First results for second generation SiSeRO CCD devices
Questo articolo presenta i risultati iniziali per i CCD di seconda generazione Single electron Sensitive Read Out (SiSeRO) e descrive un banco di prova caratterizzato da un ASIC Multi-Channel Readout Chip (MCRC) progettato per supportare questi rilevatori di prossima generazione, con rumore sub-elettronico, per futuri osservatori astronomici dai raggi X al vicino infrarosso.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo
Immagina di cercare di ascoltare un singolo, minuscolo sussurro in una stanza piena di una folla che ruggisce. Nel mondo dell'astronomia, quel sussurro è un debole fotone di raggi X proveniente da un buco nero distante o da una stella morente, e la folla che ruggisce è il "rumore" elettronico all'interno della fotocamera che scatta la foto. Per decenni, gli scienziati hanno costruito fotocamere migliori per catturare questi sussurri cosmici, ma si sono scontrati con un muro: per vedere le cose più deboli, avevano bisogno di fotocamere che fossero incredibilmente veloci (per catturare lampi di luce rapidi) e incredibilmente silenziose (affinché il proprio ronzio non soffocasse il segnale). Entra in scena un nuovo tipo di sensore per fotocamera chiamato SiSeRO. Pensa al sensore di una fotocamera tradizionale come a una catena di secchi che si passano l'acqua; se passi il secchio troppo velocemente, versi dell'acqua (rumore), e se ti fermi a controllare il livello dell'acqua, potresti far cadere il secchio. Il SiSeRO è diverso; è come un secchio magico che ti permette di sbirciare all'interno per misurare l'acqua senza mai versare una goccia. Puoi sbirciare quante volte vuoi e, facendo la media di tutti quei piccoli sguardi, il rumore di fondo svanisce, lasciando solo il segnale chiaro e nitido del sussurro cosmico. Questa tecnologia è la chiave per la prossima generazione di telescopi spaziali, che devono vedere l'universo con dettagli più nitidi che mai.
Ora, guardiamo l'ultimo aggiornamento dal team che costruisce questi secchi magici. I ricercatori di Stanford, del MIT Lincoln Laboratory e del MIT Kavli Institute hanno appena lanciato la "seconda generazione" dei loro sensori SiSeRO, che chiamano CCID93++. Se la prima versione era un prototipo che dimostrava che l'idea funzionava, questa nuova famiglia di dispositivi è il cavallo di battaglia pesante progettato per gestire le enormi richieste delle future missioni spaziali.
Il team non ha costruito solo un nuovo sensore; ha costruito un intero kit di strumenti per testare diversi modi per rendere questi sensori ancora migliori. Per prima cosa, hanno creato il CCID93++B, che è come avere 16 minuscole fotocamere che lavorano fianco a fianco invece di una sola. In una configurazione tradizionale, un sensore legge una riga di pixel alla volta, come leggere un libro una parola alla volta. Questo nuovo dispositivo legge 16 righe contemporaneamente, rendendolo 16 volte più veloce. Per assicurarsi di aver trovato il design migliore, hanno diviso queste 16 corsie in quattro diversi gruppi, ciascuno con un "motore" leggermente diverso (come spostare la porta interna o cambiare la resistenza). È come testare quattro diversi motori di auto nella stessa auto da corsa per vedere quale ottiene la migliore autonomia.
In secondo luogo, hanno costruito il CCID93++C, che adotta un approccio diverso. Inve di correre fianco a fianco, questi 16 sensori sono allineati in fila indiana, uno dopo l'altro. Immagina di passare un biglietto segreto lungo una fila di 16 amici. Ogni amico legge il biglietto, scrive ciò che ha sentito e lo passa al successivo senza cambiare il contenuto del biglietto. Poiché 16 amici leggono lo stesso biglietto, il messaggio finale è molto più chiaro e silenzioso rispetto a se un solo amico lo avesse letto. Questo design mira a ridurre il rumore di un fattore 4, rendendo il "sussurro" ancora più facile da sentire.
Infine, il team ha fatto un piccolo passo verso il futuro costruendo una matrice di pixel 3x3, che è il primissimo prototipo di un "Sensore a Pixel Attivo". Questo è come costruire una minuscola griglia di singole fotocamere dove ogni pixel ha il proprio cervello. Questo design è speciale perché non ha bisogno di passare il segnale lungo una lunga linea, il che lo rende più resistente alle radiazioni nello spazio e perfetto per scattare filmati super veloci di cose che cambiano rapidamente nel cielo.
Per testare tutti questi nuovi gadget, il team ha costruito un "parco giochi" personalizzato chiamato testbed. Hanno utilizzato un chip speciale chiamato MCRC (Multi-Channel Readout Chip) per leggere i segnali da tutte le 16 corsie contemporaneamente, il che è molto più efficiente rispetto all'uso di 16 cavi separati e ingombranti. Hanno raffreddato i sensori fino a un gelido -105°C (168 Kelvin) per evitare che tremassero a causa del rumore termico, e li hanno colpiti con i raggi X per vedere come si comportavano.
Allora, cosa hanno scoperto? I risultati sono promettenti ma sono ancora nella fase di "regolazione". Hanno scoperto che 15 dei 16 amplificatori del nuovo sensore parallelo funzionavano correttamente, rispondendo ai segnali come avrebbero dovuto. Un amplificatore si è dimostrato testardo e non rispondeva, cosa che il team sta attualmente indagando. Quando hanno misurato quanto bene i sensori convertivano la carica in un segnale (una proprietà chiamata "transconduttanza"), hanno trovato una media di 18,42 microsiemens, con il design con le prestazioni migliori (quello con resistenza ridotta) che raggiungeva i 21,32 microsiemens.
L'articolo non sostiene che questi sensori siano ancora perfetti. Infatti, hanno notato della "dispersione" nei segnali elettrici, probabilmente causata dal modo in cui le porte sono polarizzate, il che aggiunge un po' di corrente extra. Stanno attualmente eseguendo test per trovare le impostazioni di tensione perfette per risolvere il problema. Tuttavia, il fatto che possano leggere 16 canali in parallelo e che il nuovo design "passa il biglietto" funzioni affatto è un grande passo avanti. Hanno dimostrato che questi dispositivi di seconda generazione possono essere costruiti e letti, e ora stanno affinando le manopole per renderli il più silenziosi e veloci possibile. Questo non è ancora il prodotto finito per il prossimo telescopio spaziale, ma è la versione più avanzata e completamente funzionale della tecnologia che abbiamo visto finora, aprendo la strada agli occhi ultra-sensibili che presto scannerizzeranno il cosmo.
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