R&D télescope Compton (calorimètre-VETO) CSNSM: V. Tatischeff AIM: O. Limousin APC: P. Laurent NSI Copenhague: C. Budz-Jorgensen.

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1 R&D télescope Compton (calorimètre-VETO) CSNSM: V. Tatischeff AIM: O. Limousin APC: P. Laurent NSI Copenhague: C. Budz-Jorgensen

2 La bosse du MeV dans la couverture en sensibilit é

3 Intérêts et espoirs liés au télescope COMPTON (spectro-polarimetro-imageur) Le domaine du MeV donne accès aux mécanismes d’émission non- thermiques –Accélération de particules –Raies gamma nucléaires Dans ce domaine, la diffusion Compton domine les interaction rayonnement-matière et les meilleurs résultats ont été obtenus par Comptel La diffusion Compton permet une mesure du degré de polarisation de l’émission (voir le résultat recent d’INTEGRAL) Les technologies d’aujourd’hui laissent espérer un gain en sensibilité d’un facteur 30 par rapport à Comptel Un facteur 100 est nécessaire pour voir des SNIa dans l’amas de Virgo (raies du 56 Co) Il faut des études R&D

4 Sensibilité d’un télescope Compton La sensibilité d’un télescope Compton dépend de façon critique de la résolution angulaire (des résolutions spatiale et surtout spectrale en fin de compte). Elle dépend aussi de sa compacité. P 1, E 1 P 2, E 2 Diffuseur Calorimetre Ω Ω Fond Résolution angulaire La réduction de l’incertitude azimuthale avec la mesure du recul de l’électron ne doit pas s’accompagner d’une augmentation de la résolution spectrale cos  = 1 + m e c 2 (1/E-1/E 2 )  E

5 Sensibilité d’un télescope Compton S > 3 Ω (Fond interne + Fond celeste + fausses coïnc.)/ (A ε c ) ½ Minimiser Ω  résolution spectrale et spatiale, recul de l’électron Minimiser Fond interne  diminuer la masse, VETO intelligent Minimiser fausses coïncidences  fenêtre de coincidence la plus étroite possible  détecteurs rapides Maximiser la surface A Maximiser ε c –Épaisseur optique du diffuseur ~ 1 –Épaisseur optique du calorimètre >> 1 Efficacité Compton Surface de détection

6 Difficultés techniques Haute résolution spatiale (1 mm sur les 3 axes) + grande surface  grand nombre de pixels (>>10 6 )  consommation A basse énergie (E 1MeV) Grande surface  coût du matériau détecteur  Réduire le fond est essentiel mais il y a peu de nouveauté dans ce domaine

7 Matériaux détecteurs pour le télescope Compton E1E1 E2E2 Ω Diffuseur Matériau du diffuseur probablement silicium (faible Z, performance spectrale, rapidité de réponse) Grand nombre de pixels  détecteurs à grille (strip) pour contenir la consommation électrique Calorimètre CdTe (CZT), résolution spectrale ~Ge mais à température ambiante. Z élevé. Détecteurs pixellisés rapides si minces. Grand nombre de pixels  détecteurs à grille. LaBr3, résolution spectrale intéressante, Z élevé, très rapide (16 ns). Solutions à étudier pour contenir la consommation et assurer les performances spatiales requises. VETO – réjection du fond Au delà de la coïncidence temporelle, utiliser les dépots d’énergie et le marquage en temps (temps de vol): LaBr3 ?

8 Propriétés des détecteurs LaBr3NaICsI(Na)CdTeCZT ΔE/E @ 662 keV 3 %7% <1%0.7% Densité (cm -3 ) 5.293.674.515.0 Epaisseur (cm)~ 5~ 10 0.1-0.21 Z max 5754 52 Temps de réponse (ns) 1625063030-60~100 hygroscopiqueoui NA

9 Towards a Compton Telescope for Gamma-Ray Astronomy in the MeV range CSNSM-Orsay, AIM/CEA-Saclay, APC-Paris, The 0.1  10 MeV photon energy range is the domain of nuclear line spectroscopy  Interaction of low-energy CRs with the ISM  Gamma-ray emissions of SN Ia and classical novae  Radioactive line emission from the solar atmosphere  …  We seek a gain in sensitivity of 2 orders of magnitude as compared to INTEGRAL

10 R&D of pixelated CdTe detector technology Thanks to INTEGRAL and SWIFT, CdTe and CZT semiconductors are already qualified for space applications New development: Caliste 64 for the HED (8-100 keV) of SIMBOL-X 10 mm 18 mm CdTe detector (64 pixels, 1mm pitch, 1mm thick, guard ring) Front-end electronics (4 IDeF-X 1.1 ASIC of 16 analogue channels) Rear interface (7x7 pin grid array, 1.27 mm pitch) X radiography

