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Laboratorio in banda X V. Fioretti - INAF/IASF Bologna The Simbol-X mission and The Simbol-X mission and the background rejection the background rejection Corso di Strumentazione per l'Astrofisica 21/05/08

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Laboratorio in banda X V. Fioretti - INAF/IASF Bologna

The Simbol-X mission and the The Simbol-X mission and the background rejectionbackground rejection

Corso di Strumentazione per l'Astrofisica 21/05/08

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Corso di Strumentazione per l'Astrofisica 21/05/08 Outline

• The sensitivity of a focusing X-ray telescope

• The background problem:

The photonic component

The hadronic component

• Active and passive shielding

• The case of the Simbol-X mission:

Background evaluation from balloon experiments

The passive shielding design (material, thickness, mass)

Soft proton flares detected by XMM/Newton

The magnetic proton diverter

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Corso di Strumentazione per l'Astrofisica 21/05/08 The sensitivity – 1

• The sensitivity is the minimum detectable flux

• A fundamental parameter in the case of far and faint sources (as in the majority of extragalattic X-ray sources)

• In X-ray Astronomy, the standard flux unity is the Crab:

- Power law F(E) = k×E-Γ (k=9.7 ± 1, Γ=2.1 ± 0.03) ph. cm-2 s-1 keV-1

- Integrating in the energy range….

Energy range [keV] 1 μCrab [erg cm-2 s-1]

2 – 10 2.16 × 10-14

10 – 30 1.28 × 10-14

20 – 40 7.71 × 10-14

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Corso di Strumentazione per l'Astrofisica 21/05/08 The sensitivity – 2

• The sensitivity is different for collimated (A) and direct (B) imaging X-ray telescopes

Collimated system

Focusing system

A1

A2

B1

B2

d

minAET

BcostF

ETA

ABcostF

eff

dmin

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Corso di Strumentazione per l'Astrofisica 21/05/08Telescopes with collimated or indirect imaging system

•BeppoSAX/PDS

Field of view = 1.3°

Sensitivity = 1 mCrab

•INTEGRAL/IBIS

Angular resolution = 12’’

Field of view = 9° x 9°

Sensitivity = 0.5 mCrab

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Corso di Strumentazione per l'Astrofisica 21/05/08Telescopes with direct imaging system

•Chandra

Angular resolution = 0.5’’

Field of view = 30’ x 30’

Sensitivity = 0.1 µCrab (@2 keV)

•XMM-Newton

Angular resolution = 15’’

Field of view = 30’ x 30’

Sensitivity = 1 µCrab (@6 keV)

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Corso di Strumentazione per l'Astrofisica 21/05/08 The sensitivity of a focusing X-ray telescope

ETA

ABcostF

eff

dmin

22C

2geomeff ReflFLReflAA

The effective area:

EC

The critical reflecting angle:

The detection area: 2d HPDtanFL4

A

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Corso di Strumentazione per l'Astrofisica 21/05/08 The background

Main components

Photonic

(induced by CXB photons)

Hadronic

(caused by hadronic interactions)

• “Prompt” emission

• “Delayed” emission

• Solar flares

• Particles trapped in the Earth magnetosphere

• Aperture component

• Shield leakage

• Scattering Compton

• Stray-light

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Corso di Strumentazione per l'Astrofisica 21/05/08 The shielding system

Passive shielding:

- An high Z material (more efficiency to photoelectric absorption) that, with a specified geometry, shields the focal plane from photons coming from outside the telescope field of view

- Materials (high Z, low cost) = Lead, Tungsten, Tantalum

- Often a grading is applied (a set of materials with decreasing atomic number until the fluorescence of the last layer falls below the telescope energy range)

Active shielding

- It is a detector itself, posed around the focal plane

- When an hadronic particle interacts with the active shield, i.e. deposits an energy above the operative lower energy limit (500 keV, 1 MeV), it causes a detected event.

