18 november 2017

Nieuw ruimtecamerasysteem met bijna 1000 pixels volwassen

Juan Bueno en Jochem Baselmans en de KID-arrays waaraan zij werken.

Onderzoekers van onder meer SRON en de TU Delft hebben aangetoond dat het mogelijk is om met een speciaal type supergeleidende detector een supergevoelige ruimtecamera te maken voor ver-infrarood sterrenkunde. Zij bouwden van 961 KID-detectoren een chip voor in zo’n camera, die voldoet aan de strenge eisen van sterrenkundigen voor betrouwbaarheid en gevoeligheid. Bovendien is het camerasysteem bestand tegen omstandigheden in de ruimte zoals kosmische straling.

Astronomen wereldwijd kijken reikhalzend uit naar een gevoelige ver-infrarood camera met veel pixels op een telescoop in de ruimte. Ongeveer de helft van alle energie uit het universum bereikt ons via die straling (met golflengtes van 0,03 tot 1 millimeter, het Terahertz frequentiegebied). Door deze straling te meten, kunnen we hele koele en ver gelegen delen van het heelal beter zien. Vanaf de aarde belemmert onze atmosfeer ons ver-infrarood zicht, vandaar de wens voor zo’n telescoop in de ruimte.

De Kinetische Inductie Detector (KID) is extreem gevoelig voor ver-infrarood licht. Bovendien is het in principe relatief eenvoudig om met KIDs veel pixels op een enkele chip te maken en uit te lezen. Sinds enkele jaren worden in grondtelescopen al KIDs gebruikt die excellent presteren. Het was nog nooit eerder aangetoond dat je KIDs daadwerkelijk goed kunt toepassen in een ruimtetelescoop. De onderzoekers zagen zich daarbij wel voor een aantal extra uitdagingen gesteld.

De KID is zo bijzonder gevoelig dankzij bepaalde supergeleidende eigenschappen. Die treden alleen op bij extreem lage temperaturen. Daarom maakten de onderzoekers een testomgeving met een temperatuur bijna bij het absolute nulpunt (100 mK) in Utrecht, waarmee zo’n camerasysteem getest kan worden.

Een andere uitdaging is de sprong in gevoeligheid die de camera moet maken ten opzichte van voorgangers. De camera moet een factor 100 gevoeliger worden dan vergelijkbare camera’s die op aarde worden gebruikt, voordat de internationale gemeenschap er een speciale ruimtetelescoop voor wil bouwen en lanceren. Dat betekent een array van rond de 1000 pixels.

Praktische hobbels nemen

De onderzoekers van de ‘1000-pixel-camera’ moesten ook de nodige praktische hobbels nemen. De pixels kunnen elkaar gaan beïnvloeden (crosstalk) als ze dicht op elkaar in één array zitten. En de signalen moeten allemaal uitgelezen en versterkt worden: een veelheid aan draden kan zo maar voor ongewenste warmte bij de detector zorgen. Dat hebben de onderzoekers opgelost met een techniek om bijna duizend pixels uit te lezen via één dradenpaar (multiplexing). De elektronica hiervoor is gedurende dit project door SRON ontwikkeld in samenwerking met het bedrijf AimValley uit Hilversum. Voor de benodigde lens-arrays is samengewerkt met Veldlaser uit ‘s-Heerenberg.

Cruciale metingen van bijvoorbeeld weerbaarheid tegen kosmische straling, crosstalk, de precieze uitleesbaarheid van afzonderlijke pixels via multiplexing, en het percentage van de pixels dat goed presteert, hebben prachtresultaten gegeven. Het KID-array-systeem is nu volwassen genoeg om toegepast te kunnen worden in een ver-infrarood missieconcept vergelijkbaar met de Japans-Europese SPICA-telescoop of de Amerikaanse Origins Space Telescope.

Voor de stap naar ruimtebestendige KID-systemen, werkten SRON en TU Delft samen in een internationaal consortium van onderzoeksgroepen (project Spacekids). De ontwikkeling van de beschreven camera door SRON-onderzoeker Jochem Baselmans en zijn mede-onderzoekers was een van de belangrijkste resultaten. Zij publiceerden de resultaten onlangs in het gerenommeerde vakblad Astronomy & Astrophysics.

Volgende stap: frequentie van pixel verhogen en array maken

Dat KIDs prima samen kunnen gaan in een 1000-pixel-camera is gedemonstreerd met KIDs voor 0,9 THz. Onderzoekers van SRON en TU Delft zijn inmiddels ook al een eind met de volgende stap: een KID met antenne ontwikkelen voor in een array bóven de 1,0 Terahertz, een golflengtegebied dat rijk is aan sterrenkundige informatie. Onderzoeker Juan Bueno van SRON en zijn mede-onderzoekers hebben inmiddels pixels ontwikkeld voor een KID-array dat elke frequentie tussen 1,4 en 2,8 Terahertz kan meten. Ook dit was nog nooit eerder gedemonstreerd. Bueno en collega’s publiceerden dit begin juni in Applied Physics Letters.

Bron: SRON

Laat wat van je horen

*