SRON is pionier in het gebruik van Frequency Domain Multiplexing (FDM) als uitleestechnologie voor grote arrays van Transition Edge Sensors (TES) die werken bij röntgen-, microgolf- en infraroodgolflengtes. TES-detectoren balanceren altijd precies op de grens van hun supergeleidende temperatuur. Wanneer straling erop valt, warmt het materiaal op en neemt de weerstand sterk toe. Bij röntgenstraling kunnen TES-calorimeters zelfs de energie van afzonderlijke lichtdeeltjes bepalen, met een energieresolutie van 3000, om een spectrum te produceren. Bij microgolven en infrarood kunnen TES-bolometers het vermogen van het binnenkomende signaal bepalen om een beeld te produceren.
Uitlezing
Deze gevoeligheid stelt strenge eisen aan de uitleeselektronica. Voor ruimte- en grondinstrumenten die honderden tot duizenden TES-pixels gebruiken, is het essentieel om de complexiteit van de bedrading, de thermische belasting en het vermogensverlies tot een minimum te beperken. FDM biedt daarvoor een oplossing door veel TES-detectoren tegelijkertijd uit te lezen via één enkel paar draden.
Specifieke frequenties
Om FDM te begrijpen, kun je denken aan een oude transistorradio. Elk radiostation zendt uit op een specifieke frequentie en de muziek wordt gecodeerd in de amplitude van de toon op die frequentie. Op deze manier kunnen veel radiostations tegelijkertijd uitzenden zonder elkaar in de weg te zitten. Op dezelfde manier wordt in FDM elke TES uitgerust met een wisselstroom op een unieke draagfrequentie, doorgaans in het MHz-bereik voor röntgenmicrocalorimeters en in het kHz-MHz-bereik voor infraroodbolometers. Wanneer een röntgenfoton of infraroodsignaal wordt geabsorbeerd, verandert de elektrische weerstand, en de amplitude van het draagsignaal wordt gemoduleerd. Alle gemoduleerde signalen van de multiplexed pixels worden opgeteld en versterkt door een superconducting quantum interference device (SQUID) versterker. Door het gecombineerde signaal op de individuele draagfrequenties te demoduleren, wordt de respons van elke TES hersteld met minimale cross-talk. SRON heeft door de jaren heen expertise ontwikkeld in de fabricage van lithografische LC-resonatoren en supergeleidende transformatoren.
Volgende generatie
SRON’s FDM-technologie heeft de kwaliteit bereikt die nodig is voor ruimteonderzoek wat betreft ruis en schaalbaarheid, wat het geschikt maakt voor de volgende generatie sterrenkundige ruimte-instrumenten. Voor röntgenspectroscopie maakt FDM hoge gevoeligheid en hoge energieresolutie mogelijk in grote microcalorimeter arrays, terwijl het voor (ver-)infrarood- en microgolven bolometrische beeldvorming met duizenden pixels ondersteunt. Huidig onderzoek bij SRON is gericht op het verbeteren van multiplexing en signaalverwerking en het uniformer maken van resonatoren.
Breed scala domeinen
De FDM-technologie van SRON kan worden gebruikt in een breed scala van wetenschappelijke en technologische domeinen. In de sterrenkunde wordt FDM beschouwd als een concurrerende technologie voor ESA’s NewAthena röntgentelescoop, die met grote TES-arrays röntgenspectra gaat opnemen van het hete gas in clusters van sterrenstelsels en de omgeving van zwarte gaten. De LiteBIRD ruimtetelescoop gaat FDM gebruiken voor grote arrays van infrarood- en millimetergolf-TES-bolometers om de polarisatie van de kosmische achtergrondstraling te meten met ongekende gevoeligheid. Buiten het ruimteonderzoek worden TES-detectoren met FDM-uitlezing steeds vaker gebruikt in kernfusieonderzoek of materiaalanalyse.
