In 2031 lanceert ESA haar nieuwe röntgentelescoop Athena. SRON speelt een grote rol in het bouwen van één van de twee instrumenten, de X-IFU spectrometer, door de camera te ontwikkelen plus de back-up detectoren. SRON-wetenschappers zijn er nu in geslaagd om detectoren te ontwikkelen voor een uitleessysteem gebaseerd op Frequency Domain Multiplexing. Ze hebben in het energiespectrum rond 6 keV een nieuw wereldrecord neergezet met een resolutie van 1,3 eV.
Vanuit zijn baan rond de Zon, op anderhalf miljoen kilometer achter de Aarde, gaat Athena de hete gasstructuren in het heelal in kaart brengen en de evolutie van superzware zwarte gaten bestuderen. Daarvoor moet hij energiespectra opmeten met ongekende resolutie. De telescoop gebruikt supergeleidende Transition-Edge Sensors (TES) die werken bij een temperatuur van 50 mK—vijftig duizendste graad boven het absolute nulpunt—om de energie van individuele fotonen te bepalen. Wanneer een foton een sensor raakt, warmt die een klein beetje op, evenredig met de energie van het foton. Dit vermindert de supergeleidende toestand en de camera leest een kleinere stroom uit dan normaal, wat de benodigde informatie oplevert.
één versterker per veertig pixels
Maar het uitlezen van een stroom is niet zo makkelijk als het klinkt. Een snel en betrouwbaar uitleessysteem ontwikkelen is zelfs een van de grootste uitdagingen voor Athena’s X-IFU instrument. Het moet drieduizend pixels uitlezen en daarbij voorkomen dat het instrument opwarmt—meer dan een duizendste graag is al onacceptabel. Conventionele uitleessystemen, gebaseerd op het zogenoemde Time Domain Multiplexing (TDM), hebben één versterker per pixel, die na elkaar aan en uit schakelen. Voor de back-up detectieketen ontwikkelt SRON een uitleessysteem gebaseerd op Frequency Domain Multiplexing (FDM), waarbij slechts één versterker per veertig pixels nodig is. Het team is er nu in geslaagd om de geometrie van de TES zo af te stellen dat ongewenst gedrag inherent aan FDM minimaal blijft.
fysica achter de detector
De doorbraak is het resultaat van intensief onderzoek naar de fysica achter de detector, geleid door Luciano Gottardi (SRON) in samenwerking met collega’s van NASA-Goddard. Sleutelrollen zijn weggelegd voor Kenichiro Nagayoshi, die de lithografische apparaten fabriceerde, Martin de Wit en Emanuele Taralli, die de hardware aanpasten voor elke testronde en de tests uitvoerden, en Marcel Ridder, die een cruciale rol speelde in de cleanroom. Ze worden ondersteund door de rest van het SRON-team, gecoördineerd door Jian-Rong Gao.
energieresolutie van 1,3 eV bij 6 keV
Na vele testrondes heeft het team het detectorontwerp en de uitlezing zo verfijnd dat het een wereldrecord haalde met een energieresolutie van 1,3 eV bij 6 keV. ‘Maar belangrijker nog: we hebben een goed begrip van de fysica erachter,’ zegt Nagayoshi. ‘Daardoor hebben we er alle vertrouwen in dat we een nóg hogere resolutie kunnen halen. In 2018 begonnen we met 3,5 eV en nu zitten we al op 1,3 eV. We hebben geen reden om aan te nemen dat het hier stopt.’
Gottardi: ‘We hebben een prettige combinatie gecreëerd van goede ideeën, goede mensen en goede faciliteiten bij SRON. De mensen in de cleanroom upgraden de apparaten snel en wij testen ze snel en geven meteen feedback. Het is een smooth loop.’