- All the coincidence events with the telescope detectors are rejected

- Material = BGO, NaI, Plastic

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Corso di Strumentazione per l'Astrofisica 21/05/08 The photonic background

Aperture component:

• The unfocused Cosmic X-ray photons arriving at the focal plane cause background events

• Important at E < 100 keV (power law of index ~1.4)

• The CXB is isotropic and it increases for greater aperture angle

• Solution = passive shield

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Corso di Strumentazione per l'Astrofisica 21/05/08 The photonic background

The shield leakage:

• Photons that don’t interact with the passive shield or deposit an energy below the active shield threshold

Scattering Compton:

• High energy photons (E > 100 keV) can be deflected and arrive at the focal plane

Production of couples:

• Photons with E > 1 MeV interact with the material producing electrons and positrons

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Corso di Strumentazione per l'Astrofisica 21/05/08 The hadronic component

• It is mostly caused by incident cosmic rays (~ 90 – 95 % protons)

• It depends on the type of orbit and mission duration

• Prompt emission:

Secondary particles and gamma photons produced by cosmic rays interactions that arrive to the focal plane.

Solution = Active shielding

• Delayed emission:

Cosmic rays can also produce radioactive nuclei, that decay with times longer than active shielding coincidence time.

This so calles spallation effects increases with mission duration.

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Corso di Strumentazione per l'Astrofisica 21/05/08 The hadronic component

The Soft Proton flares:

• Protons trapped by the Earth magnetic field (E < 500 keV) can be funnelled by the grazing optics of an X-ray telescope and arrive to the focal plane, causing CCD damage and increasing the background level

• Damage occurred in ACIS instrument of Chandra

• Rapidly increasing background flares are detected by XMM-Newton

• Solution = magnetic diverter

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Corso di Strumentazione per l'Astrofisica 21/05/08 Background detected by balloon experiments

)keV 30 a(E167 -2.38

• Objective: evaluate how the background flux depends on aperture angle

• Energy range = [20 - 40] keV

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Corso di Strumentazione per l'Astrofisica 21/05/08 A case study: Simbol-X

• Energy range = from ~0.5 keV to ~100 keV

• Angular resolution: ~15 - 20 (HPD)

- IBIS ->12′

• Field of view: ≥ 10′

• Sensitivity Fmin ≤ 1 µCrab (~ 20 keV)

- A factor of ~ 500 respect to SAX/PDS and INTEGRAL/IBIS

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Corso di Strumentazione per l'Astrofisica 21/05/08 A case study: Simbol-X

• E > 15 keV

• Fmin < 1 µCrabm 20 FL

“Formation flight tecnique”

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Corso di Strumentazione per l'Astrofisica 21/05/08 Simbol-X : the background as a critical point

2d HPDtanFL4

A The fraction of background

increases

• The formation flight tecnique doesn’t allow the use of an optical tube

• ΔE = 0.5-100 keV implies the use of active shielding

Total maximum background flux:

B = 110-4 count cm-2 s-1 keV-1

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Corso di Strumentazione per l'Astrofisica 21/05/08 Simbol-X : the passive shielding

Dopt

Ddet

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Corso di Strumentazione per l'Astrofisica 21/05/08 Simbol-X : the passive shielding

Dopt

DMSC

Ddet

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Simbol-X : the shielding composition

Material ZDensity [g/cm3]

[keV]

Lead 82 11.35 74.97

Tungsten 74 19.30 59.32

Tantalum 73 16.65 57.5

Material ZDensity [g/cm3]

[keV]

Tin 50 7.31 25.37

Copper 29 8.96 8.05

Aluminum 13 2.70 1.49

Carbon 6 1.70 0.28

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Corso di Strumentazione per l'Astrofisica 21/05/08 Simbol-X : the mass

Collimator mass Skirt mass

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…..end?

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Corso di Strumentazione per l'Astrofisica 21/05/08 Acronyms:

• FL = focal length

• HPD = half power diameter (angular resolution)

• Refl = reflectivity

• B = background

• CXB = cosmic X-ray background

• BGO = Cristallo di Germanato di Bismuto

• NaI = Ioduro di Sodio

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Corso di Strumentazione per l'Astrofisica 21/05/08 Appendix:

• FL = focal length

• HPD = half power diameter (angular resolution)

• Refl = reflectivity

• B = background

• CXB = cosmic X-ray background

• BGO = Cristallo di Germanato di Bismuto

• NaI = Ioduro di Sodio