Focal plane detectors of a Laue lens telescope for Nuclear Astrophysics

Resumen

centenares de keV hasta unos pocos MeV), presenta un extraordinario potencial para comprender los procesos más extremos que tienen lugar en el Universo, como las explosiones estelares o los aceleradores de partículas. No obstante, a pesar de los enormes esfuerzos realizados por los observatorios de rayos gamma (en el pasado y en la actualidad), se requiere una mejora en la sensibilidad instrumental para aprovechar el enorme potencial científico contenido en este rango energético. Durante las dos últimas décadas se han buscado formas de mejorar la sensibilidad de los instrumentos, incrementando la eficiencia de los detectores y reduciendo el ruido instrumental (mediante sofisticados mecanismos de blindaje y técnicas de análisis). Con este objetivo, un enorme esfuerzo en innovación instrumental (construcción de prototipos y estudios numéricos) está siendo realizado por una comunidad creciente de científicos que se enfrentan al reto de preparar la próxima generación de telescopios de rayos gamma. En particular, son especialmente notables los avances logrados en los últimos años en el campo de la focalización de rayos gamma mediante lentes de difracción. Conceptualmente, una lente de rayos gamma reduciría drásticamente el ruido instrumental ya que concentra los fotones en un detector de pequeñas dimensiones (el ruido es proporcional al volumen del instrumento). Una lente de difracción, para observaciones en astrofísica nuclear, no es sólo un concepto teórico, sino una realidad, gracias principalmente al proyecto CLAIRE. Asimismo, el desarrollo de la tecnología para la focalización de rayos gamma ha incentivado el desarrollo de las diferentes tecnologías de detección. Un detector apropiado para el plano focal de una lente gamma, debe disponer de capacidad de imagen, proporcionar espectroscopia de alta resolución y medir la polarización de los fotones incidentes. El trabajo presentado en esta tesis comprende tanto la óptica de focalización como el detector del plano focal. Con respecto a la óptica, se presenta el ensayo realizado con el prototipo CLAIRE, mediante el cual se ha confirmado los principios de una lente de difracción. En cuanto al plano focal, esta investigación se ha desarrollado principalmente en el marco de estudio de las misiones espaciales GRI (2007) y DUAL (2010), propuestas a la ESA dentro del programa “Cosmic Vision 2015-2025”. En el marco de la misión GRI, se presenta una configuración para el detector del plano focal basado en detectores pixelados de Cd(Zn)Te, al tiempo que se investiga y desarrolla un primer prototipo de detector pixelado de CdTe. Cabe destacar que el sistema de detección propuesto fue registrado con éxito mediante una patente europea, y está siendo desarrollado para su aplicación en medicina nuclear. En relación a la propuesta DUAL, se presenta un estudio del ruido instrumental obtenido mediante simulaciones numéricas con el fin de precisar la sensibilidad del instrumento (basado en detectores de Germanio) propuesto en esta misión. Más allá de las tecnología consideradas en GRI y DUAL, una amplia variedad de detectores pueden ser explorados, bien para el plano focal de una lente de difracción o bien como sistemas de detección por sí mismos. En este sentido, se ha ampliado el espectro de tecnologías y se ha incluido un estudio sobre detectores basados en xenón líquido. En esta tesis se ha realizado un trabajo de investigación y desarrollo con tecnologías vanguardistas propuestas para la próxima generación de telescopios de rayos gamma. Esta instrumentación debe enfrentarse al reto de alcanzar la sensibilidad requerida para dar respuesta a las cuestiones aun no resultas por la astrofísica de rayos gamma en el rango de energía de las transiciones nucleares.