Nieuwe meetmethode voor signaalverlies in ver-infrarood instrumenten

De aardatmosfeer blokkeert de meeste straling uit de ruimte, dus astronomen maken graag gebruik van satellieten voor een vrije blik op het heelal. Daar hangt echter een prijskaartje aan, omdat ruimte-instrumenten extreem betrouwbaar en zo klein mogelijk moeten zijn. Ver-infraroodstraling bevat een van de weinige golflengtes die wél door de atmosfeer geraken. Dus als je geïnteresseerd bent in objecten die ver-infraroodstraling uitzenden, zoals planeetstelsels of vroege sterrenstelsels, kun je net zo goed een grondtelescoop bouwen. Daarom hebben de ontwerpers van de Atacama Submillimeter Telescope Experiment (ASTE) hun telescoop gewoon op aarde, in Chili geplaatst. Onderzoekers van SRON en TU Delft hebben een ver-infrarood instrument voor ASTE ontwikkeld—DESHIMA—en zijn nu zijn opvolger aan het ontwikkelen samen met andere groepen uit Nederland en Japan: DESHIMA-2.

Omdat vroege sterrenstelsels zo ver weg staan en planetenstelsels zo zwak schijnen, moeten we zuinig zijn met het spaarzame licht dat onze telescopen bereikt, zelfs als ze metersbrede schotels hebben. Zodoende probeert het DESHIMA hardware-team, geleid door Jochem Baselmans (SRON/TU Delft), het signaalverlies te beperken. Het inkomende signaal stuitert honderden keren heen en weer voordat het de vereiste afstand heeft afgelegd naar de detector, waarbij het met elke stuit informatie verliest. Dus als je het verlies per stuit weet te beperken, gaat het totale verlies drastisch naar beneden.

Voor DESHIMA-2 heeft het team zich ten doel gesteld om maximaal 0,02% te verliezen per stuit. ‘Om vroege sterrenstelsels in meer detail te bestuderen hebben we een spectrale resolutie nodig van 500,’ zegt Baselmans. ‘In dat geval ben je nog steeds je halve signaal kwijt wanneer het de detector bereikt als je het verlies beperkt tot 0,2% per stuit. We moeten het verlies terugbrengen tot 1 op 5.000, dus 0,02%, om het grootste gedeelte van de opgevangen ruimtestraling te behouden.’

Het team is er bijna, met een zogenoemde microstrip die het signaal transporteert met een verlies van 1 op 4.900. Het moeilijkste gedeelte was misschien niet eens het bereiken van dat verliesniveau, maar het nauwkeurig meten van het daadwerkelijke verlies. Sebastian Hähnle, die deze meting verrichtte, beschrijft zijn nieuwe meetmethode in Physical Review Applied, waarmee hij instrumentmakers over de hele wereld voor het eerst in staat stelt om de eigenschappen te kennen van de microstrip waar ze aan werken. In de toekomst worden instrumenten steeds complexer, wat de nieuwe methode nog belangrijker maakt.

Om een microstrip te definiëren willen wetenschappers het zogenoemde interne verlies weten. Maar als je simpelweg het uitgaande signaal aftrekt van het inkomende signaal, krijg je een combinatie van het interne verlies en het koppelingsverlies, wat plaatsvindt als het signaal stuitert. Dus je moet hier een onderscheid tussen maken. Hähnle heeft nu een nieuwe, makkelijkere manier gevonden om dat te doen. ‘Met andere methoden moet je weten hoe groot het inkomende, gekalibreerde signaal is,’ zegt hij. ‘Dat vereist dure en complexe experimenten. Mijn methode heeft dat niet nodig.’ Hij ontwikkelde een chip met vier microstrips van verschillende lengtes. Hoe langer de microstrip, des te minder het signaal op en neer moet stuiteren om de vereiste afstand af te leggen, dus wordt het koppelingsverlies minder terwijl het interne verlies hetzelfde blijft. Als je nu het totale verlies van alle vier microstrips vergelijkt, kun je voor elk het interne verlies afleiden.

S. Hähnle, K. Kouwenhoven, B. Buijtendorp, A. Endo, K. Karatsu, D. J. Thoen, V. Murugesan and J. J. A. Baselmans, ‘Superconducting microstrip losses at microwave and submillimeter wavelengths’, Physical Review Applied