År 2031, ESA lanserar sitt nya röntgenrymdteleskop Athena. SRON Netherlands Institute for Space Research spelar en stor roll i att bygga ett av sina två instrument, X-IFU-spektrometern, genom att producera kameran plus reservdetektorerna. SRON-forskare har nu framgångsrikt utvecklat detektorer som är optimerade för en avläsning baserad på ett speciellt system som kallas Frequency Domain Multiplexing. De satte ett nytt världsrekord i energiupplösning på 6 keV på 1,3 eV.

Från sin bana runt solen, 1,5 miljoner kilometer från jorden, Athena kommer att kartlägga heta gasstrukturer i universum och studera utvecklingen av supermassiva svarta hål. För det behöver den mäta deras spektra med oöverträffad upplösning. För att uppnå detta, den använder supraledande Transition-Edge Sensors (TES) som arbetar vid en temperatur på 50 millikelvin, som kan bestämma energin hos enskilda fotoner. När en foton träffar en sensor, den värms upp proportionellt mot fotonens energi. Detta minskar det supraledande tillståndet och kameran läser av en mindre ström än vanligt, återigen proportionellt.

Men att läsa ut en ström är inte så lätt som det låter. Att utveckla ett snabbt och pålitligt avläsningssystem är faktiskt en av de största utmaningarna för Athenas X-IFU-instrument. Den måste läsa ut 3000 pixlar samtidigt som man undviker temperaturhöjningar för instrumentet som är större än en tusendels grad. Konventionella avläsningssystem, baserad på så kallad Time Domain Multiplexing (TDM), har en förstärkare per pixel som måste slås på och av sekventiellt. För reservdetekteringskedjan, SRON utvecklar en avläsning baserad på Frequency Domain Multiplexing (FDM), där endast en förstärkare krävs per fyrtio bildpunkter. Teamet har nu framgångsrikt finjusterat TES-geometrin för att minimera oönskat beteende som går hand i hand med en FDM-avläsning och orsakas av en icke-linjär impedans över TES.

Detta är resultatet av en intensiv studie av detektorns fysik, ledd av Luciano Gottardi (SRON) i samarbete med kollegor från NASA-Goddard. De viktigaste bidragsgivarna är Kenichiro Nagayoshi, vem tillverkade de litografiska enheterna, Martin de Wit och Emanuele Taralli, vem justerade hårdvaran för varje testomgång och utförde testerna, och Marcel Ridder, som spelade en avgörande roll i renrummet för att få processen att flyta på. De får stöd av andra medlemmar i SRON-teamet, koordineras av Jian-Rong Gao.

Efter många testronder, teamet har förfinat detektordesignen och avläsningen mot en världsrekord spektral upplösning på 1,3 eV vid 6 keV. "Men ännu viktigare, vi har en god förståelse för fysiken bakom det, " säger Nagayoshi. "Det betyder att vi är övertygade om att vi kan uppnå en allt högre upplösning. Redan 2018 började vi på 3,5 eV och vi är nu på 1,3 eV. Vi har ingen anledning att tro att det stannar här."

Gottardi avslutar, "Vi befinner oss i en lycklig kombination av goda idéer, bra människor och bra faciliteter på SRON. Personerna i renrummet uppgraderar enheterna snabbt och vi kan snabbt testa dem och omedelbart ge feedback. Det är en slät slinga."