Als je net zorgvuldig je telescoop hebt gericht op een zwak object aan de hemel, wil je niet dat je waardevolle signaal grotendeels verloren gaat op weg van de schotel naar de detector. Maar in het geval van ver-infraroodstraling is het niet gemakkelijk om een signaal efficiënt te transporteren. Sterker nog, het is nog een hele opgave om precies te meten hoeveel signaal er verloren gaat. Wetenschappers van SRON en TU Delft hebben nu een nieuwe, makkelijkere manier gevonden om het signaalverlies te bepalen. Ondertussen hebben ze ook een microstrip ontworpen voor het DESHIMA-2 instrument dat slechts 1 op 4.900 fotonen verliest. Publicatie in Physical Review Applied.
De aardatmosfeer blokkeert de meeste straling uit de ruimte, dus astronomen maken graag gebruik van satellieten voor een vrije blik op het heelal. Daar hangt echter een prijskaartje aan, omdat ruimte-instrumenten extreem betrouwbaar en zo klein mogelijk moeten zijn. Ver-infraroodstraling bevat een van de weinige golflengtes die wél door de atmosfeer geraken. Dus als je geïnteresseerd bent in objecten die ver-infraroodstraling uitzenden, zoals planeetstelsels of vroege sterrenstelsels, kun je net zo goed een grondtelescoop bouwen. Daarom hebben de ontwerpers van de Atacama Submillimeter Telescope Experiment (ASTE) hun telescoop gewoon op aarde, in Chili geplaatst. Onderzoekers van SRON en TU Delft hebben een ver-infrarood instrument voor ASTE ontwikkeld—DESHIMA—en zijn nu zijn opvolger aan het ontwikkelen samen met andere groepen uit Nederland en Japan: DESHIMA-2.
Omdat vroege sterrenstelsels zo ver weg staan en planetenstelsels zo zwak schijnen, moeten we zuinig zijn met het spaarzame licht dat onze telescopen bereikt, zelfs als ze metersbrede schotels hebben. Zodoende probeert het DESHIMA hardware-team, geleid door Jochem Baselmans (SRON/TU Delft), het signaalverlies te beperken. Het inkomende signaal stuitert honderden keren heen en weer voordat het de vereiste afstand heeft afgelegd naar de detector, waarbij het met elke stuit informatie verliest. Dus als je het verlies per stuit weet te beperken, gaat het totale verlies drastisch naar beneden.
Voor DESHIMA-2 heeft het team zich ten doel gesteld om maximaal 0,02% te verliezen per stuit. ‘Om vroege sterrenstelsels in meer detail te bestuderen hebben we een spectrale resolutie nodig van 500,’ zegt Baselmans. ‘In dat geval ben je nog steeds je halve signaal kwijt wanneer het de detector bereikt als je het verlies beperkt tot 0,2% per stuit. We moeten het verlies terugbrengen tot 1 op 5.000, dus 0,02%, om het grootste gedeelte van de opgevangen ruimtestraling te behouden.’
Het team is er bijna, met een zogenoemde microstrip die het signaal transporteert met een verlies van 1 op 4.900. Het moeilijkste gedeelte was misschien niet eens het bereiken van dat verliesniveau, maar het nauwkeurig meten van het daadwerkelijke verlies. Sebastian Hähnle, die deze meting verrichtte, beschrijft zijn nieuwe meetmethode in Physical Review Applied, waarmee hij instrumentmakers over de hele wereld voor het eerst in staat stelt om de eigenschappen te kennen van de microstrip waar ze aan werken. In de toekomst worden instrumenten steeds complexer, wat de nieuwe methode nog belangrijker maakt.
Om een microstrip te definiëren willen wetenschappers het zogenoemde interne verlies weten. Maar als je simpelweg het uitgaande signaal aftrekt van het inkomende signaal, krijg je een combinatie van het interne verlies en het koppelingsverlies, wat plaatsvindt als het signaal stuitert. Dus je moet hier een onderscheid tussen maken. Hähnle heeft nu een nieuwe, makkelijkere manier gevonden om dat te doen. ‘Met andere methoden moet je weten hoe groot het inkomende, gekalibreerde signaal is,’ zegt hij. ‘Dat vereist dure en complexe experimenten. Mijn methode heeft dat niet nodig.’ Hij ontwikkelde een chip met vier microstrips van verschillende lengtes. Hoe langer de microstrip, des te minder het signaal op en neer moet stuiteren om de vereiste afstand af te leggen, dus wordt het koppelingsverlies minder terwijl het interne verlies hetzelfde blijft. Als je nu het totale verlies van alle vier microstrips vergelijkt, kun je voor elk het interne verlies afleiden.
