T - Gassensoren - SRON Netherlands Institute for Space Research

Gasgevulde sensoren en dradenkamers: Fotonen met hoge energie gemeten

Uitdaging

Hoe kun je aan bronnen van röntgenstraling metingen doen? De wetenschappelijke interesse bestaat niet alleen uit het verkrijgen van afbeeldingen (ruimtelijke scherpte) maar ook van de energieverdeling van de fotonen (spectrale scherpte). Daarnaast is het interessant om te weten hoe deze straling verandert in de tijd: is de straling continu van karakter, of zien we pulsen die misschien op (on)regelmatige explosies kunnen wijzen? Of bestaan er periodiek veranderlijke röntgenbronnen?

Röntgenstraling kun je in principe vastleggen op fotografische platen, zoals dat ook gebeurt bij het maken van een röntgenfoto bij de tandarts of in het ziekenhuis. En inderdaad, de allereerste registraties van röntgenstraling van de zon, gemeten vanuit sondeerraketten, maken gebruik van fotomateriaal. Helaas is de fotografische plaat niet erg gevoelig voor spectrale informatie en al helemaal niet voor het vastleggen van snelle veranderingen. Bovendien laat röntgenstraling zich niet focusseren tot een afbeelding via optische elementen als glazen lenzen en spiegels; de straling gaat er door heen.

Er is een andere detectietechnologie nodig. De eerste die op uitgebreide schaal wordt toegepast, is die van de gasgevulde sensoren. Later raakt deze technologie in onbruik en schakelt men over op ccd-technieken en microcalorimeters.

Doorbraak

Tot de eerste activiteiten van het Nederlandse ruimteonderzoek behoort het meten van röntgenstraling van de zon, eerst met sondeerraketten, en later vanuit satellieten. Het type detector dat dan wordt gebruikt is de zogeheten gassensor. In de basis bestaat die uit een cilinderbuis, gevuld met een geschikt gas. Door de cilinder loopt een metalen draad. Tussen de draad en de cilinderwand wordt een hoge elektrische spanning aangebracht. Daarmee staat de sensor ‘op scherp’. Als er een röntgenfoton in de buis doordringt, veroorzaakt de interactie met de gasmoleculen voor een ionisatie-effect. Daarbij verliezen de gasmoleculen één of meer elektronen, waardoor het gas plotseling elektrisch geleidend wordt. Het kleine wolkje elektronen dat door het röntgenfoton wordt losgeslagen, versnelt in het elektrische veld. Onderweg worden steeds meer elektronen van gasmoleculen losgeslagen en uiteindelijk bereikt een ‘lawine’ van elektronen de anode. Deze gasversterking hangt af van de gasdruk, het soort gas en de sterkte van het elektrische veld. De versterkingsfactor ligt tussen de 5 000 en 20 000.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: de spectrale gevoeligheid van porportionele telbuizen{end-link}Er ontstaat een elektrische puls tussen de cilinderwand en de metalen draad. Het tellen van het aantal pulsen is een maat voor het aantal gedetecteerde röntgenfotonen. Maar de sterkte van de pulsen bevat ook nog informatie. Hoe energierijker het binnendringende foton is, hoe groter het ionisatie-effect en hoe sterker de ontlading. De sterkte van de puls is ‘proportioneel’ (evenredig) met de energie van het foton. Daarom heten deze detectoren ook wel proportionele telbuizen.

