MeVCube -- eine neuartige Compton Kamera zur Messung von Gammastrahlung fuer astrophysikalische und terrestrische Anwendungen

• Antragsteller: Dr. Markus Ackermann; Professor Dr. David Berge
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448812190

Die Messung von Gammastrahlen von astrophysikalischen Quellen hat unser Verständnis hochenergetischer Prozesse im Universum revolutioniert. In der Gammastrahlen-Astronomie ist der Energiebereich zwischen einigen hundert keV und einigen MeV am wenigsten erforscht, obwohl in diesem Bereich Schlüsselinformationen zu nicht-thermischen Prozessen und Umgebungen um kompakte Objekte wie kollidierende Neutronensterne oder aktive galaktische Kerne gesammelt werden können. Insbesondere im Rahmen der Multi-Messenger-Astronomie, die Messungen elektromagnetischer Strahlung derselben Objekte oder Ereignisse mit Gravitationswellen und Neutrinos kombiniert, liefert dieser Energiebereich entscheidende Informationen, um den Zusammenhang zwischen diesen Beobachtungen zu untersuchen. Astronomische Beobachtungen im MeV-Bereich können nur vom Weltraum aus durchgeführt werden, da die Atmosphäre Gammastrahlen effizient absorbiert. Dies ist einer der Gründe dafür, dass dieser Energiebereich relativ schlecht erforscht ist: die Kosten für Satelliten waren bisher oft unerschwinglich hoch. Der Aufstieg von CubeSats, kleinen standardisierten Satellitennutzlasten, die zusammen mit größeren Satelliten gestartet werden, hat der MeV-Astronomie nun eine völlig neue Möglichkeit eröffnet. Ein kompakter bildgebender Gammastrahlendetektor mit geringer Leistung auf einem solchen CubeSat kann eine um eine Größenordnung höhere Empfindlichkeit als frühere Großgeräte erreichen, und das bei um ein bis zwei Größenordnungen niedrigeren Kosten.In diesem gemeinsamen deutsch-chinesischen Forschungsprojekt schlagen wir vor, einen solch kompakten, leistungsstarken bildgebenden Gammastrahlendetektor als Technologie-Demonstrator für zukünftige CubeSat-Missionen zu entwickeln. Der Detektor arbeitet als Compton-Kamera und nutzt die Physik der Compton-Streuung, um die Richtung der einfallenden Gammastrahlen zu bestimmen. Unter Verwendung hochmoderner Halbleiterdetektoren und eigens entwickelter Ausleseelektronik schlagen wir vor, den MeVCube-Detektor für den Energiebereich zwischen 250~keV und 5~MeV mit einer Winkelauflösung unter 1,5~Grad bei 1 MeV zu entwickeln und zu bauen. Der MeVCube wird weniger als 10~cm x 10~cm x 10~cm groß sein und nur etwa 2~W Leistung verbrauchen. Die Eignung dieser Compton-Kamera wird dann vollständig für eine zukünftige Verwendung in einer CubeSat-Mission nachgewiesen werden.Ein solcher MeV-Gammastrahlendetektor ist nicht nur für die Astronomie, sondern auch für terrestrische Strahlungsüberwachung und für medizinische Anwendungen interessant. Für einige der letztgenannten Anwendungen gibt es zwar Standardlösungen, aber der hier vorgeschlagene Detektor ist leichter, kompakter und hat einen geringeren Stromverbrauch als diese Lösungen. Daher ist die Qualifizierung der Leistung und des Innovationspotentials unserer Compton-Kamera für solche terrestrischen Anwendungen der zweite wichtige Aspekt dieses Vorschlags.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Großgeräte: CdZnTe sensors
• Gerätegruppe: 0260 Strahlungsmeßplätze (außer 033, 330-339, 405 und 615-619)
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Mitverantwortliche: Dr. Ingo Bloch; Dr. Jian Li
• Kooperationspartner: Peng Wen-Xi; Professor Dr. Wan-Chang Zhang