High-speed, low-noise, multi-megapixel CCDs for next generation X-ray observatories

Stel je voor dat het universum een gigantische, lawaaierige concertzaal is. Sommige sterren en zwarte gaten schreeuwen zo hard (in röntgenstraling) dat ze de stille, fluisterende geheimen van de rest van het kosmos overstemmen. Om die fluisteringen te kunnen horen, hebben astronomen oren nodig die ongelooflijk snel en ongelooflijk stil zijn. Als hun "oren" te traag zijn, stapelen de luide schreeuwen zich op en vervagen ze tot één geheel; als ze te luidruchtig zijn, verbergt de achtergrondruis de zwakke signalen. Dit is de uitdaging bij het bouwen van de volgende generatie röntgentelescopen: camera's maken die foto's kunnen maken van de meest extreme gebeurtenissen in het universum zonder een tel te missen of een enkel korreltje statische ruis toe te voegen.

Het artikel dat je nu gaat lezen, gaat over het bouwen van een nieuw soort camerasensor genaamd een CCD (Charge-Coupled Device). Denk aan een CCD als een digitale emmerbrigade voor licht. Wanneer een röntgenfoton de sensor raakt, laat hij een pieklein beetje "water" (elektrische lading) in een emmer vallen. De sensor moet deze emmers vervolgens één voor één door een rij doorgeven aan een computer om ze te tellen. Het probleem is dat het snel verplaatsen van emmers meestal zorgt voor spatten (wat ruis creëert), en als je een enorme reeks emmers hebt (miljoenen pixels), wordt de rij erg lang en traag. Dit team wetenschappers probeert een emmerbrigade te bouwen die zowel massaal als razendsnel is, maar ook zo stil dat je een speld kunt horen vallen. Ze testen een nieuwe, supergeavanceerde versie van deze sensor om te zien of deze klaar is voor de volgende grote ruimtemissie.

---

De Supersnelle, Superstille Camerachip

De wetenschappers in dit artikel zijn als monteurs die een racewagenmotor bouwen voor een ruimteschip. Ze werken aan een specifiek type camerasensor genaamd de CCID-100. Stel je een camerasensor voor als een gigantisch raster van kleine zonnepanelen. De CCID-100 is een enorm raster met 1.440 bij 1.440 pixels (dat zijn meer dan 2 miljoen pixels!). Normaal gesproken is het uitlezen van de gegevens van een raster van deze omvang alsof je een zwembad probeert leeg te zuigen met een enkel rietje — het duurt eeuwig. Maar deze nieuwe chip heeft 16 verschillende rietjes (kanalen) die tegelijkertijd werken, waardoor hij de gegevens ongelooflijk snel kan afvoeren.

Het doel is om deze camera's snel genoeg te maken om heldere, energetische röntgenstralen op te vangen zonder dat ze zich "opstapelen" (waarbij twee fotonen op dezelfde plek landen voordat de camera de eerste kan tellen), maar ook stil genoeg om de zwakke, spookachtige gloed van het verre universum te zien.

De Proefrit: Een Bevroren Vacuümkamer

Om te zien of hun nieuwe motor werkt, heeft het team een speciale testbaan gebouwd. Ze hebben de CCID-100 chips in een vacuümkamer bij Stanford University geplaatst en deze afgekoeld tot een ijzige −100°C (ongeveer −148°F). Waarom zo koud? Net zoals een automotor soepeler loopt als hij niet oververhit raakt, draaien deze elektronische sensoren veel stiller wanneer ze ijskoud zijn.

Ze gebruikten een speciale radioactieve bron (IJzer-55) om röntgenstralen op de chips te schieten, wat fungeerde als een speciale testlamp. Om de gegevens van alle 16 kanalen tegelijk uit te lezen, gebruikten ze twee kleine, op maat gemaakte computerchips genaamd MCRC V1 ASICs. Denk aan deze ASICs als de pitcrew die de gegevens direct uit de 16 rietjes grijpt en sorteert voordat het een rommeltje wordt. Ze bouwden ook een "debug"-systeem, wat te vergelijken is met een dashboard met honderden meters om de spanning en temperatuur van elk onderdeel van de motor te controleren terwijl deze draait.