In de praktijk kunnen er verschillen zitten in de sterkte van de stroompuls als van twee röntgenfotonen de energie precies gelijk is. Dit is een vorm van ruis die binnen het instrument wordt opgewekt. Het zorgt voor een ‘verbreding’ van de gemeten spectraallijnen. De kans bestaat dat ragfijne spectrale lijntjes ‘versmeerd’ raken en niet meer afzonderlijk te herkennen zijn. De ‘scherpte’ waarmee lijnen in het spectrum worden gemeten, kan worden uitgedrukt met de factor E/?E. Dit is de energie van het foton, gedeeld door het energieverschil dat de detector nog kan meten. Hoe hoger dit getal, hoe fijner de spectrale details die je kunt zien. Voor de proportionele telbuizen is een waarde van 5 tot 10 haalbaar. Bij een energie van bijvoorbeeld 3 000 elektronvolt kunnen dan energieverschillen in de orde van 30 tot 60 elektronvolt worden gemeten. Moderne systemen, gebaseerd op andere technieken, halen inmiddels waarden van ongeveer 2 000. Dan kun je spectrale details van ongeveer 1,5 elektronvolt zien.{end-tooltip}
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: de gasvulling van porportionele telbuizen{end-link}Proportionele telbuizen zijn geschikt om röntgenfotonen te detecteren met een energie tussen 0,1 en 50 keV (kilo elektronvolt = 1 000 elektronvolt). De elektronica die de stroompuls uitleest, is zodanig ontworpen dat de detector na een tiende milliseconde weer gereed is voor het meten van de volgende puls. Voor metingen aan zachte straling, tot 6 keV, is het edelgas argon het meest geschikt; voor hardere straling wordt xenon gebruikt. Maar een vulling met 100% zuiver edelgas is niet verstandig. Positief geladen ionen kunnen massaal op de kathode (de negatief geladen ‘pool’) inslaan en daar nieuwe ionisaties veroorzaken. En tijdens het opwekken van de lawine van elektronen ontstaan ook ultraviolet fotonen die ook weer lawines veroorzaken. Door deze effecten kan een detector met een zuivere gasvulling gemakkelijk op hol slaan.

Daarom wordt ook een ‘dempend’ gas toegevoegd, zoals kooldioxide, dat de ultraviolet fotonen effectief absorbeert. Niet elk gemeten signaal is afkomstig van een röntgenfoton. Snel bewegende elektrisch geladen deeltjes (kosmische straling) veroorzaken ook een ionisatie-effect in de buizen. Maar röntgenfotonen activeren maar één telbuis, terwijl kosmische stralingsdeeltjes er meestal verschillende tegelijk activeren omdat hun doordringend vermogen enorm groot is. Met elektronica kun je op die manier onderscheid maken tussen echte röntgenfotonen en valse signalen die veroorzaakt worden door de kosmische straling.{end-tooltip}

Kun je nu gelijktijdig een afbeelding van het stukje hemel maken waar je naar kijkt, en de spectra meten? Als je veel gassensoren in het afbeeldingsvlak van de röntgentelescoop zet, kun je met de uitgelezen signalen ook een grofmazige afbeelding reconstrueren. De kwaliteit van die afbeelding wordt veel beter als je het principe van de gassensor toepast in een zogeheten veeldradenkamer. Zo’n kamer bestaat uit een rechthoekige doos, gevuld met een geschikt gasmengsel. Midden in de doos zijn tientallen draden gespannen, die onderling verbonden zijn en op een positieve elektrische spanning worden gebracht: de anode. Het dradenvlak loopt parallel met het vlak van het intredevenster. Boven en onder dit dradenvlak, worden nog twee andere dradenvlakken aangebracht. Deze draden lopen haaks op de draden van de anode, en staan onder een negatieve spanning. Van een elektronenlawine, veroorzaakt door een röntgenfoton die het gas in de doos ioniseert, kan nu ook de positie in de doos worden bepaald. Met deze coördinaten kan een scherpere röntgenafbeelding van het hemelstukje worden gemaakt.