11 Promising technology for the calorimeter: high efficiency, excellent position and energy resolutions (alternative to Ge for hard X-ray spectroscopy) R&D challenge: extension of the bandpass beyond 1 MeV Caliste 64 Sum of 64 spectra -10°C, -400 V, 241 Am: 805 eV FWHM @ 60 keV (1.35%) R&D of pixelated CdTe detector technology  Multi-layers of pixelated detectors  Bigger CdTe crystals: 256 pixel detector, 1 mm pitch, 2  6 mm thick  Detector substrate with high transparency  Extension of the dynamics of the IDeF-X ASIC up to 1 MeV/layer

12 Relevant X- and Gamma ray detector Activities for AHEAD at NSI CZT test crystals: 10 mm x 10 mm Pixel pitch: 2.5 mm Thickness: 5 – 10 mm (μτ) e >10 -2 cm 2 /V, (μτ) h <10 -4 cm 2 /V 1) CZT pixel detectors for the ESA ASIM mission 3D position information, high energy resolution, high efficiency Normalized depth 3D CZT-pixel detector configuration for the calorimeter DTU Space, Technical University of Denmark

13 E. Caroli et al., Proc. of SPIE Vol. 7011 70113G-1 2) 3D CZT drift strip detectors PTF = Photon Transverse Field: the field is perpendicular to ‘optical’ axis CZT crystal units 10×10×2.5 mm 3 Relevant X- and Gamma ray detector Activities for AHEAD at NSI DTU Space, Technical University of Denmark

14 “A good choice for a  -ray spectrometer for future space applications” (Drozdowski et al. 2007, program “Gamma Ray Scintillator Development” of ESA, Cosine Research BV, St Gobain and Delft University of Technology) The new LaBr3:Ce scintillator could be an alternative for the calorimeter  High stopping power (comparable to CZT) and can be fabricated in large volumes  Good energy resolution above a few hundreds of keV  Very fast response (CRT ~ 0.2 ns  light transit distance of 6 cm in vacuum) R&D of LaBr 3 :Ce technology R&D of LaBr 3 :Ce technology Saint Gobain Technical Note on BrilLanCe TM Scintillators

15 LaBr 3 :Ce  3D position resolution Coupling of a LaBr 3 crystal (5  5 cm 2, 2 cm thick) to a 16  16 multianode PMT (Hamamatsu H9500) to form an Anger camera In addition to the X-Y position of the  -ray interaction, depth Z from the signal distribution within the sensor plane New ASICs (coll. LAL/CSNSM). Duplication of each output signal with 2 different integration times to optimize the energy and position resolutions Specific data acquisition system for a real-time  -ray tracking (multi-hit events ?) from a library of scintillation signal distributions Note: the intrinsic background of LaBr 3 (EC and  - decay of 138 La, 0.09% natural abundance) should be suppressed  X=0.73 mm @ 302 keV (Pani et al. 2007)

16 Case et al., NIM A 563 (2006) 355 LaBr3:Ce + fibres design o The position X, Y could be measured by using orthogonal optical fibre grids on each side of a LaBr3 scintillator to convey the light to a MAPMT. Z-coordinate from the distribution of scintillation signals o The measure of the deposit energy E could be done by looking through the system with larger PMT  Less electronics channels  Reduction in the power requirements Coupling of the scintillation crystal to waveshifting optical fibres Ex: design proposed for the CASTER mission (McConnell et al. 2006)

17 LaBr 3 :Ce  Neutron irradiation LaBr 3 has a satisfactory radiation tolerance to irradiation by 60-200 MeV protons (Owens et al. 2007; Drozdowski et al. 2007a) and MeV  -rays (Normand et al. 2007; Drozdowski et al. 2007b) Neutron irradiation using the 7 Li(p,n) 7 Be reaction at the - CENBG/Van de Graaff @ E beam =3 MeV - IPNO/Tandem @ E beam =5  7 MeV  quasi-monoenergetic neutron beams between 0.5 and 5 MeV Online measurements of the prompt  -ray emission + offline analyses of the activation  radioisotope production yields  Calculations with the nuclear reaction code TALYS shield Ge p beam 7 Li  n LaBr 3 n neutron detector

18 Test of mock-ups in “ real ” conditions in particle accelerators in order to check the estimates we derived from simulations. Simulation of the full chain from the spatial environment to the data processing using :  Cosmic environment simulators, for given period and orbits.  Detector simulators (Geant 4).  On-board data treatment simulators (C++).  On-ground data reduction simulators (C++). Monte-Carlo simulations and accelerator tests

19 Dimensions des cristaux Encapsulation Al ou Be (épaisseur ?) Délais d’approvisionnement Collection de la lumière PMTs diodes pin APDs Boîte à lumière Montage mécanique Premiers pas avec le LaBr3: TARANIS/XGRE

20 Atouts IN2P3 pour l’étude d’un télescope Compton Expertise détecteurs Expertise et moyens en électronique et microélectronique Expertise des tests auprès d’accélérateurs Expertise des simulations Monte-Carlo (Geant…) Expertise spatiale grandissante