Development of a prototype detector for MeV gamma-ray detection on a CubeSat

Abstract

Trotz der beeindruckenden Fortschritte, die die Röntgen- und Gammastrahlenobservatorien in den letzten Jahrzehnten erzielt haben, ist der Energiebereich zwischen 200 keV und 50 MeV nach wie vor kaum erforscht. Diese Lücke, die in der Literatur oft als ``MeV-Lücke'' bezeichnet wird, ist nicht auf einen Mangel an überzeugender Wissenschaft zurückzuführen, sondern auf technische Herausforderungen und Nachweisschwierigkeiten, die mit MeV-Beobachtungen einhergehen. COMPTEL an Bord von CGRO (1991-2000) war das letzte Teleskop, das eine vollständige Durchmusterung des MeV-Himmels mit einer relativ bescheidenen Empfindlichkeit durchführte. Für die Zukunft sind zahlreiche Missionen vorgeschlagen worden, insbesondere AMEGO, die die Leistung von COMPTEL um mindestens eine Größenordnung verbessern sollen. Der Zeitrahmen für die Entwicklung, den Aufbau und den Start solch großer Missionen beträgt jedoch etwa 10 Jahre und ist mit erheblichen Kosten verbunden. In diesem Szenario könnte ein viel kleinerer Satellit, der sich der neuen Welle von schnellen, relativ kostengünstigen Weltraumforschungsmissionen anschließt, die durch CubeSats ermöglicht werden, in kürzerer Zeit rentabel sein. In dieser Arbeit werden die Verfügbarkeit und die Leistung eines Compton-Teleskops auf der Grundlage des CubeSat-Standards, genannt MeVCube, untersucht. Die Auswirkungen der Materialwahl und verschiedener CubeSat-Nutzlasten wurden durch Simulationen bewertet. Trotz der begrenzten Größe kann selbst ein kleines Teleskop, das auf einem CubeSat fliegt, den Energiebereich von Hunderten von keV bis zu einigen MeV mit einer Empfindlichkeit abdecken, die mit der der letzten Generation von Großmissionen wie COMPTEL und INTEGRAL vergleichbar ist. Es wurden auch experimentelle Messungen an Cadmium-Zink-Tellurid-Halbleiterdetektoren und einer für den Weltraumbetrieb geeigneten Ausleseelektronik mit geringem Stromverbrauch durchgeführt.

Despite the impressive progresses achieved both by X-ray and gamma-ray observatories in the last decades, the energy range between 200 keV and 50 MeV remains poorly explored. This gap in coverage, often referred in literature as the ``MeV gap'', is not due to lack of compelling science, but instead to technical challenges and detection difficulties that comes with MeV observations. COMPTEL, on-board CGRO (1991-2000), was the last telescope to accomplish a complete survey of the MeV-sky with a relatively modest sensitivity. Many missions have been proposed for the future, most notably AMEGO, aiming to improve COMPTEL's performance by at least one order of magnitude. However, the timescale for development, assembly and launch of such large missions is around 10 years, with substantial costs. Looking at this scenario, a much smaller satellite, joining the new wave of rapid, relatively inexpensive space science missions enabled by CubeSats, may be profitable on a shorter time-scale. This thesis evaluates the availability and performance of a Compton telescope based on the CubeSat standard, named MeVCube. The impact of material choice and different CubeSat payloads has been evaluated through simulations. Despite the limited size, even a small telescope flying on a CubeSat can cover the energy range from hundreds of keV up to few MeVs with a sensitivity comparable to that of the last generation of large-scale missions like COMPTEL and INTEGRAL. Experimental measurements on Cadmium-Zinc-Telluride semiconductor detectors and low-power read-out electronics suitable for space operation have been performed as well.