X-ray Telescopes in the Digital Lab:Instrument Performance Simulations

Röntgenteleskope im digitalen Labor:Simulationen der Instrumenten-Eigenschaften

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-34217
  • In this thesis I present a software package, which I have developed for Monte Carlo simulations of observations with X-ray telescopes. I provide an overview of the most important technologies implemented in current and planned X-ray telescope missions. In particular I introduce the principles and the manufacturing techniques for different optical systems and give a short overview of the two main instrument classes of semiconductor-based detectors and calorimeters. In addition I explain the most important features related to the detection of X-ray photons. The simulation software is designed in a generic way. It contains a set of predefined telescope and detector models for existingIn this thesis I present a software package, which I have developed for Monte Carlo simulations of observations with X-ray telescopes. I provide an overview of the most important technologies implemented in current and planned X-ray telescope missions. In particular I introduce the principles and the manufacturing techniques for different optical systems and give a short overview of the two main instrument classes of semiconductor-based detectors and calorimeters. In addition I explain the most important features related to the detection of X-ray photons. The simulation software is designed in a generic way. It contains a set of predefined telescope and detector models for existing instruments, but it can be easily extended to other missions, as well. I present the implementation of the physical properties relevant for the different kinds of detector models, which are included in the simulation software. The selected approach relies on calibration files, which are commonly used for current instruments, in order to guarantee a realistic model setup. However, in comparison to a sophisticated ray-tracing simulation I have also implemented some simplifications in order to achieve numerical efficiency in the required computation processes. The assembly of the different instrument models deals with various trade-offs providing both a reasonable processing time on current standard computer systems and sufficient physical accuracy for the selected applications. In contrast to most existing simulation software the implemented telescope model is capable of modeling an arbitrary slewing motion during an observation. This motion is defined in a so-called attitude file. The model for the optical system of the telescope deals with the energy of the incident photons and their position within the Field Of View (FOV) in order to determine their impact position on the detector. There is a general detector model, which can be adjusted to most common instrument types using an XML description, but the software package also contains some specific models for particular detectors, which cannot be described by the generic model with the required fidelity. The most important features taken into account by the various detector models are charge cloud splitting between adjacent pixels in semiconductor devices, photon pile-up, dead time issues, Charge Transfer Efficiency (CTE) for Charge-Coupled Devices (CCDs), and a realistic energy resolution including detector-specific absorption features. The generic detector model is the most powerful item of the software package, since it provides a flexible framework with adjustable parameters and enables the setup of new instrument types based on XML files without any modifications of the program code. It provides several commands to define detector-specific operations for the read-out of the signals produced by the absorbed photons. Based on this simulation software I have performed studies for different existing and future X-ray telescopes in order to analyze specific properties and their impact on the scientific output of the respective instruments. In this work I present several analyses for the German project extended ROentgen Survey with an Imaging Telescope Array (eROSITA), which is currently constructed, and the mission concept International X-ray Observatory (IXO)/Advanced Telescope for High ENergy Astrophysics (ATHENA), which is being studied for a launch around 2022. The simulation software has originally been developed for these two missions, although it can now also be applied to simulations of other instruments. I also present some suggestions to further usage of the developed simulation software in other projects in order to demonstrate its universal applicability.show moreshow less
