Researchers from various institutions, including SRON and Delft University of Technology, have demonstrated that it is possible to make a highly sensitive space camera for far-infrared astronomy by using a special type of superconducting detector. Using 961 KID detectors they built a chip for such a camera, which satisfies astronomers’ strict requirements for reliability and sensitivity. Furthermore, the camera system is also made resistant to certain equipment-threatening circumstances in space like cosmic radiation.

Dutch follows English

Astronomers worldwide are eagerly looking forward to a space telescope that has a sensitive far-infrared camera containing many pixels. About half of all the energy from the universe reaches us via this radiation (wavelengths of 0.03 to 1 millimeters, the Terahertz frequency range). Measuring this radiation allows us to make far more accurate observations of the very cool and distant parts of the universe. Such a space telescope is needed because the earth’s atmosphere hinders our infrared view of space.

The Kinetic Induction Detector (KID) is extremely sensitive for far infrared light. Furthermore, with KIDs it is relatively to simple mount and read out many pixels on a single chip. For several years now, KIDs have been used in ground telescopes with excellent results. However, the effective use of KIDs in a space telescope had not previously been demonstrated. The researchers had to overcome several extra challenges to make this possible.

The KID is so hypersensitive due to certain superconducting properties, which only occur at extremely low temperatures. The researchers therefore made a test environment in Utrecht with a temperature at almost absolute zero (100 mK) in which such camera system could be tested. Another challenge was the jump in sensitivity the camera had to make compared to its predecessors. The camera had to be a factor of 100 times more sensitive than similar cameras on Earth before the international community would be willing to build and launch a special space telescope for this. This means an array of about 1000 pixels.

Overcoming practical obstacles

The researchers of the ‘1000 pixel camera’ also had to overcome various practical obstacles. For example, the pixels can influence each other (crosstalk) if they are situated too close together in a single array. And all the signals have to be read out and amplified: using numerous wires to achieve this could give rise to unwanted heat in the vicinity of the detector. The researchers solved that problem using a technique that reads out almost 1000 pixels via a single pair of wires (multiplexing). The necessary electronics for this were developed during this project by SRON in collaboration with the company AimValley from Hilversum. The lens arrays required were produced in collaboration with Veldlaser from ‘s-Heerenberg.

Crucial measurements such as resilience against cosmic radiation, crosstalk, the precise readout accuracy of the separate pixels via multiplexing, and the percentage of pixels that performed well, yielded fantastic results. The KID array system is now mature enough to be used in a proposed far-infrared mission comparable with the Japanese-European SPICA telescope or the American Origins Space Telescope.

For this step to space-proof KID systems, SRON and Delft University of Technology collaborated in an international consortium of research groups (project SPACEKIDs) http://www.spacekids.eu/index.php/news. The development of the camera described by SRON researcher Jochem Baselmans and his fellow researchers was one of the most important results. They recently published the results in the renowned journal Astronomy & Astrophysics. https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2017/05/aa29653-16.pdf

Next step: raising the single pixel frequency and work towards arrays

The feasibility of using KIDs in a 1000-pixel camera has been demonstrated with KIDs for 0.9 THz. Researchers from SRON and Delft University of Technology are well on their way towards achieving the next step: developing a KID with an antenna for in an array above 1.0 THz, a wavelength range that contains a lot of astronomical information. Researcher Juan Bueno from SRON and his fellow researchers have now developed pixels for a KID array that can measure all frequencies between 1.4 and 2.8 Terahertz. This had not previously been demonstrated. Bueno and his colleagues published these results start of June in Applied Physics Letters: http://aip.scitation.org/doi/pdf/10.1063/1.4985060

Nieuw ruimtecamerasysteem met bijna 1000 pixels volwassen

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) http://www.spacekids.eu/index.php/news. 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. https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2017/05/aa29653-16.pdf

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: http://aip.scitation.org/doi/pdf/10.1063/1.4985060