Astrofysici en ingenieurs van NASA passen detectoren aan die worden gebruikt door aardgebonden supercolliders en creëren ze op dezelfde manier als elektronicabedrijven alle moderne consumentenapparaten produceren. inclusief mobiele telefoons en laptops.

De nieuwe op pixels gebaseerde siliciumdetectortechnologie zou kunnen worden gebruikt in gammastralingsobservatoria van de volgende generatie om zeer energetische fotonen te detecteren die afkomstig zijn van de krachtigste gebeurtenissen in het universum, waaronder botsende sterrenstelsels en zwarte gaten. De nieuwe detectoren zouden deze fotonen net als een digitale camera waarnemen en veel minder stroom verbruiken dan de huidige ruimtedetectoren.

Ondergrondse superbotsers, die experimenten hebben met dezelfde detectoren van het siliciumpixeltype, versnellen protonen en ionen tot bijna de lichtsnelheid in tegengestelde richtingen bij zeer hoge energieën. Hun botsingen zijn ontworpen om de omstandigheden na te bootsen die het universum regeerden na de oerknal. Hoewel zeer efficiënt, de huidige siliciumpixeltechnologie vereist veel stroom, wat een uitdaging zou zijn als het zou worden gebruikt in de ruimte waar de stroom normaal gesproken afkomstig is van zonnepanelen.

Voer AstroPix in

"De uitdaging is om de beste manier te vinden om de hoeveelheid stroom die de pixel nodig heeft te verminderen, aangezien instrumenten op de grond toegang hebben tot alle stroom die ze willen, " zei Regina Caputo, een astrofysicus bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, en een fellow bij NASA's Nancy Grace Roman Technology Fellowship-programma. Ze is de hoofdonderzoeker van Goddards onderzoek naar de ontwikkeling van detectoren, AstroPix genaamd.

Caputo en haar team, waaronder Goddard-astrofysicus Jeremy Perkins en postbaccalaureaatonderzoeker Isabella Brewer, aanvankelijk begonnen hun werk met steun van Goddard's Internal Research and Development (IRAD) programma. Het team heeft sindsdien ondersteuning gekregen voor technologie-ontwikkeling van NASA's Astrophysics Research and Analysis (APRA) -programma.

Net als de deeltjesfysica-gemeenschap, Caputo experimenteert met een productieproces genaamd complementaire metaaloxide halfgeleider, of CMOS, die het Jet Propulsion Laboratory van NASA heeft verfijnd voor ruimtevaarttoepassingen. De halfgeleiderindustrie gebruikt deze techniek om moderne elektronische apparaten te maken. "Dit proces stelt ons in staat om niet alleen energie te verzamelen van deeltjes die de detector binnenkomen, maar ook om hun signalen allemaal in hetzelfde detectormateriaal te versterken. Dit maakt deze detectoren minder duur en lawaaierig, ' zei Caputo.

Met de APRA-award, Caputo en haar team ontwerpen nieuwe pixeldetectoren die zijn geoptimaliseerd voor mogelijk gebruik in de ruimte. Ze hebben hun eerste versie van AstroPix naar een halfgeleidergieterij gestuurd - dezelfde faciliteiten die computerchips maken - voor fabricage.

"We hopen AstroPix deze zomer terug te krijgen om te testen, "zei ze. "Dit is vooruitgang."

Detector voordelen:

Het voordeel van AstroPix wordt het best geïllustreerd door het te vergelijken met detectoren die op de Fermi Gamma-ray Space Telescope vliegen. Fermi gebruikt ook op silicium gebaseerde detectoren, maar de sensoren bestaan ​​uit siliconenstrips die in lagen zijn geassembleerd. Deze lagen kruisen elkaar loodrecht om een ​​raster te creëren dat de locaties aangeeft van hoogenergetische deeltjes die worden gecreëerd wanneer een gammastraal een detector raakt.

Met AstroPix, echter, deeltjes zouden worden geregistreerd zodra ze in contact komen met een enkele pixel in plaats van siliciumstriplagen, waardoor de detector de mogelijkheid heeft om een ​​kaart te maken van de paden van de deeltjes met minder lagen.

"Eerdere technologie voor het detecteren van siliciumstrips doorliep een reeks processen om ladingen om te zetten in digitale signalen, terwijl de nieuwe op pixels gebaseerde technologie ze allemaal tegelijk kan doen, omdat de uitlezing in elke pixel is geïntegreerd, zei Caputo. Op deze manier, de pixeldetector zou zijn stroombehoefte verminderen om het beste in de ruimte te functioneren.

Het team test de pixeldetector in het astrofysicalab in Goddard met behulp van radioactieve bronnen, zoals cadmium, om het gepixelde silicium te detecteren. De tests helpen bepalen of de energieresolutie van de pixeldetector hetzelfde of beter is dan die van de siliciumstripdetectoren. "Deze bronnen kunnen de soorten straling die in de ruimte worden aangetroffen gedeeltelijk reproduceren, hoewel in een veel lagere dosis, ' zei Brouwer.

Indien bewezen, toekomstige missies kunnen hiervan profiteren

Het AstroPiX-team moet de effectiviteit van deze siliciumpixeldetectoren bewijzen voordat de technologie kan worden opgenomen in een toekomstige gammastralingsmissie. zei Perkins. In feite, naast een verbeterde positiegevoeligheid, energie resolutie, en een lager stroomverbruik, de pixeldetectortechnologie zou gemakkelijk de beste keuze zijn voor elke missie om deeltjes te detecteren, omdat ze gemakkelijk te produceren en goedkoop zijn, vooral vergeleken met siliconenstripdetectoren.