in 2031, ESA lanceert zijn nieuwe röntgenruimtetelescoop Athena. SRON Netherlands Institute for Space Research speelt een grote rol bij het bouwen van een van haar twee instrumenten, de X-IFU-spectrometer, door de camera plus de back-up detectoren te produceren. SRON-wetenschappers hebben nu met succes detectoren ontwikkeld die zijn geoptimaliseerd voor een uitlezing op basis van een speciaal systeem genaamd Frequency Domain Multiplexing. Ze vestigden een nieuw wereldrecord energieresolutie op 6 keV van 1,3 eV.

Vanuit zijn baan om de zon, 1,5 miljoen kilometer van de aarde, Athena gaat hete gasstructuren in het heelal in kaart brengen en de evolutie van superzware zwarte gaten bestuderen. Daarvoor moet het hun spectra met een ongekende resolutie meten. Om dit te behalen, het maakt gebruik van supergeleidende Transition-Edge Sensors (TES) die werken bij een temperatuur van 50 millikelvin, die de energie van individuele fotonen kan bepalen. Als een foton een sensor raakt, het warmt evenredig op met de energie van het foton. Dit vermindert de supergeleidende toestand en de camera leest een kleinere stroom uit dan normaal, weer proportioneel.

Maar het uitlezen van een stroom is niet zo eenvoudig als het klinkt. Het ontwikkelen van een snel en betrouwbaar uitleessysteem is eigenlijk een van de grootste uitdagingen voor Athena's X-IFU-instrument. Het moet 3000 pixels uitlezen, terwijl temperatuurstijgingen voor het instrument groter dan een duizendste van een graad worden vermeden. Conventionele uitleessystemen, op basis van zogenaamde Time Domain Multiplexing (TDM), hebben één versterker per pixel die achtereenvolgens moet in- en uitschakelen. Voor de back-up detectieketen, SRON ontwikkelt een uitlezing op basis van Frequency Domain Multiplexing (FDM), waar slechts één versterker per veertig pixels nodig is. Het team heeft nu met succes de TES-geometrie aangepast om ongewenst gedrag te minimaliseren dat hand in hand gaat met een FDM-uitlezing en wordt veroorzaakt door een niet-lineaire impedantie over de TES.

Dit is het resultaat van een intensieve studie van de detectorfysica, onder leiding van Luciano Gottardi (SRON) in samenwerking met collega's van NASA-Goddard. De belangrijkste bijdragers zijn Kenichiro Nagayoshi, die de lithografische apparaten fabriceerde, Martin de Wit en Emanuele Taralli, die de hardware voor elke testronde heeft aangepast en de tests heeft uitgevoerd, en Marcel Ridder, die een cruciale rol speelden in de cleanroom om het proces op gang te krijgen. Zij worden ondersteund door andere leden van het SRON-team, gecoördineerd door Jian-Rong Gao.

Na vele testrondes, het team heeft het detectorontwerp en de uitlezing verfijnd tot een wereldrecord spectrale resolutie van 1,3 eV bij 6 keV. "Maar belangrijker, we hebben een goed begrip van de fysica erachter, ", zegt Nagayoshi. "Dat betekent dat we er zeker van zijn dat we een steeds hogere resolutie kunnen bereiken. In 2018 begonnen we bij 3,5 eV en zitten we nu op 1,3 eV. We hebben geen reden om aan te nemen dat het hier stopt."

Gottardi concludeert, "We bevinden ons in een gelukkige combinatie van goede ideeën, goede mensen en goede faciliteiten bij SRON. De mensen in de cleanroom upgraden de apparaten snel en we kunnen ze snel testen en direct feedback geven. Het is een soepele lus."