First results for second generation SiSeRO CCD devices
Dit artikel presenteert de eerste resultaten voor tweede generatie Single electron Sensitive Read Out (SiSeRO) CCD's en beschrijft een testopstelling met een Multi-Channel Readout Chip (MCRC) ASIC die ontworpen is om deze volgende generatie, sub-elektron ruisdetectoren voor toekomstige röntgen- tot nabij-infrarood astronomische observatoria te ondersteunen.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Stel je voor dat je probeert te luisteren naar een enkele, minuscule fluistering in een kamer vol met een brullende menigte. In de wereld van de astronomie is die fluistering een zwak röntgenfoton van een verre zwarte gat of een stervende ster, en de brullende menigte is de elektronische "ruis" binnenin de camera die de foto maakt. Decennialang hebben wetenschappers betere camera's gebouwd om deze kosmische fluisteringen op te vangen, maar ze liepen tegen een muur aan: om de zwakste dingen te kunnen zien, hadden ze camera's nodig die ongelooflijk snel waren (om snelle lichtflitsen op te vangen) en ongelooflijk stil (zodat het eigen gezoem van de camera het signaal niet overstemde). Maak kennis met een nieuw type camerasensor genaamd SiSeRO. Denk aan een traditionele camerasensor als een emmerbrigade die water doorgeeft; als je de emmer te snel doorgeeft, mors je wat water (ruis), en als je stopt om het waterpeil te controlen, laat je misschien de emmer vallen. SiSeRO is anders; het is als een magische emmer waarmee je erin kunt gluren om het water te meten zonder ooit een druppel te morsen. Je kunt zo vaak als je wilt gluren, en door al die inkijkjes te middelen, vervaagt de achtergrondruis, waardoor alleen het heldere, scherpe signaal van de kosmische fluistering overblijft. Deze technologie is de sleutel tot de volgende generatie ruimtetelescopen, die het universum in nog scherper detail willen zien dan ooit tevoren.
Kijk nu naar de laatste update van het team dat deze magische emmers bouwt. De onderzoekers van Stanford, MIT Lincoln Laboratory en het MIT Kavli Institute hebben zojuist de "tweede generatie" van hun SiSeRO-sensoren onthuld, die ze de CCID93++ noemen. Als de eerste versie een prototype was dat bewees dat het idee werkte, dan is deze nieuwe familie van apparaten de zware werkpaard die ontworpen is om de enorme eisen van toekomstige ruimtevaartmissies aan te kunnen.
Het team heeft niet alleen één nieuwe sensor gemaakt; ze hebben een hele gereedschapskist gebouwd om verschillende manieren te testen om deze sensoren nog beter te maken. Eerst creëerden ze de CCID93++B, die is alsof je 16 kleine camera's hebt die zij aan zij werken in plaats van slechts één. In een traditionele opstelling leest een sensor één lijn pixels tegelijk, zoals het lezen van een boek woord voor woord. Dit nieuwe apparaat leest 16 lijnen tegelijkertijd, waardoor het 16 keer sneller is. Om er zeker van te zijn dat ze het beste ontwerp vonden, verdeelden ze deze 16 banen in vier verschillende groepen, elk met een iets andere "motor" (zoals het verplaatsen van de interne poort of het veranderen van de weerstand). Het is alsof je vier verschillende automotoren test in dezelfde racewagen om te zien welke de beste kilometerstand haalt.
Ten tweede bouwden ze de CCID93++C, die een andere aanpak hanteert. In plaats van zij aan zij te draaien, staan deze 16 sensoren achter elkaar opgesteld, één na de ander. Stel je voor dat je een geheim briefje doorgeeft aan een rij van 16 vrienden. Elke vriend leest het briefje, schrijft op wat hij heeft gehoord, en geeft het door aan de volgende persoon zonder het briefje te veranderen. Omdat 16 vrienden hetzelfde briefje lezen, is de uiteindelijke boodschap veel duidelijker en stiller dan wanneer slechts één persoon het had gelezen. Dit ontwerp is erop gericht de ruis met een factor 4 te verminderen, waardoor de "fluistering" nog gemakkelijker te horen is.
Ten slotte zetten het team een kleine stap richting de toekomst door een 3x3 pixel matrix te bouwen, wat het allereerste prototype is van een "Active Pixel Sensor". Dit is als het bouwen van een klein rooster van individuele camera's waarbij elke pixel zijn eigen brein heeft. Dit ontwerp is bijzonder omdat het het signaal niet over een lange lijn hoeft door te geven, wat het robuuster maakt tegen straling in de ruimte en perfect is voor het maken van supersnelle films van dingen die snel veranderen aan de hemel.
Om al deze nieuwe gadgets te testen, bouwde het team een aangepaste "speeltuin" genaverd een testbed. Ze gebruikten een speciale chip genaamd de MCRC (Multi-Channel Readout Chip) om de signalen van alle 16 banen tegelijkertijd uit te lezen, wat veel efficiënter is dan het gebruiken van 16 afzonderlijke, logge draden. Ze koelden de sensoren af tot een ijzige -105°C (168 Kelvin) om te voorkomen dat ze zouden trillen door thermische ruis, en ze bestraalden ze met röntgenstraling om te zien hoe goed ze presteerden.
Dus, wat hebben ze gevonden? De resultaten zijn veelbelovend maar bevinden zich nog in de "afstemfase". Ze ontdekten dat 15 van de 16 versterkers in de nieuwe parallelle sensor correct werkten en reageerden op de signalen zoals ze dat zouden moeten doen. Eén versterker was koppig en reageerde niet, wat het team momenteel onderzoekt. Wanneer ze maten hoe goed de sensoren de lading in een signaal omzetten (een eigenschap genaamd "transconductantie"), vonden ze een gemiddelde van 18,42 microsiemens, waarbij het best presterende ontwerp (het ontwerp met verminderde weerstand) 21,32 microsiemens bereikte.
Het artikel beweert niet dat deze sensoren al perfect zijn. Sterker nog, ze merkten wat "lekken" op in de elektrische signalen, waarschijnlijk veroorzaakt door de manier waarop de poorten worden voorgespannen, wat een beetje extra stroom toevoegt. Ze voeren momenteel tests uit om de perfecte voltagesinstellingen te vinden om dit te verhelpen. Echter, het feit dat ze 16 kanalen parallel kunnen uitlezen en dat het nieuwe "briefje-doorgeven"-ontwerp überhaupt werkt, is een enorme stap voorwaarts. Ze hebben bewezen dat deze tweede generatie apparaten gebouwd en uitgelezen kunnen worden, en ze zijn nu de knoppen aan het finetunen om ze zo stil en snel mogelijk te maken. Dit is nog niet het eindproduct voor de volgende ruimtetelescoop, maar het is de meest geavanceerde, volledig functionerende versie van de technologie die we tot nu toe hebben gezien, wat de weg vrijmaakt voor de ultra-gevoelige ogen die binnenkort de kosmos zullen scannen.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.