De Motor Afstellen: De Perfecte Instellingen Vinden

Een van de grootste uitdagingen was het bepalen van de perfecte "spanninginstellingen" (bias) voor de sensor. Stel je voor dat je een gitaar probeert af te stemmen; als de snaren te strak of te los staan, klinkt de noot niet goed. Het team ontdekte dat de ruis in de sensor veranderde afhankelijk van de temperatuur en de spanninginstellingen.

Ze ontdekten een vreemde eigenaardigheid: naarmate ze de sensor afkoelden, werd de ruis niet alleen maar steeds stiller, maar bereikte een optimaal punt en werd daarna weer luider bij zeer lage temperaturen, zoals een radio die een vreemde statische brom oppikt. Dit gebeurde door minuscule vallen binnen het silicium die elektronen vangen en weer loslaten.

Om dit op te lossen, voerden ze een geautomatiseerd "afstemmingsproces" uit. Ze scanden door meer dan 1.300 verschillende combinaties van spanninginstellingen in minder dan 3 uur. Het was alsof een robot een miljoen verschillende akkoorden speelde om de te vinden die het meest perfect klonk. Ze ontdekten dat voor een bepaald type chip (de W6) de beste instellingen bij −40°C lagen, terwijl voor de andere soort (W16) het beste punt bij −100°C lag.

De Resultaten: Een Helder Beeld

Na het afstemmen van de chips maakten ze foto's van een metalen masker met de letters "XOC" eruit uitgesneden. Het resultaat? Een helder, scherp beeld van het logo, wat bewees dat de camera de gegevens correct kon uitlezen.

Vervolgens maten ze de "ruis" (statische ruis) en de scherpte van de energiegegevens. Dit is wat ze vonden:

• Snelheid: Ze slaagden erin om de volledige 2-miljoen-pixel sensor uit te lezen met een snelheid van 2 MPixel/s (2 miljoen pixels per seconde), wat een framerate van ongeveer 6,7 frames per seconde oplevert. Dat is snel genoeg om snelle kosmische gebeurtenissen op te vangen zonder dat het beeld onscherp wordt.
• Ruis: Ze maten de "uitleesruis", oftewel hoeveel statische ruis de camera aan het beeld toevoegt. Voor de W6-chip hadden 11 van de 16 kanalen een ruis lager dan 3,0 elektronen, en 15 kanalen waren onder de 3,2 elektronen. Voor de W16-chip hadden 4 kanalen minder dan 3,0 elektronen, en 10 kanalen waren onder de 3,5 elektronen.
• Helderheid: Wanneer ze naar de energie van de röntgenstralen keken (specifiek de 5,9 keV lijn van IJzer-55), hadden 12 kanalen op de W6-chip en 14 kanalen op de W16-chip een scherpte (genaamd FWHM) die beter was dan 150 eV.

Wat Dit Betekent voor de Toekomst

Het artikel concludeert dat deze CCID-100 chips de eersten van hun soort zijn die laten zien dat ze zowel enorm groot (multi-megapixel) als snel genoeg kunnen zijn voor de volgende generatie röntgentelescopen. Ze bewezen dat met de juiste koeling en de juiste spanning af te stemmen, deze sensoren aan de strikte eisen van toekomstige ruimte missies, zoals het AXIS-concept, kunnen voldoen.

Hoewel het team opmerkte dat de "W16"-chip iets luidruchtiger was dan de "W6"-chip, lieten ze zien dat de technologie werkt. Ze gokten niet; ze maten het. Ze hebben aangetoond dat ze door middel van snelle, parallelle uitleeselektronica en automatische afstemming een camera kunnen bouwen die klaar is voor de volgende grote sprong in het observeren van de meest extreme omgevingen in het universum. De motor is gebouwd, de afstelling is voltooid, en het ziet ernaar uit dat hij klaar is voor de race.