Publicatie
S. Hähnle, K. Kouwenhoven, B. Buijtendorp, A. Endo, K. Karatsu, D. J. Thoen, V. Murugesan and J. J. A. Baselmans, ‘Superconducting microstrip losses at microwave and submillimeter wavelengths’, Physical Review Applied
Header image: ASTE-telescoop in Chili, inclusief DESHIMA en later DESHIMA-2. Credit: Denys
New method to measure loss of signal in far-infrared instruments
After carefully observing dim objects in the night sky, you don’t want to waste any precious signal on its way from the telescope dish to the detector. But in the case of far-infrared astronomy, it’s not as easy as it sounds to transport the signal efficiently. In fact, it’s even an endeavor to measure the exact amount of signal that gets lost. Scientists from SRON and TU Delft have now found a new, easier way to determine the signal loss. In the process they designed a signal-carrying microstrip for the DESHIMA-2 instrument that loses only 1 in 4,900 photons. Publication in Physical Review Applied.
The earth’s atmosphere blocks out most radiation coming from space, so astronomers like to use satellites for an undisturbed view of the Universe. However this comes at a high price, because space instruments need to be extremely reliable and as small as possible. Far-infrared radiation consists of some of the few wavelengths that our atmosphere allows to pass through. So if you’re interested in objects emitting far-infrared, such as planetary systems or galaxies far, far away from a long time ago, you could also build a ground based telescope. This was exactly what scientists thought when they designed the Atacama Submillimeter Telescope Experiment (ASTE) in Chile. Researchers from SRON and TU Delft have invented a far-infrared instrument for ASTE, called DESHIMA, and are now developing its successor DESHIMA-2 together with collaborators in The Netherlands and Japan.
Because early galaxies are so far away and planetary systems are so dim, we have to be careful with the sparse light we collect with our telescopes, even if they carry dishes many meters wide. So the DESHIMA hardware team, led by Jochem Baselmans (SRON/TU Delft), tries to reduce the loss of signal. The incoming signal bounces back and forth hundreds of times before having travelled the required distance to the detector, amplifying the loss at each bounce. So if you reduce the loss at each bounce, the total loss goes down dramatically.
For DESHIMA-2, the team aims to reach a loss of only 0.02% per bounce. ‘To study early galaxies in more detail, we need a spectral resolution of 500,’ says Baselmans. ‘In that case even if you lose 0.2% per bounce, you have lost half the signal when it reaches the detector. We need to get the loss down to 1 in 5,000, so 0.02% to preserve most of the collected radiation from space.’
Currently the team is almost there, with a so-called microstrip that transports the signal at a loss of only 1 in 4,900. Perhaps the most difficult part wasn’t even reaching this level, but rather precisely measuring that the microstrip is actually at that level. Sebastian Hähnle, who led this effort, describes his new measurement method in Physical Review Applied, enabling instrument scientists worldwide for the first time to actually know the capabilities of the microstrip they are working on. In the future, instruments will only become more complex, making this new method even more necessary.
To define a microstrip, scientists want to know the so-called internal loss. But when you simply subtract the outgoing signal from the incoming signal in a laboratory, you get a combination of the internal loss and the coupling loss, which happens when the signal bounces. So you need to distinguish between them. Now Hähnle has found a new, easier way to do this. ‘With other methods you need to know how large the incoming calibrated signal is,’ he says. ‘That requires expensive and complex experiments. My method does not need that.’ He created a chip with four microstrips of varying lengths. The longer the microstrip, the less the signal needs to bounce to travel the required distance, so the coupling loss becomes less while the internal loss stays the same. Now if you compare the total loss of all four microstrips, you can deduce the internal loss of each of them.
Publication
S. Hähnle, K. Kouwenhoven, B. Buijtendorp, A. Endo, K. Karatsu, D. J. Thoen, V. Murugesan and J. J. A. Baselmans, ‘Superconducting microstrip losses at microwave and submillimeter wavelengths’, Physical Review Applied
Header image: ASTE telescope in Chile, including DESHIMA and in the future DESHIMA-2. Credit: Denys