SRON-wetenschappers ontwikkelen een detectietechnologie (TES) die de energie van individuele fotonen registreert, bijvoorbeeld voor röntgenstraling uit het verre heelal. Tot nu werd aangenomen dat de bedrading op de detectiechip een intrinsieke grilligheid in de nauwkeurigheid met zich meebrengt. Het onderzoeksteam heeft nu ontdekt dat er toch ruimte is voor verbetering. Publicatie in Physical Review Applied.
aardatmosfeer blokkeert röntgenlicht
Röntgenstraling biedt ons zicht op de verschijnselen in het heelal waar met reusachtige hoeveelheden energie wordt gesmeten. Heet gas tussen de honderden sterrenstelsels in clusters, actieve zwarte gaten, supernovae en dubbele neutronensterren zijn daar enkele voorbeelden van. Maar om van het uitzicht te genieten moet je doorgaans een flink stuk klimmen. In het geval van hoogenergetische verschijnselen moet je zelfs tot de ruimte reiken. De aardatmosfeer blokkeert namelijk het meeste röntgenlicht. Daarom doen röntgentelescopen hun waarnemingen vanuit de ruimte. Wetenschappers van SRON ontwikkelen voor dat soort ruimtetelescopen een detectietechnologie die de energie van individuele fotonen registreert, om zelfs van de verste röntgenverschijnselen het spectrum te bepalen—Transition Edge Sensors (TES).
absorber
Om de energie van een foton over te brengen op de detectoren, gebruiken TES-detectoren een zogenoemde absorber, een paddenstoel-achtig metalen dakje boven de detector, die ermee verbonden is via twee poten. Het SRON-onderzoeksteam onder leiding van Jian-Rong Gao heeft nu een manier gevonden om het ontwerp van de koppeling tussen deze absorbers en de TES verder te verbeteren.
op het randje van supergeleiding
TES-detectoren werken bij temperaturen nabij het absolute nulpunt, zodat ze supergeleidend zijn. Door ze te balanceren op het randje tussen supergeleiding en de normale toestand, kunnen ze worden gebruikt als gevoelige thermometers. De energie van een enkel foton is voldoende om het materiaal genoeg op te warmen om de balans richting normale toestand te tippen. Dit is uit te lezen als een verandering in de stroom die door de detectoren loopt, proportioneel met de energie van het inkomende foton.
grillig gedrag
Om nauwkeurig deze energie te bepalen, moeten de detectoren zo netjes mogelijk werken. Maar in de praktijk zien we vaak grillig gedrag, zoals oscillerende stroomsterktes afhankelijk van waar op de supergeleidende transitie de detector werkt. Er werd algemeen aangenomen dat de overgang tussen de TES en de bedrading op de detectorchip verantwoordelijk was voor dit gedrag. ‘Maar tot onze verbazing zien we dat het dunner maken van de poten van de absorber de oscillaties aanzienlijk vermindert,’ zegt eerste auteur Martin de Wit.
ontwerp
De ontdekking betekent dat er wel degelijk nog winst te behalen is in het ontwerp van de TES. De Wit: ‘Aan die overgang is niets te doen, die moet er gewoon zijn als je met deze detectoren wilt werken. Gelukkig zien we nu dus dat een groot deel van het ongewenste gedrag niet komt door deze overgang, maar te maken heeft met hoe wij de absorber verbinden met de TES. En daar hebben we wél invloed op.’
Publicatie
M. de Wit, L. Gottardi, E. Taralli, K. Nagayoshi, M.L. Ridder, H. Akamatsu, M.P. Bruijn, R.W.M. Hoogeveen, J. van der Kuur, K. Ravensberg, D. Vaccaro, J-R. Gao and J-W.A. den Herder, ‘Impact of the absorber coupling design for Transition Edge Sensor X-ray Calorimeters’, Physical Review Applied