Nieuw ontwerp röntgenpixels kan concurreren met klassieke vierkante vorm

(English follows Dutch)

SRON-onderzoekers hebben vijf nieuwe soorten pixels ontworpen voor röntgentelescopen. Daarmee halen ze nu voor het eerst dezelfde energieresolutie als conventionele vierkante pixels. Het team heeft voor elk ontwerp de voor- en nadelen bepaald, afhankelijk van het doel van een ruimtemissie. Publicatie in Journal of Applied Physics.

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

Multiplexing

In het geval van Athena moeten vierduizend TES-pixels tegelijkertijd werken. Maar als je elke pixel zijn eigen uitleesversterker geeft heb je veel stroom nodig. En in de ruimte is eigenlijk alles schaars, dus 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.

Tweeduizend kleuren van de regenboog

Historisch gezien heeft TDM altijd de beste energieresolutie gehad. Maar het SRON-team, waaronder Martin de Wit en Luciano Gottardi, 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 5,9 keV röntgenfoton met een precisie van 1,6 eV. Dat is alsof je een regenboog ziet in meer dan tweeduizend kleuren.

Pixel design

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 uitvogelen 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 bepaald welke objecten bestudeerd kunnen worden. De bevindingen van het SRON-team kan een belangrijke rol spelen in het ontwerp van toekomstige ruimte-instrumenten.

Publicatie

M. de Wit, L. Gottardi, E. Taralli, K. Nagayoshi, M. L. Ridder, H. Akamatsu, M. P. Bruijn, M. D’Andrea, J. van der Kuur, K. Ravensberg, D. Vaccaro, S. Visser, J. R. Gao, and J.-W. A. den Herder, ‘High aspect ratio transition edge sensors for x-ray spectrometry’, Journal of Applied Physics

Bijschrift foto: Optische microscoopfoto van een van de lange dunne TES-pixels. Het gele gebied is de TES zelf. De rode lijnen zijn de niobium-leads. De blauwe vierkantjes omringen het siliciumnitride membraan waarop de TES is gegroeid.

New X-ray pixel designs rival conventional square shape

SRON scientists have developed five new pixel designs for X-ray telescopes. They have now for the first time reached the same energy resolution as conventional square pixels. The team determined for each design its pros and cons, depending on the goal of an X-ray space mission. Publication in Journal of Applied Physics.

ESA’s upcoming space telescope Athena will study the X-ray emission from galaxies with unprecedented energy resolution—the ability to distinguish different colors. Its X-ray cameras use for their pixels Transition Edge Sensors (TESs), which measure the energy of individual photons by balancing on the verge of being superconducting. When a TES absorbs a photon, this causes a small change in temperature leading to a dramatic reduction of the superconducting state and therefore a large increase in the resistance of the TES, proportional to the energy of the measured photon.

Multiplexing

For Athena, nearly 4000 TES pixels have to be operated at the same time. But giving each pixel its own readout amplifier requires a lot of power, which is scarce in space. Therefore Athena uses a technique called multiplexing—many pixels are combined in a single readout chain with a single amplifier. Time Domain Multiplexing (TDM) is the conventional way, where each pixel in a chain is switched on, read out using a direct current (DC), and switched off very quickly before it’s the next pixel’s turn. SRON scientists are experts in an alternative way, Frequency Domain Multiplexing (FDM), where all pixels are read out simultaneously by using alternating currents (AC) at different frequencies. Both ways have weak and strong points, and both require well-designed pixels to work properly.

2000-colored rainbow

Historically, DC TDM has achieved the best energy resolution. But the SRON team, including Martin de Wit and Luciano Gottardi, has now optimized FDM by abandoning the traditional square shape and opting for long narrow pixels with high resistance. They have now for the first time reached the same energy resolution using an AC readout as the DC based TDM, measuring the energy of a 5.9 keV X-ray with an accuracy of 1.6 eV. This is the equivalent of looking at a rainbow and seeing more than 2,000 distinct colors.

Pixel designs

Perhaps even more important is the understanding gained about how the design impacts the properties of the pixels. By comparing 5 different pixel designs, the SRON scientists were able to figure out how changes in the pixel’s width and length influence their critical temperature and thermal conductance. For future space missions a full control of these two properties is vital, since together they determine which type of radiation the pixels are optimized for, and how fast the pixels are, determining what objects can be studied. For bright sources, you want fast pixels, but for faint objects, slow pixels are better. The findings of the SRON team can play an important role in the design of future instruments.

Publication

Image caption: Optical microscope picture of some of the long narrow TESs, without absorber so it is visible. The central yellow area is the TES itself, with two ears where the absorber is connected. The reddish lines are the niobium leads that cause the weak link effect that the researchers try to solve using the high resistance values. The blueish squares show the outline of the silicon nitride membrane on which the TES is grown to decouple it from the thermal bath.