First results for second generation SiSeRO CCD devices
Diese Arbeit präsentiert erste Ergebnisse für Single-Electron-Sensitive Read-Out (SiSeRO) CCDs der zweiten Generation und beschreibt ein Testbett mit einem Multi-Channel Readout Chip (MCRC) ASIC, der entwickelt wurde, um diese Detektoren der nächsten Generation mit Sub-Elektronen-Rauschen für zukünftige Röntgen- bis Nahinfrarot-Weltraumobservatorien zu unterstützen.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, einem einzigen, winzigen Flüstern in einem Raum voller tosender Menge zuzuhören. In der Welt der Astronomie ist dieses Flüstern ein schwaches Röntgenphoton eines fernen Schwarzen Lochs oder eines sterbenden Sterns, und die tosende Menge ist das elektronische „Rauschen“ innerhalb der Kamera, die das Bild aufnimmt. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler bessere Kameras gebaut, um diese kosmischen Flüstern einzufangen, aber sie stießen gegen eine Wand: Um die schwächsten Dinge zu sehen, benötigten sie Kameras, die unglaublich schnell waren (um schnelle Lichtblitze einzufangen) und unglaublich leise (damit das eigene Summen der Kamera das Signal nicht übertönt). Hier kommt eine neue Art von Kamerasensor namens SiSeRO ins Spiel. Stellen Sie sich einen herkömmlichen Kamera-Sensor wie eine Eimerkette vor, bei der Wasser weitergereicht wird; wenn Sie den Eimer zu schnell weiterreichen, verschütten Sie etwas Wasser (Rauschen), und wenn Sie anhalten, um den Wasserstand zu prüfen, lassen Sie vielleicht den Eimer fallen. SiSeRO ist anders; es ist wie ein magischer Eimer, der es Ihnen ermöglicht, hineinzuschauen, um das Wasser zu messen, ohne jemals einen Tropfen zu verschütten. Sie können so oft hineinschauen, wie Sie wollen, und indem Sie all diese Blicke mitteln, verblasst das Hintergrundrauschen und hinterlässt nur das klare, scharfe Signal des kosmischen Flüsterns. Diese Technologie ist der Schlüssel für die nächste Generation von Weltraumteleskopen, die das Universum jemals mit schärferer Detailgenauigkeit sehen müssen.
Schauen wir uns nun das neueste Update des Teams an, das diese magischen Eimer baut. Die Forscher am Stanford, am MIT Lincoln Laboratory und am MIT Kavli Institute haben gerade die „zweite Generation“ ihrer SiSeRO-Sensoren vorgestellt, die sie CCID93++ nennen. Wenn die erste Version ein Prototyp war, der bewies, dass die Idee funktioniert, dann ist diese neue Familie von Geräten das schwere Arbeitspferd, das für die massiven Anforderungen zukünftiger Weltraummissionen konzipiert wurde.
Das Team hat nicht nur einen neuen Sensor gebaut; es hat ein ganzes Toolkit erstellt, um verschiedene Wege zu testen, wie man diese Sensoren noch besser machen kann. Zuerst bauten sie den CCID93++B, der so ist, als ob 16 winzige Kameras nebeneinander statt nur einer arbeitet. In einem herkömmlichen Aufbau liest ein Sensor eine Zeile von Pixeln nach der anderen, wie beim Lesen eines Buches Wort für Wort. Dieses neue Gerät liest 16 Zeilen gleichzeitig, was es 16-mal schneller macht. Um sicherzustellen, dass sie das beste Design fanden, teilten sie diese 16 Spuren in vier verschiedene Gruppen auf, von denen jede einen leicht unterschiedlichen „Motor“ hat (wie das Bewegen des internen Gates oder das Ändern des Widerstands). Es ist, als würde man vier verschiedene Automotoren im selben Rennwagen testen, um zu sehen, welcher die beste Kilometerleistung erzielt.
