Teknologi klar til back-up detektor X-IFU i Athena rumteleskop

I 2031, ESA lancerer sit nye røntgenrumteleskop Athena. SRON Netherlands Institute for Space Research spiller en stor rolle i opbygningen af ​​et af dets to instrumenter, X-IFU spektrometer, ved at producere kameraet plus back-up detektorerne. SRON-forskere har nu med succes udviklet detektorer, der er optimeret til udlæsning baseret på et særligt system kaldet Frequency Domain Multiplexing. De satte en ny verdensrekord energiopløsning på 6 keV på 1,3 eV.

Fra sin bane omkring Solen, 1,5 millioner kilometer fra Jorden, Athena vil kortlægge varme gasstrukturer i universet og studere udviklingen af ​​supermassive sorte huller. Til det skal den måle deres spektre med hidtil uset opløsning. For at opnå dette, den bruger superledende Transition-Edge Sensors (TES), der arbejder ved en temperatur på 50 millikelvin, som kan bestemme energien af ​​individuelle fotoner. Når en foton rammer en sensor, den opvarmes proportionalt med fotonens energi. Dette reducerer den superledende tilstand, og kameraet udlæser en mindre strøm end normalt, igen proportionalt.

Men at læse en strøm er ikke så let, som det lyder. At udvikle et hurtigt og pålideligt udlæsningssystem er faktisk en af ​​de største udfordringer for Athenas X-IFU instrument. Den skal udlæse 3000 pixels og undgå temperaturstigninger for instrumentet, der er større end en tusindedel af en grad. Konventionelle udlæsningssystemer, baseret på såkaldt Time Domain Multiplexing (TDM), har en forstærker pr. pixel, som skal tændes og slukkes sekventielt. For backup-detektionskæden, SRON udvikler en udlæsning baseret på Frequency Domain Multiplexing (FDM), hvor der kun kræves én forstærker pr. fyrre pixels. Holdet har nu med succes justeret TES-geometrien for at minimere uønsket adfærd, der går hånd i hånd med en FDM-udlæsning og er forårsaget af en ikke-lineær impedans på tværs af TES.

Dette er resultatet af en intensiv undersøgelse af detektorfysikken, ledet af Luciano Gottardi (SRON) i samarbejde med kolleger fra NASA-Goddard. De vigtigste bidragydere er Kenichiro Nagayoshi, hvem fremstillede de litografiske anordninger, Martin de Wit og Emanuele Taralli, hvem justerede hardwaren for hver testrunde og udførte testene, og Marcel Ridder, som spillede en afgørende rolle i renrummet for at få processen til at flyde. De støttes af andre medlemmer af SRON-teamet, koordineret af Jian-Rong Gao.

Efter mange testrunder, holdet har forfinet detektordesignet og udlæsningen til en verdensrekord spektral opløsning på 1,3 eV ved 6 keV. "Men endnu vigtigere, vi har en god forståelse af fysikken bag det, " siger Nagayoshi. "Det betyder, at vi er sikre på, at vi kan opnå en stadig højere opløsning. Tilbage i 2018 startede vi ved 3,5 eV, og vi er nu på 1,3 eV. Vi har ingen grund til at tro, at det stopper her«.

Gottardi konkluderer, "Vi befinder os i en lykkelig kombination af gode ideer, gode mennesker og gode faciliteter på SRON. Folkene i renrummet opgraderer hurtigt enhederne, og vi kan hurtigt teste dem og straks give feedback. Det er en glat løkke."