Postbaccalaureate-forskaren Isabella Brewer är en medlem av teamet som skapar en nästa generations gammastrålningsdetektor som heter AstroPix. Medverkande:NASA/Theresa Johnson
NASA-astrofysiker och ingenjörer anpassar detektorer som används av jordbundna superkolliderare och skapar dem på samma sätt som elektronikföretag producerar alla moderna konsumentenheter, inklusive mobiltelefoner och bärbara datorer.
Den nya pixelbaserade kiseldetektortekniken skulle kunna användas på nästa generations gammastrålningsobservatorier för att upptäcka högenergiska fotoner som härrör från de mest kraftfulla händelserna i universum, inklusive kolliderande galaxer och svarta hål. De nya detektorerna skulle känna av dessa fotoner ungefär som en digitalkamera och använda mycket mindre ström än nuvarande rymdbaserade detektorer.
Underjordiska superkolliderare, som har experiment som använder samma detektorer av kiselpixeltyp, accelerera protoner och joner till nära ljusets hastighet i motsatta riktningar vid mycket höga energier. Deras kollisioner är designade för att återskapa de förhållanden som styrde universum efter Big Bang. Även om det är mycket effektivt, nuvarande kiselpixelteknologi kräver mycket kraft, vilket skulle vara en utmaning om det används i rymden där ström normalt kommer från solpaneler.
Gå in i AstroPix
"Utmaningen är att hitta det bästa sättet att minska mängden ström som pixeln behöver använda eftersom instrument på marken har tillgång till all kraft de vill ha, sa Regina Caputo, en astrofysiker vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, och en kollega med NASA:s Nancy Grace Roman Technology Fellowship-program. Hon är huvudutredaren av Goddards detektorutvecklingssatsning som heter AstroPix.
Caputo och hennes team, som inkluderar Goddard-astrofysikern Jeremy Perkins och forskaren efter studentexamen Isabella Brewer, initialt började sitt arbete med stöd från Goddards program för intern forskning och utveckling (IRAD). Teamet har sedan dess säkrat teknikutvecklingsstöd från NASA:s Astrophysics Research and Analysis (APRA)-program.
Liksom partikelfysikgemenskapen, Caputo experimenterar med en tillverkningsprocess som kallas komplementär metalloxidhalvledare, eller CMOS, som NASA:s Jet Propulsion Laboratory rankade för rymdfärdstillämpningar. Halvledarindustrin använder denna teknik för att tillverka moderna elektroniska enheter. "Denna process tillåter oss att inte bara samla energi från partiklar som kommer in i detektorn, men också för att förstärka deras signaler alla i samma detektormaterial. Detta gör dessa detektorer billigare och bullriga, sa Caputo.
Med APRA-utmärkelsen, Caputo och hennes team designar nya pixeldetektorer optimerade för potentiell användning i rymden. De har skickat sin första version av AstroPix till ett halvledargjuteri – samma anläggningar som tillverkar datachips – för tillverkning.
"Vi hoppas kunna få tillbaka AstroPix i sommar för testning, " sa hon. "Det här är framsteg."
En brödbräda av ett gammastråldetektorsystem som rektor Regina Caputo och hennes team satte ihop för att testa pixelbaserad silikondetektorteknologi. Själva detektorn, tillhandahålls av Argonne National Laboratory, är den rektangulära delen placerad på den vertikala brädan. Den slutliga designen kommer att vara skräddarsydd och enklare. Kredit:NASA/Theresa Johnson
Detektorfördelar
AstroPix fördel illustreras bäst genom att jämföra den med detektorer som flyger på Fermi Gamma-ray Space Telescope. Fermi använder också kiselbaserade detektorer, men dess sensorer består av silikonremsor som är sammansatta i lager. Dessa lager korsar varandra vinkelrätt för att skapa ett rutnät som pekar ut var högenergipartiklar skapas när en gammastråle träffar en detektor.
Med AstroPix, dock, partiklar skulle registreras när de kom i kontakt med en enda pixel istället för kiselremsskikt, ger detektorn möjlighet att skapa en karta över partiklarnas vägar med färre lager.
"Tidigare teknik för detektering av kiselremsor gick igenom en serie processer för att omvandla laddningar till digitala signaler, medan den nya pixelbaserade tekniken kan göra alla på en gång eftersom avläsningen är integrerad med varje pixel, sa Caputo. På det här sättet, pixeldetektorn skulle minska sitt effektbehov för att fungera bäst i rymden.
Teamet testar pixeldetektorn i astrofysiklabbet på Goddard med hjälp av radioaktiva källor, som kadmium, för det pixlade kislet att upptäcka. Testerna hjälper till att avgöra om energiupplösningen för pixeldetektorn är densamma eller bättre än kiselremsdetektorerna. "Dessa källor kan delvis reproducera de typer av strålning som finns i rymden, fast vid en mycket lägre dos, " sa Brewer.
Om bevisat, framtida uppdrag kan gynnas
AstroPiX-teamet måste bevisa effektiviteten hos dessa kiselpixeldetektorer innan tekniken kan införlivas i ett framtida gammastrålningsuppdrag, sa Perkins. Faktiskt, förutom förbättrad positionskänslighet, energiupplösning, och lägre strömförbrukning, pixeldetektortekniken skulle lätt vara det bästa valet för alla partikeldetekteringsuppdrag eftersom de är lätta att producera och billiga, speciellt jämfört med silikonremsdetektorer.