Zweitens bauten sie den CCID93++C, der einen anderen Ansatz verfolgt. Anstatt nebeneinander zu laufen, sind diese 16 Sensoren hintereinander in einer Reihe aufgestellt. Stellen Sie sich vor, Sie geben eine geheime Notiz in einer Schlange von 16 Freunden weiter. Jeder Freund liest die Notiz, schreibt auf, was er gehört hat, und gibt sie an den nächsten weiter, ohne die Notiz zu verändern. Weil 16 Freunde dieselbe Notiz lesen, ist die endgültige Nachricht viel klarer und leiser, als wenn nur eine einzige Person sie gelesen hätte. Dieses Design zielt darauf ab, das Rauschen um den Faktor 4 zu senken, wodurch das „Flüstern“ noch leichter zu hören ist.
Schließlich unternahm das Team einen kleinen Schritt in Richtung Zukunft, indem es eine 3x3 Pixel-Matrix baute, was der allererste Prototyp eines „Active Pixel Sensors“ ist. Dieses Design ist wie der Bau eines winzigen Gitters aus einzelnen Kameras, bei dem jeder Pixel sein eigenes Gehirn besitzt. Dieses Design ist besonders, weil es keinen Signalweg über eine lange Linie benötigt, was es widerstandsfähiger gegen Strahlung im Weltraum macht und perfekt für die Aufnahme von superschnellen Filmen von Dingen ist, die sich am Himmel schnell verändern.
Um all diese neuen Gadgets zu testen, baute das Team einen speziellen „Spielplatz“, ein Testbed. Sie verwendeten einen speziellen Chip namens MCRC (Multi-Channel Readout Chip), um die Signale von allen 16 Kanälen gleichzeitig auszulesen, was viel effizienter ist als die Verwendung von 16 separaten, sperrigen Drähten. Sie kühlten die Sensoren auf frostige -105 °C (168 Kelvin) ab, um zu verhindern, dass sie vor thermischem Rauschen zittern, und beschossen sie mit Röntgenstrahlen, um zu sehen, wie gut sie performten.
Und was haben sie herausgefunden? Die Ergebnisse sind vielversprechend, befinden sich aber noch in der „Tuning-Phase“. Sie entdeckten, dass 15 der 16 Verstärker des neuen parallelen Sensors korrekt arbeiteten und auf die Signale wie vorgesehen reagierten. Ein Verstärker war jedoch hartnäckig und reagierte nicht, was das Team derzeit untersucht. Als sie maßen, wie gut die Sensoren die Ladung in ein Signal umwandeln (eine Eigenschaft namens Transkonduktanz), fanden sie einen Durchschnitt von 18,42 Mikrosiemens, wobei das leistungsstärkste Design (das mit reduziertem Widerstand) 21,32 Mikrosiemens erreichte.
Das Paper behauptet nicht, dass diese Sensoren bereits perfekt sind. Tatsächlich bemerkten sie einige „Leckagen“ in den elektrischen Signalen, die wahrscheinlich durch die Art und Weise verursacht werden, wie die Gates vorgespannt sind, was einen etwas zusätzlichen Stromfluss hinzufügt. Sie führen derzeit Tests durch, um die perfekten Spannungseinstellungen zu finden, um dies zu beheben. Die Tatsache, dass sie jedoch 16 Kanäle parallel auslesen können und dass das neue „Notiz-Weitergeben“-Design überhaupt funktioniert, ist ein riesiger Schritt nach vorn. Sie haben bewiesen, dass diese Sensoren der zweiten Generation gebaut und ausgelesen werden können, und sie stimmen nun die Regler fein ab, um sie so leise und schnell wie möglich zu machen. Dies ist noch nicht das fertige Produkt für das nächste Weltraumteleskop, aber es ist die fortschrittlichste, voll funktionsfähige Version der Technologie, die wir bisher gesehen haben, und ebnet den Weg für die ultrasensitiven Augen, die bald den Kosmos scannen werden.
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