Fortschritte in der SiSeRO-Technologie für die Röntgenastronomie

Die Single Electron Sensitive Read Out (SiSeRO) ist eine neue Technologie, die entwickelt wurde, um Ladungen in Bildsensoren zu erkennen, besonders nützlich für Röntgenteleskope. Entwickelt von Forschern am MIT Lincoln Laboratory, nutzt SiSeRO eine spezielle Art von Transistor, bekannt als P-MOSFET, der eine einzigartige Struktur hat, die ihm hilft, Ladungen genau auszulesen. Diese Technologie ermöglicht eine bessere Bildqualität und ist vorteilhaft für verschiedene wissenschaftliche Missionen.

#Hintergrund der SiSeRO-Technologie

Bildsensoren sind seit über dreissig Jahren entscheidend in der Röntgenastronomie. Das niedrige Rauschen und die gute Leistung dieser Sensoren machten sie zu einer beliebten Wahl für viele Weltraummissionen, wie Chandra und die X-ray Multi-Mirror Mission. Diese Sensoren können schwache Röntgenstrahlen erkennen und klare Bilder von Himmelsobjekten liefern.

Nächste Generation Röntgensensoren werden für kommende Missionen benötigt, die darauf abzielen, detailliertere Bilder des Universums einzufangen. Dazu sind Verbesserungen der Auslesegeschwindigkeit und der Rauschleistung erforderlich. SiSeRO-Geräte sollen diesen Bedürfnissen gerecht werden.

An der Stanford University wurde ein Modul entwickelt, um die von der SiSeRO-Technologie erzeugten Signale auszulesen. Frühere Prototypen hatten Sensoren, die direkt an der Oberfläche positioniert waren, was ihre Rauschleistung beeinträchtigte. Der neue Fokus liegt auf begrabenen Kanal-SiSeROs.

#Erfolge mit begrabenen Kanal-SiSeROs

Im Entwicklungsprozess wurden erhebliche Fortschritte erzielt. Der neueste begrabene Kanal-SiSeRO hat eine hervorragende Rauschleistung gezeigt, mit etwa 4,5 Elektronen Rauschen und einer Energieauflösung von 132 eV für Röntgenstrahlen von 5,9 keV. Diese Leistung ist eine klare Verbesserung im Vergleich zu früheren Prototypen, die etwa 15 Elektronen Rauschen hatten.

Verschiedene digitale Filtertechniken wurden ebenfalls erforscht, um die Leistung der SiSeROs weiter zu verbessern. Diese Techniken helfen, Rauschen zu reduzieren, was zu klareren Bildern und besseren Erkennungsfähigkeiten führt.

#Übersicht über SiSeRO-Geräte

Der SiSeRO funktioniert durch die Verwendung einer speziellen Transistorstruktur. Er hat ein internes Gate, das unter dem Haupttransistor-Kanal sitzt. Wenn eine Ladung an dieses Gate übertragen wird, beeinflusst das den Strom, der durch den Transistor fliesst. Diese Änderung im Strom ist, wie das Gerät die incoming Ladung misst.

Die Ausgabe des SiSeRO wird verarbeitet, um die Änderungen im Strom in digitale Signale zu übersetzen, die weiter analysiert werden können, um Bilder oder Spektren der erkannten Röntgenstrahlen zu erzeugen.

#Test des neuen SiSeRO-Geräts

Das neue SiSeRO-Gerät, auch CCID-93 genannt, wurde in einer kontrollierten Umgebung getestet, um seine Leistung zu bewerten. Es wurde in eine Vakuumkammer gestellt, die äussere Störungen blockierte, um genaue Messungen der Röntgensignale zu gewährleisten. Ein spezielles Kühlsystem wurde verwendet, um die optimalen Temperaturen während dieser Tests aufrechtzuerhalten.

Das Gerät zeigte beeindruckende Ergebnisse. Durch die genaue Messung der Stromänderungen konnte das Team die Menge der detektierten Ladung bestimmen. Die für die Messungen verwendete Ausrüstung zeigte Wellenformen, die die Signalpegel und das Rauschen anzeigten, was eine effektive Analyse ermöglichte.

#Verbesserungen bei Rauschmessung und Energieauflösung

Ein wichtiges Ziel für diese neuen Sensoren ist es, das Ausleserauschen zu reduzieren, was die resultierenden Bilder verschleiern kann. Während der Tests wurde festgestellt, dass das Ausleserauschen bei den älteren Prototypen etwa 6,1 Elektronen betrug. Mit dem neuen begrabenen Kanal-Design hat sich dies jedoch erheblich auf 4,5 Elektronen verbessert, was zeigt, wie die Designänderungen einen positiven Einfluss hatten.

Darüber hinaus wurde die Energieauflösung des Geräts ebenfalls gemessen. Bei einem Energieniveau von 5,9 keV betrug die Auflösung etwa 132 eV, was eine weitere signifikante Verbesserung gegenüber früheren Geräten darstellt, die Auflösungen von etwa 230 eV hatten.

#Digitale Filtertechniken

Um die Rauschleistung weiter zu verbessern, wurden verschiedene digitale Filtertechniken angewendet. Die Idee ist, die Daten selbst nach der Erfassung zu verfeinern, um Rauschen zu minimieren, das die Bilder oder Messungen beeinträchtigen kann.

Eine der Filtermethoden, die als "Cusp-Filtering" bezeichnet wird, wurde angewendet, die anpasst, wie Basislinien und Signalpegel gemessen werden. Diese Technik ermöglicht eine bessere Rauschkontrolle, was zu noch niedrigeren Ausleserauschpegeln führt. Mit Cusp-Filtering wurde das Ausleserauschen auf etwa 5,8 Elektronen reduziert.

Eine weitere getestete Methode war das Double-Baseline-Filtering. Dieser Ansatz verwendet Basissamples, die von beiden Seiten des Signals entnommen werden, was zu einer genaueren Berechnung des Rauschens führt. Mit dieser Technik verbesserte sich das Ausleserauschen weiter auf etwa 4,5 Elektronen.

#Herausforderungen und zukünftige Arbeiten

Obwohl die jüngsten Fortschritte vielversprechend sind, gibt es weiterhin Herausforderungen zu bewältigen. Das Ziel ist es, grössere Arrays von SiSeRO-Geräten zu entwickeln, die parallel arbeiten können. Dies wird eine noch bessere Leistung und effizientere Messungen für grössere wissenschaftliche Instrumente ermöglichen.

Es sind Pläne in Arbeit, um ein robusteres Auslesesystem zu schaffen, das diese Fortschritte unterstützen kann. Die Hoffnung ist, diese Techniken weiter zu verfeinern, um die Rauschpegel noch weiter abzusenken und die allgemeine Empfindlichkeit zu verbessern.

#Fazit

Die SiSeRO-Technologie zeigt grosses Potenzial für die Zukunft von Röntgendetektoren. Mit verbesserter Rauschleistung und Energieauflösung können diese Geräte die Röntgenastronomie und andere wissenschaftliche Bereiche erheblich voranbringen. Die laufenden Arbeiten und Forschungen in diesem Bereich werden wahrscheinlich zu weiteren Innovationen führen, die es Wissenschaftlern ermöglichen, klarere Bilder des Universums einzufangen und detailliertere Studien über himmlische Phänomene durchzuführen.