Et røntgenkamera, der kan opløse titusindvis af røntgenfarver

NASA er en del af et internationalt team, der udvikler et banebrydende mikrokalorimeter røntgenkamera, der vil give ekstraordinært detaljerede oplysninger om energiske kosmiske fænomener.

Et røntgenmikrokalorimeter er et ikke-dispersivt spektrometer, der bruger en ligevægtstilgang til energimåling - energien fra en røntgenfoton opvarmer en isoleret termisk masse, og temperaturændringen måles. Den ultimative energiopløsning bestemmes af, hvor godt temperaturpulsen kan måles på baggrund af termiske udsving; dermed, højopløselige spektrometre skal betjenes ved meget lave temperaturer ( <0,1 K). Grundideen for disse instrumenter blev foreslået for tre årtier siden, men siden da, en række implementeringer og optimeringer er blevet udviklet, med en konstant forbedring af kapaciteten og en stigning i antallet af billedelementer (pixels).

Med hver forbedring, der udvikles nye missionskoncepter, der kræver endnu større arrays. NASA/Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) Soft X-ray Spectrometer (SXS) instrument ombord på JAXA Hitomi-missionen havde 36 pixels, men X-ray Integral Field Unit (X-IFU) instrumentet, der vil flyve på Den Europæiske Rumorganisations Athena-mission, kræver et array på omkring 4000 pixels, hver omkring 0,25 mm bred (dækker 5 buesekunder af himlen). X-IFU bliver et banebrydende røntgenkamera, der er i stand til at skelne titusindvis af røntgenfarver. Som en del af X-IFU konsortiet, NASA er ved at udvikle den superledende overgangskantsensor (TES) array, der anvendes på instrumentet. Disse sensorer, sammensat af molybdæn/guld TES termometre og guld/vismut røntgenabsorbere, opnå bedre end 2,5 eV opløsning.

Kosmiske fænomener, der producerer røntgenstråler, karakteriserer udviklingen af ​​kosmiske strukturer på både store og små skalaer. Højopløsnings røntgenspektroskopi kan bestemme tæthed og temperatur, identificere ioner og bestemme deres hastigheder, og sætte forskere i stand til at studere effekter som turbulens eller miljøet i nærheden af ​​supermassive sorte huller. Ved at kombinere billeddannelse med spektroskopi, et mikrokalorimeter-instrument sonderer dynamik og variationer inden for rumligt udvidede objekter såsom supernova-rester og galaksehobe med hidtil uset følsomhed.

I 2016 NASA-teamet fokuserede på at arbejde med partnere på SRON, det nederlandske institut for rumforskning, at forberede en X-IFU demonstrationsmodel, der inkorporerer et kilopixel TES-array. Fordi den planlagte udlæsning for X-IFU bruger frekvensdelingsmultipleksing, som indebærer at påføre TES -termometre skiftevis spænding, på kort sigt har fokus været på at bestemme det optimale pixeldesign til den pågældende driftstilstand. Vigtige fremskridt blev også opnået ved hjælp af backup-multipleksing-teknologier, der anvender en konstant spænding til TES-termometrene (tidsopdeling og kodeopdeling). En tidsmultipleksende demonstration af en kolonne på 32 TES-pixel opnåede en gennemsnitlig energiopløsning på 2,55 eV ved 6 keV ved en hastighed, der passer til den oprindelige X-IFU-basislinje. Holdet færdiggjorde layoutet til et X-IFU prototype-array i fuld størrelse, og i det næste år vil disse prototyper blive fremstillet og testet. Holdet demonstrerede også med succes, at pixels med forskellige karakteristika (bredde, Røntgenabsorberende materialer og tykkelse, og superledende overgangstemperatur) kan inkorporeres i et enkelt array, skulle det besluttes at være optimalt at gøre det på X-IFU eller en anden mission.