(English follows Dutch)

In 2031 lanceert ESA haar nieuwe röntgentelescoop Athena. SRON speelt een grote rol in het bouwen van één van de twee instrumenten, de X-IFU spectrometer, door de camera te ontwikkelen plus de back-up detectoren. SRON-wetenschappers zijn er nu in geslaagd om detectoren te ontwikkelen voor een uitleessysteem gebaseerd op Frequency Domain Multiplexing. Ze hebben in het energiespectrum rond 6 keV een nieuw wereldrecord neergezet met een resolutie van 1,3 eV.

Vanuit zijn baan rond de Zon, op anderhalf miljoen kilometer achter de Aarde, gaat Athena de hete gasstructuren in het heelal in kaart brengen en de evolutie van superzware zwarte gaten bestuderen. Daarvoor moet hij energiespectra opmeten met ongekende resolutie. De telescoop gebruikt supergeleidende Transition-Edge Sensors (TES) die werken bij een temperatuur van 50 mK—vijftig duizendste graad boven het absolute nulpunt—om de energie van individuele fotonen te bepalen. Wanneer een foton een sensor raakt, warmt die een klein beetje op, evenredig met de energie van het foton. Dit vermindert de supergeleidende toestand en de camera leest een kleinere stroom uit dan normaal, wat de benodigde informatie oplevert.

Maar het uitlezen van een stroom is niet zo makkelijk als het klinkt. Een snel en betrouwbaar uitleessysteem ontwikkelen is zelfs een van de grootste uitdagingen voor Athena’s X-IFU instrument. Het moet drieduizend pixels uitlezen en daarbij voorkomen dat het instrument opwarmt—meer dan een duizendste graag is al onacceptabel. Conventionele uitleessystemen, gebaseerd op het zogenoemde Time Domain Multiplexing (TDM), hebben één versterker per pixel, die na elkaar aan en uit schakelen. Voor de back-up detectieketen ontwikkelt SRON een uitleessysteem gebaseerd op Frequency Domain Multiplexing (FDM), waarbij slechts één versterker per veertig pixels nodig is. Het team is er nu in geslaagd om de geometrie van de TES zo af te stellen dat ongewenst gedrag inherent aan FDM minimaal blijft.

De doorbraak is het resultaat van intensief onderzoek naar de fysica achter de detector, geleid door Luciano Gottardi (SRON) in samenwerking met collega’s van NASA-Goddard. Sleutelrollen zijn weggelegd voor Kenichiro Nagayoshi, die de lithografische apparaten fabriceerde, Martin de Wit en Emanuele Taralli, die de hardware aanpasten voor elke testronde en de tests uitvoerden, en Marcel Ridder, die een cruciale rol speelde in de cleanroom. Ze worden ondersteund door de rest van het SRON-team, gecoördineerd door Jian-Rong Gao.

Na vele testrondes heeft het team het detectorontwerp en de uitlezing zo verfijnd dat het een wereldrecord haalde met een energieresolutie van 1,3 eV bij 6 keV. ‘Maar belangrijker nog: we hebben een goed begrip van de fysica erachter,’ zegt Nagayoshi. ‘Daardoor hebben we er alle vertrouwen in dat we een nóg hogere resolutie kunnen halen. In 2018 begonnen we met 3,5 eV en nu zitten we al op 1,3 eV. We hebben geen reden om aan te nemen dat het hier stopt.’

Gottardi: ‘We hebben een prettige combinatie gecreëerd van goede ideeën, goede mensen en goede faciliteiten bij SRON. De mensen in de cleanroom upgraden de apparaten snel en wij testen ze snel en geven meteen feedback. Het is een smooth loop.’

Technology ready for back-up detector X-IFU in Athena space telescope

In 2031, ESA launches its new X-ray space telescope Athena. SRON plays a large role in building one of its two instruments, the X-IFU spectrometer, by producing the camera plus the back-up detectors. SRON scientists have now successfully developed detectors that are optimized for a readout based on a special system called Frequency Domain Multiplexing. They set a new world-record energy resolution at 6 keV of 1.3 eV.

From its orbit around the Sun, 1.5 million kilometers behind Earth, Athena will map hot gas structures in the Universe and study the evolution of supermassive black holes. For that it needs to measure their spectra with unprecedented resolution. To achieve this, it uses superconducting Transition-Edge Sensors (TES) operating at a temperature of 50 millikelvin, which can determine the energy of individual photons. When a photon hits a sensor, it heats up proportional to the photon’s energy. This reduces the superconducting state and the camera reads out a smaller current than usual, again proportionally.

But reading out a current isn’t as easy as it sounds. Developing a quick and dependable readout system is actually one of the biggest challenges for Athena’s X-IFU instrument. It needs to read out 3000 pixels while avoiding any temperature rises for the instrument larger than a thousandth of a degree. Conventional readout systems, based on so-called Time Domain Multiplexing (TDM), have one amplifier per pixel which have to switch on and off sequentially. For the back-up detection chain, SRON is developing a readout based on Frequency Domain Multiplexing (FDM), where only one amplifier is required per forty pixels. The team has now successfully tweaked the TES geometry to minimize unwanted behavior that goes hand-in-hand with an FDM read-out and is caused by a non-linear impedance across the TES.

This is the result of an intensive study of the detector physics, led by Luciano Gottardi (SRON) in collaboration with colleagues from NASA-Goddard. The key contributors are Kenichiro Nagayoshi, who fabricated the lithographic devices, Martin de Wit and Emanuele Taralli, who tweaked the hardware for each test round and performed the tests, and Marcel Ridder, who played a crucial role in the cleanroom to get the process flowing. They are supported by other members of the SRON team, coordinated by Jian-Rong Gao.

After many test rounds, the team has refined the detector design and the readout towards a world-record spectral resolution of 1.3 eV at 6 keV. ‘But more importantly, we have a good understanding of the physics behind it,’ says Nagayoshi. ‘That means we are confident we can achieve an ever higher resolution. Back in 2018 we started at 3.5 eV and we are now at 1.3 eV. We have no reason to believe that it stops here.’

Gottardi: ‘We find ourselves in a happy combination of good ideas, good people and good facilities at SRON. The people in the cleanroom upgrade the devices quickly and we can quickly test them and immediately give feedback. It’s a smooth loop.’