Simulation of a long focal length Wolter-I telescope for hard X-ray astronomy. Application to the Simbol-X and PheniX space missions.
Simulation d'un télescope Wolter-I grande focale pour l'astronomie X-dur. Application aux projets spatiaux Simbol-X et PheniX.
Résumé
The future of hard X-ray astronomy relies on the development of new instruments able to focus photons of a hundred keV. Indeed, focalization allows an important improvement in sensitivity and angular resolution. Achieved by grazing incidence reflections on Wolter-I mirrors, its use currently limited to tens of keV can be extended to higher energies thanks to a specific coating and a large focal length. As X-ray observations are only possible above the atmosphere, the size of the observatories, and hence their focal length, was limited by the launcher capacity. Over the past few years, different technologies like extendible masts or formation flight have been studied to go beyond this limit. To gain a better understanding of these telescopes, I detail the Wolter-I mirror geometry, their coating reflectivity, the detection in semi-conductor as well as the dynamic related to extendible masts and formation flight. These telescopes are complex optical systems, subject to deformations during observation and need a fine metrology system to measure these deformations for image correction. To study their performance, I developed a code reproducing the real functioning of such a telescope. Each photon is considered individually, its path and interactions depend on the behavior of the telescope structure along with time. Each component of the telescope is modeled, as well as the metrology needed for the restitution of its dynamic. The path of the photon is computed in a three dimensional vector space, using Monte-Carlo methods to reproduce the mirror defaults, their reflectivity and the interactions in the detector. The simulation produces images and energy spectra, from which we can infer the angular resolution, the field of view, the effective area and the detection efficiency. In 2006, the Simbol-X mission was selected in the framework of the formation flight studies. This concept allows a large focal length, the telescope being distributed on two independent spacecrafts. However, the particular dynamic of the formation flight has consequences on the telescope performance and must be controlled. In the framework of this mission, my simulation tool was used to study the consequence of the motion of each satellite on the telescope performance and the influence of the metrology errors on the image reconstruction. This study led to the attitude control specification of each spacecraft and to the metrology accuracy specification. Considering these results, I demonstrate the feasibility of this kind of telescope. Beyond the Simbol-X mission, I have investigated the performance optimization of a hard X-ray telescope. Using my simulation, I have studied the impact of each parameter on the telescope performance. These studies have led to the design of the PheniX project, a telescope operating in the 1-200 keV band, proposed by the Centre d'Etude Spatial des Rayonnements in response to the European Space Agency M3 call. Thanks to a new coating and a large focal length obtained with an extendible mast, this telescope offers a level of performance at 100 keV more than 100 times better than the actual instruments. I present this project and its expected performances in the last part of my thesis.
L'avenir de l'astronomie X-dur repose sur le développement de nouveaux instruments permettant la focalisation des photons d'une centaine de keV. En effet, la focalisation permet un gain considérable en sensibilité et en résolution angulaire. Obtenue par réflexions rasantes sur des miroirs Wolter-I, son utilisation jusqu'ici limitée à la dizaine de keV peut être étendue à plus haute énergie grâce à un revêtement spécifique et une importante focale. L'observation du rayonnement X ne pouvant se faire qu'au delà de notre atmosphère, les dimensions des observatoires, et donc leur focale, étaient limitées par les capacités des lanceurs. Depuis quelques années, de nouvelles technologies comme les mats déployables ou le vol en formation sont à l'étude pour s'affranchir de cette limite. Afin de mieux comprendre le fonctionnement de ces télescopes, je détaille la géométrie des miroirs Wolter-I, la réflectivité de leur revêtement, la détection dans un semi-conducteur ainsi que la dynamique liée aux mats déployables et au vol en formation. Ces télescopes sont des systèmes optiques complexes, sujets à déformation au cours d'une observation et nécessitent une métrologie précise pour mesurer ces déformations afin de corriger l'image. Pour en étudier les performances, j'ai développé un code reproduisant le fonctionnement réel du télescope. Chaque photon est traité individuellement, son parcours et ses interactions dépendent de l'évolution de la structure du télescope au cours du temps. Chaque élément du télescope est modélisé, ainsi que la métrologie nécessaire à la restitution de sa dynamique. Le parcours du photon est calculé dans un espace vectoriel à trois dimensions, en utilisant des méthodes Monte-Carlo pour reproduire les défauts et la réflectivité des miroirs ainsi que les interactions dans le détecteur. La simulation fournit des images et des spectres en énergie, dont on peut extraire la résolution angulaire, le champ de vue, la surface efficace et l'efficacité de détection. En 2006, la mission d'astronomie Simbol-X fut sélectionnée dans le cadre de l'étude du vol en formation. Ce concept permet d'atteindre une grande distance focale en distribuant le télescope sur deux satellites. Cependant, la dynamique particulière liée au vol en formation a des conséquences sur les performances du télescope et nécessite d'être maitrisée. Dans le cadre de cette mission, ma simulation a permis d'étudier les conséquences de chaque mouvement des satellites sur les performances du télescope ainsi que les conséquences des défauts de la métrologie sur la correction des images. Cette étude a apporté des contraintes sur le contrôle d'attitude de chaque satellite et sur la précision de la métrologie nécessaire. Au regard des résultats obtenus, je démontre la faisabilité d'un tel télescope. Au delà de la mission Simbol-X, je me suis intéressé à l'optimisation des performances d'un télescope X-dur. En utilisant ma simulation, j'ai étudié l'influence de chaque paramètre sur les performances du télescope. Ces études ont mené à la conception du projet PheniX, un télescope opérant dans la gamme 1-200 keV, proposé par le Centre d'Etude Spatial des Rayonnements dans le cadre de l'appel d'offre M3 de l'Agence Spatiale Européenne. Equipé d'un nouveau type de revêtement et d'une focale de 40 mètres obtenue avec un mât déployable, ce télescope affiche un niveau de performance à 100 keV plus de 100 fois supérieur aux missions actuelles. Je présente ce projet ainsi que ses performances attendues, dans la dernière partie de ma thèse.
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