Inzet

Gasgevulde detectoren worden gebruikt op vrijwel alle röntgenmissies tot de jaren negentig van de vorige eeuw. Zulke missies worden eerst uitgevoerd met sondeerraketten. Die bereiken geen baan om de aarde maar vallen via een kogelbaan terug naar de aarde. Ze leveren meestal enkele minuten tot ongeveer een uur waarnemingstijd op. Zo bestaat het Utrechtse experiment R4 (raketexperiment nummer 4) uit verschillende telbuizen, ieder gevoelig voor een bepaald energiebereik van röntgenfotonen. Het doel is om röntgenstraling van de zon te meten, uitgezonden rond het optreden van zonnevlammen. Het experiment is succesvol. Het eerste succesvolle satellietexperiment (S37) bevindt zich aan boord van de eerste ESRO-satelliet, de ESRO-II. Het eigenlijke vluchtmodel van deze satelliet gaat verloren omdat de lanceerraket niet goed werkt. Men bouwt het prototype om tot nieuw vluchtmodel en die wordt wel succesvol in een baan om de aarde gebracht. Het Utrechtse experiment verzamelt zes maanden lang gegevens van een groot aantal zonnevlammen. Later worden gasgevulde detectoren onder andere met succes toegepast in de ANS-missie.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: toepassingen voor het meten van kosmische straling{end-link}Gasgevulde detectoren worden ook gebruikt om metingen te doen aan kosmische straling. Die bestaat uit snelle, elektrisch geladen deeltjes zoals elektronen, protonen en heliumkernen. Ze zijn afkomstig van bronnen binnen en buiten het Melkwegstelsel. Langzamere deeltjes kunnen deel uitmaken van de zonnewind. Er worden metingen uitgevoerd via sondeerraketten en later met satellieten. Het allereerste Nederlandse satellietexperiment bestaat uit een in Leiden gebouwde detector om snelle elektronen te meten, afkomstig van de zon. Het verzamelt gegevens aan boord van de Amerikaanse OGO-5 satelliet, en wel van 1968 tot 1971. Aan boord van de ESRO-IV, gelanceerd op 21 november 1972, vliegt het Utrechtse experiment S99 mee. Het detecteert kosmische elektronen, protonen en heliumkernen. Het experiment S410 bevindt zich aan boord van de International Sun Earth Explorer – 3 (ISEE-3), gelanceerd op 12 augustus 1978. Het experiment blijkt zeer gevoelig en meet snelle wisselingen in de zonnewind. Zulke wisselingen hangen samen met explosieve verschijnselen op de zon.{end-tooltip}
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: toepassingen in röntgencamera’s{end-link}De detectoren van het COMIS-experiment aan boord van het ruimtestation MIR, en van de groothoekcamera’s (WFC’s) aan boord van de Italiaans-Nederlandse satelliet BeppoSax, bestaan uit veeldradenkamers. Bij het testen van het vluchtmodel (!) van de WFC’s blijkt dat de camera’s bijna ‘blind’ zijn vanwege veel te veel ruis. Dit is in het engineeringmodel niet eerder vastgesteld. Het vermoeden rijst dat de oorzaak moet worden gezocht in de draden van de detector. Bij inspectie blijkt inderdaad dat zich minieme snippers goud hebben afgezet op de draden, als bij-effect van de productiewijze. Na een uiterst precies schoonmaakklusje zou de detector perfect moeten werken. Dat lijkt bij de eerste test ook zo te zijn, maar even later treedt opnieuw veel ruis op, nu van een ander soort. Een zeer nauwkeurige vergelijking met het testmodel, waarin deze nieuwe ruis niet optreedt, brengt aan het licht dat er kleine verschillen bestaan tussen de beide intredevensters, gemaakt van enkele folies van het metaal beryllium. In het vluchtmodel was dit venster een beetje geoxideerd en het oxidelaagje verzamelde elektrische lading. Op gezette tijden vond door het laagje een ontlading plaats die ‘valse’ elektronenwolkjes veroorzaakte: de ruis.

Wel of niet repareren? Reparatie zou lang duren en de vertrekdatum van de missie in gevaar brengen. Bovendien verwacht men dat in de ruimte de te gebruiken elektrische spanning onder het niveau zal blijven waarbij doorslag optreedt van het oxidelaagje. Men besluit tot een softwareaanpassing, waarmee in het geval dat zich toch doorslag van het oxidelaagje voordoet, het apparaat zichzelf uitschakelt, zodat de lading uit het laagje kan lopen. De ‘gok’ pakt goed uit: het verschijnsel treedt niet meer op tijdens de missie.{end-tooltip}