Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear...
Transcript of Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear...
CalibrationCalibration ofof gammagamma--rayrayinstrumentsinstruments forfor Nuclear Nuclear
AstrophysicsAstrophysics
José Manuel Alvarez (IEEC-CSIC, Barcelona)Margarita Hernanz (IEEC-CSIC, Barcelona)Peter von Ballmoos (CESR, Toulouse)
OutlineOutline
• Gamma-rays in astrophysics
• Detection of gamma-rays
• How to focus γ-rays?
• Steps towards a γ�rays lens for nuclear astrophysics� CLAIRE: a focusing γ����� lens � The MAX mission
• Experimental proposals for the GRL
RadioactiveRadioactive isotopesisotopes relevantrelevant forfor γγ--ray ray line astronomyline astronomy
Isotope Decay chain Lifetime Line energy (keV)
56Ni 56Ni 56Co 8.8 d 158, 812, 750, 480
56Co 56Co 56Fe 111 d 847, 1238
57Ni 57Ni 57Co 57Fe (52 h) 390 d 122
44Ti 44Ti 44Sc 44Ca 89 y (5.4 h) 78, 68, 1157
26Al 26Al 26Mg 1.0 x 106 y 1809
60Fe 60Fe 60Co 60Ni 2.0 x 106 y (7.6 y) 1173, 1332
7Be 7Be 7Li 77d 478
22Na 22Na 22Ne 3.8 y 1275
� �� ����������������������β β�
Sup
e rn o
vae
mai
n ly
Nov
a em
ain l
y
γγ--rayray emission from galactic radioactivityemission from galactic radioactivity
� Relevant radioactive nuclei for galactic γ-ray line emission:� how and where they are synthesized:
� nucleosynthesis (hydrostatic and explosive), in stars� interaction with cosmic rays, in the interstellar medium
� Electron-positron annihilation emission (line and continuum): � e+ from β+- unstable nuclei � BUT other sources of e+ (≠ radioactivity) exist
SitesSites ofof explosiveexplosive nucleosynthesisnucleosynthesis relevantrelevantforfor γγ--ray line astronomyray line astronomy
• SUPERNOVAE:� Thermonuclear supernovae (SN Ia): exploding whitedwarfs in binary systems (no remnant)� Core collapse supernovae (SN II, SN Ib/c): explodingmassive stars (M ≥ 10 M
�) (neutron star or black hole
remnant)
v ∼ 104 km/s, E ∼ 1051 erg, Mej ∼ M�
• CLASSICAL NOVAE:Explosion of the external H-rich accreted shells of a whitedwarf in a binary system
v ∼ 102 - 103 km/s, E ∼ 1045 erg, Mej ∼ 10-4 - 10-5 M�
������������� �����
Compton GammaCompton Gamma--Ray Observatory: Ray Observatory: COMPTEL map of the 1.8 MeV line of COMPTEL map of the 1.8 MeV line of 2626AlAl
������
γγ--ray detectionray detection
How to focus How to focus γγ--rays?rays?•Diffraction: Bragg condition
•Crystal plane spacing:
•(h,k,l: Miller indices of crystal planes)
•d smaller for outer rings
�
����� == λθ�� �
��� ���
��
++=
�
��
λθ ≈= ��� ��
HowHow toto focusfocus γγ--rays?rays?
�������� ��������������������������
Mosaic crystalsMosaic crystals�������������������������� ������ ������������ ��������������� ����������������������������� �� ���������� ������� ���������� ��� ��� ��� �!��������� ��������������������� �������������������������
"������������������������� ��������������������� �� ���������� ��������������������#��������������������������� ������!��������
$%&'� ���������������������
"���(����� ���������������� �������
)��������������
)����������������∆)������(���������� ������������������� �������∆θ!������������ �������������������������������������� ��
��θθ∆=∆
�
����� == λθ�� �
∆θ∆θ∆θ∆θ
L E N S L E N S A gammaA gamma--ray lens for nuclear astrophysicsray lens for nuclear astrophysics
�������� ��������������������������
CLAIRE: a CLAIRE: a γγ--ray lens prototyperay lens prototype8 rings - 576 Ge crystals – 45 cm diameter – 511 cm2 area
� ��
����
�������� �
��� ��
�����
��������
�������
��������������
��� ������
���
�������
����� ����
������
�����
� ����
�!"#���$
! !!! %& !#���!# '(# #())*
% %%# +% !#���!# '(% !(#&*
' '!! +) !#���!# ,() !(%"*, ,## "% !#���!# ,(% !(+%*
+ ''! &# !#���" +(! !()"*
) ,%% && !#���!# +(# !(&"*
" ''' -) !#���" )(% !(--*
& ,,# !#, !#���!# +() %(!"*
�������� ��������������������������
The gammaThe gamma--ray bench at CESRray bench at CESR
���� ���������
�������
γγγγ��� ����
��������
γγγγ��� ������������
Does it work? Testing the lens in the labDoes it work? Testing the lens in the lab
����(���������������*++,�
Does it work? What’s expected for sources at infinity?Does it work? What’s expected for sources at infinity?
����(���������������*++,�
Is the lens performing as expected for sources at quasiIs the lens performing as expected for sources at quasi--infinity?infinity?
����(���������������*++,�
CLAIRE TGD: CLAIRE TGD: atat 200m200m
Is the lens performing as expected for sources at infinity?Is the lens performing as expected for sources at infinity?
