SRON heeft in de loop der jaren steeds gevoeligere Transition Edge Sensors (TES) ontwikkeld voor ruimtemissies als SPICA en Athena. Een van die TES-detectorarrays, ontwikkeld als back-up röntgen-microcalorimeters voor Athena, heeft nu een cruciale rol gespeeld bij de demonstratie van een nieuwe uitleestechniek van het National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) in Japan. Deze techniek heet low-noise microwave SQUIDs multiplexed readout. De onderzoeksresultaten worden gepubliceerd in Applied Physics Letters.
Het X-IFU-instrument van de Athena-missie bevat ongeveer 3000 pixels aan röntgen-TES-detectoren, die worden uitgelezen met behulp van Time Domain Multiplexing, of als back-up Frequency Domain Multiplexing. Beide uitleestechnieken maken gebruik van conventionele SQUID-versterkers. Toekomstige ruimtemissies mikken op meer dan tienduizend TES-detectorpixels, wat de mogelijkheden van bestaande uitleestechnieken te boven gaat. De nieuwe microgolf-SQUID uitleestechniek is een veelbelovende kandidaat om veel grotere arrays uit te lezen dan waar conventionele SQUIDs toe in staat zijn. SQUID staat voor Superconducting Quantum Interference Device.
Het AIST-team, met onder meer Dr. Nakashima, heeft in samenwerking met JAXA en de Tokyo Metropolitan University een mijlpaal bereikt door de nieuwe uitleestechniek te demonstreren op een TES-röntgenarray van SRON. Ze lazen 38 microcalorimeters tegelijkertijd uit de array—wat multiplexing heet—en maten een spectrale resolutie van 2,79 tot 4,56 eV bij 5,9 keV met behulp van een IJzer-55-bron.
Een belangrijk kenmerk van uitleestechnieken is de multiplexfactor: het totale aantal pixels dat wordt gelezen door één ruisarme versterker. Als je een microgolffrequentiekam gebruikt op een array van detectorpixels, krijg je een hoge multiplexfactor als de pixels zijn gekoppeld aan een gemeenschappelijke transmissielijn waar de verzonden signalen worden uitgelezen met een ruisarme High Electron Mobility Transistor (HEMT) versterker. Een HEMT-versterker kan een grote bandbreedte hebben van vier gigahertz of meer, dus de multiplexfactor zal aanzienlijk hoger zijn dan bij bestaande TES-uitleestechnieken.
SRON heeft onlangs financiering ontvangen vanuit het EU-programma AHEAD II voor deze nieuwe microgolfuitleestechniek. SRON zal nauw samenwerken met het nationale metrologische instituut van Duitsland (PTB), terwijl de AIST partner blijft.
Bijschrift headerfoto: De kern van het microgolf-SQUID apparaat dat is ontwikkeld op het AIST-instituut in Japan, met SRON’s TES-array in het midden.
Publicatie
Y. Nakashima , F. Hirayama , S. Kohjiro , H. Yamamori , S. Nagasawa , A. Sato , S. Yamada, , R. Hayakawa , N. Y. Yamasaki , K. Mitsuda , K. Nagayoshi , H. Akamatsu , L. Gottardi , E. Taralli , M. P. Bruijn , M. L. Ridder , J. R. Gao, and J. W. A. den Herder, “Low-noise microwave SQUID multiplexed readout of 38 X-ray transition-edge sensor microcalorimeters”, published online (09-22-2020,) in Applied Physics Letters (Vol.117, Issue 12).
SRON detector array demonstrates novel microwave readout
Over the years, SRON has developed increasingly sensitive Transition Edge Sensors (TES) for space missions such as SPICA and Athena. One of those TES detector arrays, developed as backup X-ray microcalorimeters for Athena, has now played a vital role to demonstrate a new readout technology developed at the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) in Japan. This technology is called low-noise microwave SQUIDs multiplexed readout. The research results are published in Applied Physics Letters.
The X-IFU instrument of the Athena mission contains about 3000 pixels of X-ray TES detectors, to be read out using Time Domain Multiplexing or Frequency Domain Multiplexing as a back-up. Both readout technologies employ conventional, dissipative SQUID amplifiers. Future space missions aim at more than ten thousand TES detector pixels, a number that seems to be beyond the capability of existing readout technologies. The new microwave SQUIDs readout is a promising candidate to read out far larger arrays than what conventional SQUIDs are capable of. SQUIDs are superconducting quantum interference devices.
Dr. Y. Nakashima and his AIST team members, in collaboration with JAXA and the Tokyo Metropolitan University, have reached a milestone to demonstrate the new readout technology using an X-ray TES array from SRON. They read 38 microcalorimeters from the array simultaneously, which is called multiplexing, and measured a spectral resolution ranging from 2.79 to 4.56 eV at 5.9 keV using an Iron-55 source.
An important feature of detector readout technologies is the multiplexing factor: the total number of pixels read by one low-noise amplifier. Applying a microwave frequency comb to an array of detector pixels allows for a high multiplexing factor if the pixels are coupled to a common transmission line where the transmitted signals are read out with one low noise High Electron Mobility Transistor (HEMT) amplifier. An HEMT amplifier can have a large bandwidth of four gigahertz or more, so the multiplexing factor will be considerably higher than in existing TES readout technologies.
SRON has recently received funding from the EU program AHEAD II to start this new microwave readout technology. SRON will work in a close collaboration with the National Metrology Institute of Germany (PTB), while the AIST remains as a partner.
Header image caption: Core of the microwave SQUIDs readout setup developed at AIST in Japan, with the SRON TES array in the center.
Publication
Y. Nakashima , F. Hirayama , S. Kohjiro , H. Yamamori , S. Nagasawa , A. Sato , S. Yamada, , R. Hayakawa , N. Y. Yamasaki , K. Mitsuda , K. Nagayoshi , H. Akamatsu , L. Gottardi , E. Taralli , M. P. Bruijn , M. L. Ridder , J. R. Gao, and J. W. A. den Herder, “Low-noise microwave SQUID multiplexed readout of 38 X-ray transition-edge sensor microcalorimeters”, published online (09-22-2020,) in Applied Physics Letters (Vol.117, Issue 12).