Halvlederfremstillingsteknikker anvendt til ny gammastråledetektor

NASA-astrofysikere og ingeniører tilpasser detektorer, der bruges af jordbundne superkollidere og skaber dem på samme måde, som elektronikvirksomheder producerer alle moderne forbrugerenheder, herunder mobiltelefoner og bærbare computere.

Den nye pixel-baserede siliciumdetektorteknologi kan bruges på næste generations gammastråleobservatorier til at detektere højenergiske fotoner, der stammer fra de mest magtfulde begivenheder i universet, herunder kolliderende galakser og sorte huller. De nye detektorer ville føle disse fotoner meget som et digitalkamera og bruge langt mindre strøm end nuværende rumbaserede detektorer.

Underjordiske superkollidere, som har eksperimenter med de samme silicium pixel-type detektorer, accelerere protoner og ioner til nær lysets hastighed i modsatte retninger ved meget høje energier. Deres kollisioner er designet til at genskabe de forhold, der styrede universet efter Big Bang. Selvom det er meget effektivt, nuværende silicium pixel teknologi kræver meget strøm, hvilket ville være en udfordring, hvis det bruges i rummet, hvor strøm normalt kommer fra solpaneler.

Indtast AstroPix

"Udfordringen er at finde den bedste måde at reducere mængden af ​​strøm, som pixlen skal bruge, da instrumenter på jorden har adgang til al den strøm, de ønsker, " sagde Regina Caputo, en astrofysiker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, og en stipendiat med NASAs Nancy Grace Roman Technology Fellowship-program. Hun er hovedefterforskeren af ​​Goddards detektor-udviklingsindsats kaldet AstroPix.

Caputo og hendes team, som inkluderer Goddard-astrofysiker Jeremy Perkins og postbaccalaureat-forsker Isabella Brewer, indledningsvis begyndte deres arbejde med støtte fra Goddards Internal Research and Development (IRAD) program. Holdet har siden sikret teknologi-udviklingsstøtte fra NASAs Astrophysics Research and Analysis (APRA) program.

Ligesom partikelfysiksamfundet, Caputo eksperimenterer med en fremstillingsproces kaldet komplementær metaloxid-halvleder, eller CMOS, som NASA's Jet Propulsion Laboratory finesserede til rumflyvningsapplikationer. Halvlederindustrien bruger denne teknik til at fremstille moderne elektroniske enheder. "Denne proces giver os mulighed for ikke kun at indsamle energi fra partikler, der kommer ind i detektoren, men også for at forstærke deres signaler alle i det samme detektormateriale. Dette gør disse detektorer billigere og støjende, " sagde Caputo.

Med APRA-prisen, Caputo og hendes team designer nye pixeldetektorer, der er optimeret til potentiel brug i rummet. De har sendt deres første version af AstroPix til et halvlederstøberi - de samme faciliteter, der fremstiller computerchips - til fremstilling.

"Vi håber at få AstroPix tilbage til sommer til test, " sagde hun. "Dette er fremskridt."

Detektorfordele

AstroPix' fordel illustreres bedst ved at sammenligne den med detektorer, der flyver på Fermi Gamma-ray Space Telescope. Fermi bruger også siliciumbaserede detektorer, men dens sensorer består af siliciumstrimler, der er samlet i lag. Disse lag krydser hinanden vinkelret for at skabe et gitter, der udpeger placeringen af ​​højenergipartikler, der dannes, når en gammastråle rammer en detektor.

Med AstroPix, imidlertid, partikler ville blive optaget, når de kom i kontakt med en enkelt pixel i stedet for siliciumstrimmellag, giver detektoren mulighed for at lave et kort over partiklernes veje med færre lag.

"Tidligere siliciumstrip-detektionsteknologi gennemgik en række processer for at konvertere ladninger til digitale signaler, mens den nye pixel-baserede teknologi kan gøre dem alle på én gang, da udlæsningen er integreret med hver pixel, sagde Caputo. På denne måde pixeldetektoren ville reducere dens strømbehov for at fungere bedst muligt i rummet.

Holdet tester pixeldetektoren i det astrofysiske laboratorium i Goddard ved hjælp af radioaktive kilder, såsom cadmium, for det pixelerede silicium at detektere. Testene hjælper med at afgøre, om pixeldetektorens energiopløsning er den samme eller bedre end siliciumstrimmeldetektorerne. "Disse kilder kan delvist gengive de typer stråling, der findes i rummet, selvom i en meget lavere dosis, " sagde Brewer.

Hvis bevist, fremtidige missioner kan gavne

AstroPiX-teamet skal bevise effektiviteten af ​​disse siliciumpixeldetektorer, før teknologien kan inkorporeres i en fremtidig gammastrålemission, sagde Perkins. Faktisk, ud over forbedret positionsfølsomhed, energiopløsning, og lavere strømforbrug, pixeldetektorteknologien ville nemt være det bedste valg til enhver partikeldetekteringsmission, fordi de er nemme at producere og billige, især sammenlignet med siliciumstrimmeldetektorer.