T - Rontgenspectrometrie - SRON Netherlands Institute for Space Research

Röntgenspectrometrie met calorimeters: Afbeeldingen en spectra via slimme detectoren

Uitdaging

Nadat de eerste röntgensatellieten hun werk hebben gedaan, blijkt hoe interessant de verschijnselen aan de röntgenhemel zijn. Je kunt er in het algemeen processen mee bestuderen waarbij hoge energieën een rol spelen. Zoals in heel heet gas, in explosies van sterren, of bijvoorbeeld in nauwe dubbelsystemen waarin een witte dwergster staat, een neutronenster of een zwart gat. En dan hebben we het nog niet over systemen waarin twee witte dwergen nauw om elkaar draaien, of twee neutronensterren of twee zwarte gaten. Met röntgenwaarnemingen kun je ook inzicht krijgen in de manier waarop materie en energie in een kringloop zijn vervat. Exploderende sterren verhitten omliggend gas tot tientallen miljoenen graden. Hoe mengt dit gas zich met al aanwezig gas? Daarvoor moet je kijken naar de snelheden van onderdelen van de hete gaswolk, naar de temperatuur en naar de samenstelling.

Voor al dit soort studies kunnen wetenschappelijke doelstellingen worden opgesteld, en die stellen weer eisen aan de instrumenten waarmee de gegevens worden verzameld. In het algemeen zijn afbeeldingen van de röntgenhemel nodig met een grote scherpte, een hoge gevoeligheid over een groot bereik, en met gedetailleerde spectrale informatie. Meer concreet worden aan deze afbeeldende spectrometrieeisen gesteld aan het spectrale vermogen om fijne details in spectraallijnen te kunnen zien. Immers, aan de hand daarvan zijn bijvoorbeeld de snelheid en samenstelling van de wolk(delen) te bepalen. Men drukt dit wel uit in de term E/?E, waarbij E de energie is van het röntgenfoton en ?E de spectrale verbreding door de fotometer. Een waarde van E/?E van ongeveer 1000 is noodzakelijk, zodat ?E in de orde van enkele elektronvolt ligt. Maar een hogere spectrale resolutie zou welkom zijn. Hoe maak je nu detectoren die deze specificaties halen?

Doorbraak

Er zijn twee technische oplossingsrichtingen. De eerste bedient zich van CCD-techniek en de tweede van diepgekoelde microwarmte(calori)meters. CCD betekent Charged Coupled Device. Een CCD bestaat uit een chip met lichtgevoelige elementen (de ‘beeldpunten’ of ‘pixels’). Fotonen die de pixels raken, zorgen voor een opbouw van elektrische lading. De ladingen in de pixels worden periodiek uitgelezen, waarna de ‘ontladen’ pixels de volgende fotonen kunnen meten. Moderne digitale camera’s maken gebruik van de CCD-techniek.

CCD’s die gevoelig zijn voor röntgenstraling kunnen worden gebruikt om integraal over het hele beeldveld spectrale informatie te verzamelen. Ze hebben een detectierendement van bijna 100% en zijn dus erg geschikt voor het meten van zwakke signalen. Bij een energie van 6000 elektronvolt halen ze een ?E van ongeveer 150 elektronvolt. Dat wil zeggen dat bij fotonen met een energie van 6000 elektronvolt onderlinge energieverschillen van slechts 150 elektronvolt kunnen worden gemeten.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: CCD-techniek{end-link}De energie van een foton bepaalt uiteindelijk de sterkte van het signaal dat door een pixel aan de achterliggende elektronica wordt doorgegeven. De CCD-techniek wordt onder andere toegepast bij NASA’s Chandra-satelliet en ESA’s XMM-Newtonsatelliet. Overigens is het lastig om met deze techniek een nog betere spectrale gevoeligheid te behalen. De beperkingen liggen in de natuurkundige eigenschappen van de in de CCD toegepaste halfgeleidermaterialen. Een andere techniek, de microcalorimeter, biedt meer perspectief.{end-tooltip}

