Om te onderzoeken hoe sterren en planeten worden geboren, moeten we een kijkje nemen binnenin hun kraamkamers die verscholen liggen achter koude stofwolken. Ver-infraroodtelescopen zijn in staat om recht door die wolken heen te kijken. Traditioneel worden daarbij niobiumnitride bolometers gebruikt als detectoren, ondanks hun lage werktemperatuur van vier Kelvin (-269° Celsius). Nu heeft Yuner Gan (SRON/RUG), samen met een team van wetenschappers van SRON, TU Delft, Chalmers University en de RUG, een nieuw type bolometer ontwikkeld, gemaakt van magnesium diboride, met een werktemperatuur van twintig Kelvin of hoger. Dat kan een significante reductie opleveren in kosten, complexiteit, gewicht en volume van ruimte-instrumenten. Publicatie op 17 februari in Journal of Applied Physics.
Conventionele, supergeleidende niobiumnitride (NbN) hot electron bolometers (HEBs) zijn tot dusver de meest gevoelige heterodyne detectoren voor hoge-resolutie spectroscopie op ver-infrarood frequenties. Heterodyne detectoren gebruiken een lokale oscillator om een terahertz-lijn om te zetten in een gigahertz-lijn. Daardoor kunnen ze niet alleen de intensiteit van een signaal uit de ruimte tot in groot detail meten, maar ook de frequentie. Heterodyne detectoren zijn al met succes gebruikt in ballon- en ruimtemissies en zijn kandidaat om ook in toekomstige missies te fungeren. Grondtelescopen kunnen ver-infrarood straling niet zien omdat het door de aardatmosfeer wordt geblokkeerd.
Een nadeel van heterodyne detectoren is hun bandbreedte, die slechts een beperkt stukje spectrum dekt. Een andere beperking is de lage werktemperatuur. Afkoelen tot vier Kelvin—met een vat vloeibaar helium danwel een mechanische pulsbuis—is ongewenst voor een ruimtetelescoop vanwege de begrenzingen op massa, volume, elektrisch vermogen en kosten.
Yuner Gan en haar collega’s hebben nu ver-infrarood HEB-detectoren ontwikkeld op basis van een nieuw supergeleidend materiaal—magnesium diboride (MgB2)—dat een relatief hoge kritische temperatuur heeft van 39 Kelvin. Dit stelt ze in staat om een hogere werktemperatuur te krijgen, van twintig Kelvin of hoger. Ze hebben ook laten zien dat de nieuwe HEBs een veelbelovende gevoeligheid en een veel grotere bandbreedte hebben.
SRON is verantwoordelijk voor het algehele project. De fabricatie van de detectoren kwam voor rekening van de TU Delft. De MgB2 dunne film is gemaakt op Chalmers University.
Publicatie
De publicatie in Journal of Applied Physics is geselecteerd voor de Special Collection Recognizing Women in Applied Physics.
Y. Gan, B. Mirzaei, J.R.G. Silva, S. Cherednichenko, F. van der Tak, and J.R. Gao, ‘Heterodyne performance and characteristics of terahertz MgB2 hot electron bolometers’, J. Applied Physics
Credit header image: Yuner Gan
New type of bolometer detector for far-infrared telescopes
To study how stars and planets are born we have to look at star cradles hidden in cool clouds of dust. Far-infrared telescopes are able to pierce through those clouds. Conventionally, niobium nitride bolometers are used as the detectors, despite their low operating temperature of 4 Kelvin (-269° Celsius). Now Yuner Gan (SRON/RUG), together with a team of scientists at SRON, TU Delft, Chalmers University and RUG, has developed a new type of bolometer, made of magnesium diboride, with an operating temperature of 20 Kelvin or above. This can significantly reduce the cost, complexity, weight and volume of the space instruments. Publication on 17 February in Journal of Applied Physics.
Conventional, superconducting niobium nitride (NbN) hot electron bolometers (HEBs) are so far the most sensitive heterodyne detectors for high-resolution spectroscopy at far-infrared frequencies. Heterodyne detectors take advantage of a local oscillator to convert a terahertz line into a gigahertz line. This allows them to measure not only the intensity in great detail but also the frequency. Heterodyne detectors have been successfully applied in balloon and space telescopes and are candidates to serve in future missions. Ground telescopes cannot see far-infrared radiation as it is blocked by the Earth’s atmosphere.
One drawback of such detectors is its bandwidth, that covers a limited spectral line in one measurement. Another restriction comes from the low operating temperature. Cooling down to 4 Kelvin, either by using a vessel with liquid helium or a mechanical pulse tube, is undesirable for a space observatory considering the constraints on mass, volume, electrical power, and cost.
Yuner Gan and her colleagues have now developed a far-infrared HEB detector based on a new superconducting material—magnesium diboride (MgB2)—which has a relatively high critical temperature of 39 Kelvin. This allows them to get a higher operating temperature, at 20 Kelvin or more. They have also demonstrated that the novel HEBs have promising sensitivities and a much increased frequency bandwidth.
SRON is responsible for the overall project. The fabrication of the detectors was done at TU Delft, while the MgB2 thin film was developed at Chalmers University.
Publication
The publication in the Journal of Applied Physics is selected for the Special Collection Recognizing Women in Applied Physics.
Y. Gan, B. Mirzaei, J.R.G. Silva, S. Cherednichenko, F. van der Tak, and J.R. Gao, ‘Heterodyne performance and characteristics of terahertz MgB2 hot electron bolometers’, J. Applied Physics