Onderzoek, ontwikkeling en innovatie

Nieuwe röntgenpixels

ESA's toekomstige ruimtetelescoop Athena gaat de röntgenstraling van sterrenstelsels bestuderen met een ongekende energieresolutie (het vermogen om kleuren te onderscheiden). De röntgencamera's gebruiken als pixels Transition Edge Sensors (TES), die de energie meten van individuele fotonen door op de rand van supergeleiding te balanceren.

Als een TES een foton absorbeert, veroorzaakt dat een kleine temperatuursverandering wat leidt tot een enorme terugval van de supergeleidende toestand, en dus schiet weerstand van de TES omhoog, evenredig met de energie van het gemeten foton. In het geval van Athena moeten vierduizend TES-pixels tegelijkertijd werken. Maar als men elke pixel zijn eigen uitleesversterker geeft, heeft men veel stroom nodig. En in de ruimte is eigenlijk alles schaars – ook stroom. Daarom gebruikt Athena multiplexing – een techniek waarbij veel pixels in één uitleesketen zitten met één versterker. Time Domain Multiplexing (TDM) is de conventionele manier, waarbij elke pixel in de keten wordt aangezet, uitgelezen met gelijkstroom, en snel weer uitgezet voordat de volgende aan de beurt is. SRON-wetenschappers zijn experts in een alternatieve manier, Frequency Domain Multiplexing (FDM), waarbij alle pixels tegelijkertijd worden uitgelezen met wisselstroom op verschillende frequenties. Beide manieren hebben hun sterke en zwakke punten en beide hebben goed ontworpen pixels nodig. Historisch gezien heeft TDM altijd de beste energieresolutie gehad. Maar het SRON-team heeft nu FDM geoptimaliseerd door de traditionele vierkante vorm te laten varen en te kiezen voor lange dunne pixels met hoge weerstand. Ze hebben nu voor het eerst met wisselstroom dezelfde energieresolutie behaald als TDM op basis van gelijkstroom. Ze meten de energie van een 5,9keV-röntgenfoton met een precisie van 1,6 eV. Dat is alsof men een regenboog ziet in meer dan tweeduizend kleuren. Misschien nog belangrijker is het nieuwe inzicht in hoe het ontwerp van een pixel zijn eigenschappen beïnvloedt. Door vijf verschillende ontwerpen te vergelijken konden de SRON-wetenschappers bepalen hoe variaties in breedte en lengte de kritische temperatuur en thermische geleiding bepalen. Voor toekomstige ruimtemissies is controle over die eigenschappen essentieel, omdat ze samen bepalen voor welk type straling de pixels geschikt zijn, en hoe snel ze zijn, wat weer bepaalt welke objecten bestudeerd kunnen worden. De bevindingen van het SRON-team kunnen een belangrijke rol spelen in het ontwerp van toekomstige ruimte-instrumenten.

SRON Netherlands Institute for Space Research
www.sron.nl


Meer nieuws over Onderzoek, ontwikkeling en innovatie