TES-bolometers met gelijktijdige uitlezing van meerdere pixels zijn de beoogde detectietechniek voor een aantal ruimtemissies voor submillimeter en ver-infrarode golflengtes, zoals LiteBIRD en OST. Qian Wang, promovendus bij SRON en de RUG, heeft nu een simultane uitlezing ontwikkeld voor zestig TES-bolometers. Publicatie in Applied Physics Letters.
enkele milliKelvin
Licht vanuit het diepe heelal met submillimeter en ver-infrarode golflengtes kan grote afstanden afleggen, dwars door gigantische stofwolken, en geeft ons daarmee informatie over de geschiedenis van het universum en de oorsprong van sterrenstelsels, sterren en planeten. Maar de lange reis zwakt de signalen af. Dus hebben we ruimte-instrumenten nodig met gevoelige sensoren, die werken bij temperaturen van slechts enkele milliKelvin.
supergeleidende detectoren
Transition edge sensor (TES) bolometers zijn supergeleidende detectoren die gebruikmaken van de ineenstorting van de supergeleidende toestand en de bijbehorende scherpe toename in weerstand wanneer de temperatuur zelfs maar een beetje hoger wordt. Hun weerstand is dus extreem gevoelig voor temperatuurveranderingen, veroorzaakt door het verwarmende vermogen van licht. Als het materiaal wordt opgewarmd door invliegende fotonen, produceert de kleine temperatuursverandering een meetbare stroom in de detector.
uitlezen van meerdere pixels
De uitdagingen voor TES-technologie op ruimtemissies betreffen niet alleen de gevoeligheid, maar ook het uitlezen van meerdere pixels tegelijk. Zonder deze zogenoemde multiplexing—het combineren van de signalen vanuit vele pixels in een dubbeldraad—zoud hun bedrading voor elke pixel teveel hitte genereren. Dat zou het onmogelijk maken om de detectoren gekoeld te houden vlakbij het absolute nulpunt.
zestig bolometers simultaan uitlezen
Eerste auteur Qian Wang, die samenwerkt met Pourya Khosropanah en andere leden van het SAFARI-FDM team bij SRON, geleid door Gert de Lange, heeft nu een frequency division multiplexing (FDM) systeem ontwikkeld dat zestig bolometers simultaan kan uitlezen met gebruik van slechts een dubbeldraad en een versterker. De uitlees-ruis is lager dan bij eerdere publicaties van SRON en andere ruimte-laboratoria, tot een Noise Equipment Power van 0.45 aW/ÖHz. De gevoeligheid is in de multiplexing uitleesmodus hetzelfde als in de enkele-pixel modus. De onderzoekers verwachten dat ze tenminste 130 pixels tegelijk kunnen uitlezen als ze de frequentierange uitbreiden voor de huidige FDM-setup. De resultaten laten zien dat de uitleestechniek voldoet aan de vereisten voor de Japanse LiteBIRD-ruimtemissie en dat FDM-technologie een optie is voor NASA’s OST-missie op de lange termijn.
Publicatie
Q. Wang, P. Khosropanah, J. van der Kuur, G. de Lange, M. D. Audley, A. Aminaei, M. L. Ridder, A. J. van der Linden, M. P. Bruijn, F. van der Tak, and J. R. Gao, Frequency division multiplexing readout of 60 low-noise transition-edge sensor bolometers, Appl. Phys. Lett. 119, 182602 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0065570