SRON-wetenschappers hebben het signaal van 37 TES-pixels tegelijkertijd uitgelezen op een resolutie van 2,2 eV voor röntgenstraling (6 keV). Het is de eerste keer dat een simultane uitlezing voldoet aan de vereisten van toekomstige ruimtetelescopen op het niveau van Athena wat betreft zowel aantal pixels als energieresolutie. In 2020 zette SRON al een wereldrecord van 1,3 eV energieresolutie voor röntgenstraling met TES, maar alleen met de uitlezing van één pixel.

Transition Edge Sensors (TES) worden ontwikkeld voor ruimteonderzoek omdat ze de energie van losse fotonen veel beter kunnen bepalen dan conventionele spectrometers. Bijvoorbeeld om het spectrum te meten van verre clusters van sterrenstelsels. TES-detectoren werken bij temperaturen nabij het absolute nulpunt, wat ze supergeleidend maakt. Door ze te laten balanceren op de grens tussen supergeleiding en de normale geleidingstoestand, kunnen we ze gebruiken als gevoelige thermometers. De energie van een enkel foton is voldoende om het materiaal genoeg op te warmen om de balans richting normale toestand te tippen. Dit wordt uitgelezen als een verandering in de stroom die door de detectoren vloeit, proportioneel aan de energie van het inkomende foton.

Door het gelimiteerde elektrische en koelende vermogen in de ruimte, is het noodzakelijk voor ruimte-instrumenten om meerdere pixels via hetzelfde kanaal uit te lezen. Dit heet multiplexing. SRON ontwikkelt TES-technologie gebaseerd op een systeem dat pixels ook nog tegelijkertijd uitleest, genaamd Frequency Domain Multiplexing (FDM). Dit voorkomt oververhitting die optreedt wanneer elke pixel tegelijkertijd via zijn eigen bedrading zou worden uitgelezen. Een publicatie in Applied Physics Letters, met eerste auteur Hiroki Akamatsu, beschrijft nu het simultaan uitlezen van 37 pixels op een energieresolutie van 2,2 eV, aansluitend bij de eigenschappen van Athena’s X-IFU instrument. De technologie staat niet op de planning om te dienen als X-IFU’s uitleessysteem, maar kan worden gebruikt voor andere sterrenkundige projecten, zoals HUBS (zachte röntgenstraling; grote structuren in het heelal) en LiteBIRD (microgolven; kosmische achtergrondstraling), plus grondtelescopen.

Credit foto: ESA/Hubble

Publicatie

H. Akamatsu, D. Vaccaro, L. Gottardi, J. van der Kuur, C.P. de Vries, M. Kiviranta, K. Ravensberg, M. D’Andrea, E. Taralli, M. de Wit, M.P. Bruijn, P. van der Hulst, R. H. den Hartog, B-J. van Leeuwen, A.J. van der Linden, A.J McCalden, K. Nagayoshi, A.C.T. Nieuwenhuizen, M.L. Ridder, S. Visser, P. van Winden, J.R. Gao, R.W.M. Hoogeveen, B.D. Jackson, and J-W.A. den Herder, ‘Demonstration of MHz frequency domain multiplexing readout of 37 transition edge sensors for high-resolution X-ray imaging spectrometers’, Applied Physics Letters (Vol.119, Issue 18)

Simultaneous TES readout at level of Athena-like telescopes

SRON scientists have managed to simultaneously read out the signal of 37 TES pixels at a resolution of 2.2 eV for X-rays (6 keV). It is the first time that a simultaneous readout fulfills the requirements for future space telescopes at the level of Athena in terms of both number of pixels and energy resolution. In 2020, SRON already set a world record of 1.3 eV energy resolution for X-rays with TES, but only with a single pixel readout.

Transition Edge Sensors (TES) are developed for space research, because they are able to determine the energy of single photons much better than conventional spectrometers. For example to measure the spectrum of far-away clusters of galaxies. TES detectors operate at temperatures near absolute zero, making them superconducting. By keeping them balanced on the edge of superconductivity and the normal conduction state, they can be used as sensitive thermometers. The energy of a single photon is sufficient to heat up the material enough to tip the balance toward the normal state. This is read out as a change in the current flowing through the detectors, proportional to the energy of the incoming photon.

Because of limited electrical power and cooling power in space, it is necessary for space instruments to read out multiple pixels through the same channel, called multiplexing. SRON develops TES technology based on a system that reads out pixels also simultaneously, called Frequency Domain Multiplexing (FDM). This avoids overheating when each pixel would be read out at the same time through its own wire. A publication in Applied Physics Letters, with first author Hiroki Akamatsu, now describes the demonstration of 37 pixels being read out simultaneously at an energy resolution of 2.2 eV, matching the capability of Athena’s X-IFU instrument. The technology is not scheduled to serve as X-IFU’s readout, but can be used for other astronomical projects such as HUBS (soft X-ray, large scale structure mapper) and LiteBird (Cosmic Microwave Background, detecting primordial gravitational wave) as well as ground-based telescopes.

Publication

H. Akamatsu, D. Vaccaro, L. Gottardi, J. van der Kuur, C.P. de Vries, M. Kiviranta, K. Ravensberg, M. D’Andrea, E. Taralli, M. de Wit, M.P. Bruijn, P. van der Hulst, R. H. den Hartog, B-J. van Leeuwen, A.J. van der Linden, A.J McCalden, K. Nagayoshi, A.C.T. Nieuwenhuizen, M.L. Ridder, S. Visser, P. van Winden, J.R. Gao, R.W.M. Hoogeveen, B.D. Jackson, and J-W.A. den Herder, ‘Demonstration of MHz frequency domain multiplexing readout of 37 transition edge sensors for high-resolution X-ray imaging spectrometers’, Applied Physics Letters (Vol.119, Issue 18)