SRON-onderzoekers hebben vijf nieuwe soorten pixels ontworpen voor röntgentelescopen. Daarmee halen ze nu voor het eerst dezelfde energieresolutie als conventionele vierkante pixels. Het team heeft voor elk ontwerp de voor- en nadelen bepaald, afhankelijk van het doel van een ruimtemissie. Publicatie in Journal of Applied Physics.
ESA’s toekomstige ruimtetelescoop Athena gaat de röntgenstraling van sterrenstelsels bestuderen met ongekende energieresolutie—het vermogen om kleuren te onderscheiden. Haar röntgencamera’s gebruiken als pixels Transition Edge Sensors (TES), die de energie meten van individuele fotonen door te balanceren op de rand van supergeleiding. Als een TES een foton absorbeert, veroorzaakt dat een kleine temperatuursverandering wat leidt tot een enorme terugval van de supergeleidende toestand, en dus schiet weerstand van de TES omhoog, proportioneel met de energie van het gemeten foton.
Multiplexing
In het geval van Athena moeten vierduizend TES-pixels tegelijkertijd werken. Maar als je elke pixel zijn eigen uitleesversterker geeft heb je veel stroom nodig. En in de ruimte is eigenlijk alles schaars, dus ook stroom. Daarom gebruikt Athena multiplexing—een techniek waarbij veel pixels in één uitleesketen zitten met één versterker. Time Domain Multiplexing (TDM) is de conventionele manier, waarbij elke pixel in de keten wordt aangezet, uitgelezen met gelijkstroom, en snel weer uitgezet voordat de volgende aan de beurt is. SRON-wetenschappers zijn experts in een alternatieve manier, Frequency Domain Multiplexing (FDM), waarbij alle pixels tegelijkertijd worden uitgelezen met wisselstroom op verschillende frequenties. Beide manieren hebben hun sterke en zwakke punten en beide hebben goed ontworpen pixels nodig.
Tweeduizend kleuren van de regenboog
Historisch gezien heeft TDM altijd de beste energieresolutie gehad. Maar het SRON-team, waaronder Martin de Wit en Luciano Gottardi, heeft nu FDM geoptimaliseerd door de traditionele vierkante vorm te laten varen en te kiezen voor lange dunne pixels met hoge weerstand. Ze hebben nu voor het eerst met wisselstroom dezelfde energieresolutie behaald als TDM op basis van gelijkstroom. Ze meten de energie van een 5,9 keV röntgenfoton met een precisie van 1,6 eV. Dat is alsof je een regenboog ziet in meer dan tweeduizend kleuren.
Pixel design
Misschien nog belangrijker is het nieuwe inzicht in hoe het ontwerp van een pixel zijn eigenschappen beïnvloedt. Door vijf verschillende ontwerpen te vergelijken konden de SRON-wetenschappers uitvogelen hoe variaties in breedte en lengte de kritische temperatuur en thermische geleiding bepalen. Voor toekomstige ruimtemissies is controle over die eigenschappen essentieel, omdat ze samen bepalen voor welk type straling de pixels geschikt zijn, en hoe snel ze zijn, wat bepaald welke objecten bestudeerd kunnen worden. De bevindingen van het SRON-team kan een belangrijke rol spelen in het ontwerp van toekomstige ruimte-instrumenten.
Publicatie
M. de Wit, L. Gottardi, E. Taralli, K. Nagayoshi, M. L. Ridder, H. Akamatsu, M. P. Bruijn, M. D’Andrea, J. van der Kuur, K. Ravensberg, D. Vaccaro, S. Visser, J. R. Gao, and J.-W. A. den Herder, ‘High aspect ratio transition edge sensors for x-ray spectrometry’, Journal of Applied Physics