono per 1 mCrab ~ 73 cts/s.   Fig. 1 - Spettro atteso dalla Crab (curva nera). Area efficace di ATHENA (curva rossa).  Per sapere il flusso di fotoni che attraversa il TES array, devo correggere l’Aeff per l’assorbimento di 1 um Au + 4 um di Bi, valutando successivamente la Trasmissione dell’assorbitore del TES-array.  0.1 1 1010-310-210-11001011021031041051 mCrab (0.2keV - 15 keV) = 73 cts/scts/s/keVE [keV] Crab*Aeff: nH = 4E21 cm^2, I0 = 9.7, ph = 2.1This response is created assuming the optical blockingfilters (Barbera et al. SPIE, 2014), a detector compositionof 1um Au, 4um Bi, a mirror effective area contaminationloss of 10%, geometrical pixel filling factor of 0.89 forthe TES array, and a dead pixel factor 0.98. The energyresolution of 2.5 eV and the low energy threshold of 0.2 keV. ATHENA effective Area cm^2  Crab vs CryoAC DOC. NO: CryoAC_TN_2_2014 ISSUE: 1 DATE: 12/5/2015 PAGE: 5 of 8   Fig. 2 - Assorbimento e Trasmissione di un pixel del TES-array.  Qui sotto mostro a confronto 1 Crab prima di essere assorbito dal TES-array, cio’ che vedrebbe il TES array (quindi 1 Crab assorbito), ed infine il contributo trasmesso dopo il TES-array.   Fig. 3 - (Curva rossa) 1 Crab prima di essere assorbita dal TES-array; (curva nera) 1 Crab assorbita dal TES-array; (curva verde) segnale di 1 Crab trasmesso dal TES-array.  Sotto l’assorbitore c’e’ la membrana di 1 um di Si3N4. Non contera’ nulla ma per completezza la ho considerata.  1 100.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1 y = A2 + (A1-A2)/(1 + exp((x-x0)/dx))A1 1.01121 ±0.001A2 0.35589 ±0.00353x0 8.49701 ±0.01881dx 1.29248 ±0.01452Absorption - TransmissionE [keV] A (1 um Au + 4 um Bi) Fit: A (1 um Au + 4 um Bi) T (1 um Au + 4 um Bi)1 101E-61E-51E-41E-30.010.11101001000100001000004 5 6 7 8 9 10 11 121101001000cts/s/keVE [keV] 1 Crab before being absorbed by TES 1 Crab absorbed by TES 1 Crab Transmitted after 1um-Au/4um-Bi  Crab vs CryoAC DOC. NO: CryoAC_TN_2_2014 ISSUE: 1 DATE: 12/5/2015 PAGE: 6 of 8   Fig. 4 - Trasmissione di 1 um di membrana in Nitruro di Silicio.  A questo punto questi fotoni della Crab, attraversando il TES array e la membrana di nitruro di silicio, verranno assorbiti dalla CryoAC con una certa efficienza di assorbimento. Come spessore del suo assorbitore consideriamo 500 um.   Fig. 5 - Assorbimento (i.e. eff. quantica) e Trasmissione di 500 um di Silicio.  Qui sotto il plot definitivo che mostra tra 0.2-12 keV gli eventi assorbiti dalla CryoAC, che e’ il numero che ci interessa. In particolare ho anche valutato gli eventi tra 2-12 keV, in quanto e’ vero che vediamo i 6 keV in laboratorio, ma arrivare ad una soglia a 0.2 keV mi sembra difficile. I 2 keV in basso sono una mia valutazione dai dati di laboratorio.  