  • In dieser Arbeit stelle ich ein Softwarepaket vor, das ich zum Zweck von Monte-Carlo-Simulationen von Beobachtungen mit Röntgenteleskopen entwickelt habe. Ich gebe einen Überblick über die wichtigsten Technologien, die von derzeitigen und von künftigen Missionen verwendet werden. Insbesondere stelle ich die Prinzipien und die Herstellungsverfahren für verschiedene Röntgenoptiken und die zwei Hauptklassen von Halbleiterdetektoren und Kalorimetern vor. Des weiteren erkläre ich die wichtigsten Phänomene im Zusammenhang mit der Detektion von Röntgenphotonen. Die Simulationssoftware verfolgt einen generischen Ansatz. Sie beinhaltet einen Satz an vordefinierten Teleskop- und Detektormodellen fürIn dieser Arbeit stelle ich ein Softwarepaket vor, das ich zum Zweck von Monte-Carlo-Simulationen von Beobachtungen mit Röntgenteleskopen entwickelt habe. Ich gebe einen Überblick über die wichtigsten Technologien, die von derzeitigen und von künftigen Missionen verwendet werden. Insbesondere stelle ich die Prinzipien und die Herstellungsverfahren für verschiedene Röntgenoptiken und die zwei Hauptklassen von Halbleiterdetektoren und Kalorimetern vor. Des weiteren erkläre ich die wichtigsten Phänomene im Zusammenhang mit der Detektion von Röntgenphotonen. Die Simulationssoftware verfolgt einen generischen Ansatz. Sie beinhaltet einen Satz an vordefinierten Teleskop- und Detektormodellen für bestehende Instrumente, aber sie kann auch mit geringem Aufwand auf weitere Missionen ausgedehnt werden. Ich stelle die Implementierung der physikalischen Eigenschaften der verschiedenen Arten von Detektoren vor, die in der Simulationssoftware enthalten sind. Der gewählte Ansatz basiert auf Dateien mit echten Kalibrationsdaten, um ein möglichst realistisches Setup der Modelle zu garantieren. Im Vergleich zu einer aufwändigen, physikalisch exakten Ray-Tracing-Simulation habe ich jedoch einige Vereinfachungen vorgenommen, um die numerische Effizienz der Simulation zu verbessern. Die Modelle für die verschiedenen Instrumente basieren auf diversen Kompromissen, um einerseits vertretbare Laufzeiten auf gegenwärtig üblichen Computersystemen und andererseits ausreichend physikalische Genauigkeit für die betrachteten Fragestellungen zu erreichen. Im Gegensatz zu zahlreichen bestehenden Simulations-Softwarepaketen kann das implementierte Teleskopmodell während einer laufenden Beobachtung eine beliebige Bewegung ausführen. Dies geschieht anhand der in einer sogenannten Attitudedatei vorgegebenen Daten. Für die Berechnung des Auftreffpunkts der Photonen auf dem Detektor wird die Energie einfallender Photonen und deren Position innerhalb des Gesichtsfelds berücksichtigt. Die Software beinhaltet sowohl ein allgemeines Detektormodell, das anhand einer speziellen XML-Beschreibung an die meisten gebräuchlichen Typen von Instrumenten angepasst werden kann, als auch einige spezielle Modelle für bestimmte Detektoren, die anhand des generischen Modells nicht mit der benötigten Genauigkeit beschrieben werden können. Die wichtigsten physikalischen Prozesse, die von den diversen Detektormodellen berücksichtigt werden, sind die Verteilung von Ladungswolken zwischen benachbarten Pixeln in Halbleiterdetektoren, Pile-up von Photonen, Totzeiten des Detektors, die Effizienz des Ladungstransports in Charge-Coupled Devices (CCDs) und eine realistische Energieauflösung mit einer detektorspezifischen Absorption von Photonen. Das generische Modell ist das wichtigste Element des Softwarepakets, da es einen flexiblen Rahmen mit anpassbaren Parametern darstellt und die Integration neuer Instrumententypen anhand von XML-Dateien erlaubt, ohne den eigentlichen Programmcode zu verändern. Es beinhaltet diverse Befehle, mit denen detektorspezifische Operationen zum Auslesen der Signale definiert werden können, die von absorbierten Photonen erzeugt werden. Basierend auf der Simulationssoftware habe ich mehrere Studien für existierende und für die Zukunft geplante Röntgenteleskope durchgeführt, um deren spezifische Eigenschaften im Hinblick auf die wissenschaftliche Verwertbarkeit der Messdaten zu analysieren. In dieser Arbeit präsentiere ich mehrere Untersuchungen für das deutsche Projekt extended ROentgen Survey with an Imaging Telescope Array (eROSITA), das gerade gebaut wird, und das Konzept für die künftige Mission International X-ray Observatory (IXO)/Advanced Telescope for High ENergy Astrophysics (ATHENA), das im Hinblick auf einen Start im Jahr 2022 untersucht wird. Die Simulationssoftware wurde ursprünglich für diese beiden Missionen entwickelt, kann aber inzwischen auch für weitere Instrumente verwendet werden. Ich zeige auch einige Ansätze für weitere Anwendungsgebiete der entwickelten Simulationssoftware im Zusammenhang mit anderen Projekten auf, um deren universelle Verwendbarkeit zu demonstrieren.show moreshow less

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Metadaten
Author:Christian Schmid
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-34217
Advisor:Jörn Wilms
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2012
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Acceptance date of the thesis:2012/07/04
Release Date:2012/07/19
Tag:Astronomy; Astrophysics; Computer simulation; X-ray astronomy
SWD-Keyword:Astronomie; Astrophysik; Computersimulation; Röntgenastronomie
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Naturwissenschaftliche Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 52 Astronomie / 520 Astronomie und zugeordnete Wissenschaften
PACS-Classification:90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix) / 95.00.00 Fundamental astronomy and astrophysics; instrumentation, techniques, and astronomical observations / 95.55.-n Astronomical and space-research instrumentation (see also 94.80.+g Instrumentation for space plasma physics, ionosphere, and magnetosphere) / 95.55.Ka X- and gamma-ray telescopes and instrumentation
90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix) / 95.00.00 Fundamental astronomy and astrophysics; instrumentation, techniques, and astronomical observations / 95.75.-z Observation and data reduction techniques; computer modeling and simulation / 95.75.Pq Mathematical procedures and computer techniques
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