Een microcalorimeter werkt op een heel andere manier. Het geabsorbeerde foton veroorzaakt met zijn energie een minieme temperatuurstijging van de kop (0,3 bij 0,3 millimeter) van de meter, en doet dat in een fractie (een miljoenste) van een seconde. Als je die temperatuurstijging kunt meten en je kent de eigenschappen van de absorberende kop, dan kun je de energie van het foton berekenen. Op een slimme elektronische manier wordt de temperatuur van de kop vergeleken met die van een (koude) referentiebron. Wil je snelle wisselingen in de stralingsbron kunnen meten, dan moet na elke fotoninslag en de daaropvolgende meting het beeldelement weer snel in de oorspronkelijke toestand worden teruggebracht. Het luistert allemaal erg nauw en daarom werkt dit principe alleen goed bij zeer lage temperaturen, in de orde van 0,1 Kelvin.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: microcalorimeters{end-link}Net als bij infraroodsatellieten moeten deze detectoren dus in een diepgekoelde thermosfles hun werk doen. Om een idee van de getallen te geven: een röntgenfoton met een energie van 6000 elektronvolt veroorzaakt een temperatuurstijging in een microcalorimeter met een absorberende laag van goud, van 0,0003 Kelvin. Voor het meten van energieverschillen van maar 6 elektronvolt, moeten dus temperatuursverschillen kunnen worden gemeten van 0,0003 milli Kelvin, of 0,3 miljoenste van een graad. Als dat lukt, kan de microcalorimeter inderdaad veel fijnere details in het spectrum zien dan de CCD. Om dit voor elkaar te krijgen, wordt gebruik gemaakt van supergeleiding die bij een temperatuur van 0,1 K zijn omslagpunt heeft en overgaat van normaal naar supergeleidend en omgekeerd. In de toestand van normale geleiding is de weerstand in een microcalorimeter bijvoorbeeld 0,2 Ohm. Bij supergeleiding is dat 0 Ohm. De omslag vindt plaats over een bereik van maar een paar milli Kelvin, en dit weerstandseffect is goed te meten, ook al gaat het om spanningsverschillen van een miljoenste volt en elektrische stroompjes van enkele miljoensten ampère. Met de koeling van de referentiebron is na een meting de oorspronkelijke toestand in de microcalorimeter binnen 0,1 milliseconde hersteld.{end-tooltip}

SRON is een van de leidende instituten waar aan deze techniek wordt gewerkt. Het is al eens gelukt om een E/?E te halen van ongeveer 2400. Je ziet dan bij röntgenfotonen onderlinge energieverschillen van maar een paar elektronvolt. Deze techniek heeft dus wat dat betreft meer potentieel dan de CCD-techniek. Maar toepassing in satellieten is verre van eenvoudig. De detectorrijen moeten met alle elektronica worden gemonteerd in een diepgekoelde ruimte die bovendien allerlei magnetische effecten moet afschermen. Dat moet allemaal stabiel zijn, zowel tijdens de schokken van de lancering als het jarenlange gebruik in de ruimte.

SRON is betrokken bij een ontwerp voor toepassing in een toekomstige röntgenmissie van ESA. De benodigde koeling wordt stap voor stap bereikt met mechanische en cryogene (vloeibaar helium) techniek. Als laatste stap wordt ook adiabatische koeling toegepast. Dat is het effect dat een expanderend gaswolkje afkoelt omdat het snel uitzet. De beoogde detectortemperatuur is uiteindelijk 0,05 Kelvin. De gehele unit wordt zo’n 400 kilogram zwaar en verbruikt een kilowatt aan vermogen. Om dat te kunnen accommoderen … heb je een grote satelliet nodig.

Inzet

De CCD-detector techniek is toegepast in NASA’s Chandra-satelliet en ESA’s XMM-Newton-satelliet. De diepgekoelde microcalorimetertechniek bestaat inmiddels in het laboratorium. ESA studeert op het toepassen ervan in een toekomstige ruimtemissie. Mogelijk krijgt de röntgentelescoop een ruimtelijk scheidend vermogen van 5 boogseconden bij een brandpuntsafstand van 25 meter. De lancering zal vermoedelijk pas na 2025 plaatsvinden.