0 2 4 6 8 10 120.00.20.40.60.81.0 Fit: 1 um Si3N4 Transmission 1 um Si3N4 (Silicon Nitride)TransmissionE [keV] Transmission 1 um Si3N4 (Silicon Nitride)0 2 4 6 8 10 120.00.20.40.60.81.0A1 -0.00016 ±0.00002A2 0.191 ±0.00194x0 11.71385 ±0.01804p 12.49488 ±0.0585y = A2 + (A1-A2)/(1 + (x/x0)^p)Transmission - AbsorptionE [keV] T (500 um Si) Fit: T (500 um Si) A(500 um  Si)  Crab vs CryoAC DOC. NO: CryoAC_TN_2_2014 ISSUE: 1 DATE: 12/5/2015 PAGE: 7 of 8   Fig. 6 - (Curva rossa) Spettro di 1 Crab incidente sulla CryoAC. (Curva nera) Spettro di 1 Crab visto dalla CryoAC.  Riporto i numeri importanti come prima conclusione (area attiva CryoAC 4.9 cm^2):  Table 1 - Count rates e Flussi aspettati dalla CryoAC per 1 Crab che illumina ATHENA. Source Count rate Count rate per pixel Flusso specifico Flusso   1 Crab(2keV-12 keV) ~ 325 cts/s ~ 81 cts/s/pixel ~ 6.6 cts/cm^2/s/keV    ~ 66 cts/cm^2/s   1 mCrab(2keV-12 keV) ~ 0.33 cts/s ~ 0.081 cts/s/pixel ~ 0.0066 cts/cm^2/s/keV ~ 0.066 cts/cm^2/s 10 mCrab(2keV-12 keV) ~ 3.3 cts/s ~ 0.81 cts/s/pixel ~ 0.066 cts/cm^2/s/keV ~ 0.66 cts/cm^2/s 20 mCrab(2keV-12 keV) ~ 6.6 cts/s ~ 1.6 cts/s/pixel ~ 0.132 cts/cm^2/s/keV ~ 1.32 cts/cm^2/s  Riporto qui sotto i requisiti di X-IFU: per le sorgenti e’ previsto un range che va da 1 Crab – 1 mCrab.  1 101E-51E-41E-30.010.11101001 Crab|2keV-12 keV = 325 cts/s1 mCrab|2keV-12 keV ~ 0.33 cts/s1 Crab|2keV-12 keV ~ 6.6 cts/cm̂ 2/s/keV1 mCrab|2keV-12 keV ~ 0.0066 cts/cm̂ 2/s/keV1 Crab|0.2keV-12 keV = 409 cts/s1 mCrab|0.2keV-12 keV ~ 0.4 cts/s1 Crab|0.2keV-12 keV ~ 7.1 cts/cm̂ 2/s/keV1 mCrab|0.2keV-12 keV ~ 0.0071 cts/cm̂ 2/s/keV3 4 5 6 7 8 9 10 11 1210cts/s/keVE [keV] 1 Crab Transmitted after 1um-Au/4um-Bi + 1 um Si3N4 1 Crab Transmitted after 1um-Au/4um-Bi + 1 um Si3N4, absorbed by the CryoAC (500 um Si), Area-hexagon = 4.9 cm̂ 2  Crab vs CryoAC DOC. NO: CryoAC_TN_2_2014 ISSUE: 1 DATE: 12/5/2015 PAGE: 8 of 8  Table 2 - Requisiti dello strumento X-IFU.     Poiche’ la soglia per la CryoAC dalla quale derivano tutti i conti sul bkg residuo e’ posta a 20 keV, questi eventi, sebbene non assorbiti dal TES-array, perturberanno la baseline della CryoAC pertanto la reale soglia in basso (di solito definisco la soglia come 5*sigma_rms della baseline), e quindi l’efficienza di reiezione della CryoAC. Ricordo che senza CryoAC il TES-array, quindi anche l’anticoincidenza, e’ soggetto ad un bkg di particelle pari a 3.1 cts/cm^2/s: 10 mCrab genererebbero sulla CryoAC un incremento di ~ 20% rispetto a tale valore (< 0.7 cts/cm^2/s). Si sale al 40% con sorgenti da 20 mCrab. In ultimo, qui sotto mostro in figura il confronto tra cio’ che vedrebbe il TES-array e cio’ che vedrebbe la CryoAC: TES-array(2-12 keV) = 13980 cts/s  CryoAC(2-12 keV) = 325 cts/s. Pertanto si ottine il seguente rapporto: CryoAC(2-12 keV)/TES-array(2-12 keV) = 0.023.   Fig. 7 - Spettro della Crab misurato dal TES-array e dalla CryoAC. 0.1 1 1010-510-410-310-210-1100101102103104105cts/s/keVE [keV] 1 Crab absorbed by TES: 2-12keV = 13980 cts/s 1 Crab Transmitted after 1um-Au/4um-Bi + 1 um Si3N4, absorbed by the CryoAC (500 um Si): 2-12 keV = 325 cts/s

Crab: conteggi attesi dalla CryoAC

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Crab: conteggi attesi dalla CryoAC

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