����(���������������*++,�
CLAIRE:balloonCLAIRE:balloon--borne borne γγ--raysrays lens telescopelens telescope
��������
� '�'������
� ���� ����� .�
!(+/!(+/,���
���������
� 0�1
� �.2
�
γγγγ��� ����� +)'��������
� 3�4�!"#���$
� 5��6�7�'���$
����
�������� ��������������������������
Is the lens performing as expected for sources at infinity?Is the lens performing as expected for sources at infinity?
����(���������������*++,�
From CLAIRE to MAXFrom CLAIRE to MAX (space (space mission)mission)
888(���(�97�:�96;<9
V2.2 V2.2 -- baselinebaseline ��
!� � ����=��
�������������� '#>����������
��"�# � ���
�����# � ���
8������=� !,#���
$���������$����=
$����������� %���
���� ?�)#@###���A�������
��������
&)��
888(���(�97�:�96;<9
888(���(�97�:�96;<9
33σσ narrow line sensitivitynarrow line sensitivity���� ������ ������� ������ ���
�������� ������������� �����
��������������������������
�� ����∆∆∆∆∆∆∆∆�� ����������
�� �������� ���������� ��������
�� ����������
�� ���� � �������� � ����
��
��������������
�!�������������� ����������!�������������� ���������
"�"� #���������$#���������$
�!������������ �!������������
%&'�����%&'�����"�("�(
3 �������$�
&## &%# &,# &)# &&# -##
�3;2'
2BB3
BC1�
���
��
��
3 �������$�
,)# ,"# ,&# ,-# +## +!# +%# +'#!#�"
!#�)
!#�+
!#�,�3;2'
2BB3
BC1�
'� σ� ��8��� ���� ����:����������
�%���!�
���
��
��
���� ����������'-.
Diffraction efficiencies test with the APS at Diffraction efficiencies test with the APS at Argonne National LabArgonne National Lab
/ "���-���� ���0������1��� ��2-013���� �����������-�������4��������5����������������������������������� �������������6#�7�������������������"��� ���� �������������89�:;�7�
/ -������������������������������������������������
-��;����� ������!4<'!899=
$����������� ���� ���������������������� ����������� ��������
��� ����������������������������������������������������� ��
APS beam test of a APS beam test of a GeGe crystalcrystal
-��;����� ������!4<'!899=
������ ��������� ��� �
>��������������������� ���������������� ��������
"��������������������������������������������������� ����������� ��� �� �������5-<>)?����������� �
)��������� ������������ ����
Experimental proposals for the gammaExperimental proposals for the gamma--ray line beamray line beam
(��� ������������������*��� �� ��+�,� ������������-�+.+$!/�"�+#�+%�+0
@888A@888A
@888A@888A
'������'������
���� ������� ���
,B+,B+��:**�:**�
;�7;�78�:�8�:�88�:�8�:�8
� �CC*+�*+�;�7;�7C+�C+��� �� �� �� #�#�
=*:=*:��98+�98+�
;�7;�78�:�8�:�88�:�8�:�8
� �CC6+�6+�;�7;�7B+�B+��� �� �� �� ����
)�����)�����1� �1� �∆∆))'���� ���'���� �������������������
Measurement of diffraction efficiencies in mosaic crystalsMeasurement of diffraction efficiencies in mosaic crystals
8� -�������������� ������������������������������������������������ ���������������!��������������������� ���������������� ��� ������������ �������������������������� ��������� ��
*� �������� ��������������� ��������� ��� �������������� �������
C� )��� ���������� ���������������������� ��������� ��� ��
MAX project: what do we need from GRL?MAX project: what do we need from GRL?
�3���"�������γγ�������������������������+�*�*'�7� $)5�������
��������������������������
������������� ������������������� ������
����������������
0����� �����0����� �����
8+8+BB��8+8+==
���+�8D�����+�8D����+�+*��������+�+*�������� 8 �8 �**+�*+�*��*�*�'�7'�7
$���$���-��������� ��-��������� ��
2 ������!����2 ������!����
*:�3�*:�3�(������ �(������ �)�����������)�����������
E������
�3 $������� ����������������������������+�*�*'�72���� ��������������������������������� ����������� ��������3
�E* �����
Other concepts for Other concepts for γγ--ray telescopesray telescopes
')#-�'������)������#���������-���������2+�,�:+'�73
Telescope components :• Tracker (layers of Si strip detectors)• Calorimeter (CsI or CdTe)• Shielding (plastic scintillator)
Detection Principle:• Compton (< 10 MeV)• Pair creation (> 10 MeV)• Electron tracking• Polarimeter
Parameters :• energy range : 400 keV - 50 MeV• spectral resolution : 3-4 % (FWHM) • field of view : 120° (FWHM)• angular resolution : 2-4° (FWHM)• effective surface : 100 cm2
• sensitivity : > 10 × COMPTEL• new science: polarimetry
Mega Mega γγ--ray telescoperay telescope
;���� �!��������4��->2*++,3
Mega prototype Mega prototype
8+���������������������������� ������������� �����8=�8=� �*, +�:������� �
%������B�B� �*
��������������<
;���� � �������2*++,3
MegaMega--Prototype measurements at HIGSPrototype measurements at HIGS
"���&����<���������#���������1��� ��2&<#13���������F����������
-������ ����>!��������2*++C3
MegaMega--Prototype measurements at HIGSPrototype measurements at HIGS
'��������)������������-�������28:�:�8+B ����������������3
-������ ����>!��������4��-> ,=�2*++,3
(��������������,9�'�7
(�����������+G��� ���� �
ACT optionsACT options
�� "<#>)"<#>) ')#-')#- #�#���-�"-�" 5�H����.)5�H����.)
�� F��>��������F��>�������� '0)!�F4&'0)!�F4& F��(�������F��(������� ����������������