Cryogene microcalorimeters Wouter Bergmann Tiest, Marcel Bruijn, Wim Mels, Piet de Korte en Henk Hoevers Stichting Ruimteonderzoek Nederland, Utrecht De afgelopen jaren is een nieuw type stralingsdetector ontwikkeld waarmee uiterst nauwkeurig foton-energieën gemeten kunnen worden. Ook de Stichting Ruimteonderzoek Nederland houdt zich hiermee bezig en inmiddels behoren de daar geproduceerde en geteste cryogene microcalorimeters tot de gevoeligste ter wereld. In dit artikel wordt de werking en toepassing van microcalorimeters besproken. Dit gebeurt aan de hand van de afbeeldende cryogene microcalorimeters die SRON ontwikkelt voor hoge-resolutie röntgenspectroscopie met het volgende-generatie ESA röntgenobservatorium XEUS, gericht op astrofysisch onderzoek van het vroege universum. Het principe van een microcalorimeter Een microcalorimeter voor stralingsdetectie is een sensor die de temperatuurverhoging ten gevolge van de absorptie van een foton omzet in een verandering van een elektrisch signaal dat vervolgens wordt uitgelezen. In een groot deel van het elektromagnetisch spectrum (visueel, UV, röntgen) is het mogelijk om van ieder foton afzonderlijk de energie te meten. Het principe van een microcalorimeter is weergegeven in figuur 1 (a). De absorber heeft een warmtecapaciteit C zodat de gedeponeerde energie E leidt tot een temperatuurverandering T = E/C, zie figuur 1 (b). De responstijd van de sensor τ = C/G hangt af van de thermische geleiding G tussen de sensor en een koudebad. De absorber is direct gekoppeld aan een thermometer. Door SRON wordt een zogenaamde fase-overgangsthermometer, ofwel Transition Edge Sensor (TES) gebruikt. De TES is een supergeleider met een kritische temperatuur T c en weerstand R(T ), zie figuur 1(c). Daar de supergeleider-normaalovergang steil kan zijn (enkele millikelvin breed) is het mogelijk om een zeer gevoelige temperatuur-weerstandsomzetting te verkrijgen. Naar een idee van de detectorgroep van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) wordt de TES met een constante spanning V aangestuurd. Hierbij stelt zich een evenwicht in waarbij het gedissipeerde elektrische vermogen in de TES, P = V 2 /R(T ), gelijk is aan de warmtestroom naar het bad [1]. De grootte van de spanning V bepaalt dus het instelpunt R(T ) in de supergeleider-normaalovergang van de TES. Indien er een foton wordt geabsorbeerd, en de temperatuur en de thermometerweerstand omhoog gaan, daalt het gedissipeerd vermogen in de thermometer en daarmee weer de temperatuur. Dit betekent dat de detector zichzelf door interne negatieve elektrothermische terugkoppeling steeds terugregelt naar het instelpunt en dat er géén 1
computer T T τ T = E/C τ = C/G foton uitlees elektronica t (b) replacements E absorber C thermische verbinding koudebad G TES I SQUID V (a) R instelpunt normaal I α T c supergeleidend T (c) E = V Idt t α = T dr R dt (d) Figuur 1: (a) Schematische weergave van de werking van de microcalorimeter. (b) Absorptie van een foton leidt tot een temperatuurstijging, waarna weer afkoeling volgt. (c) De steile supergeleider-normaalovergang van de thermometer zet de temperatuursverandering om in een verandering van de weerstand. (d) De verhoging van de weerstand leidt tot een vermindering van de stroom door de thermometer I. De pulsinhoud is gelijk aan de fotonenergie. externe terugkoppeling nodig is. De energie van het invallende foton is in geval van sterke terugkoppeling gelijk aan E = V I(t)dt, ofwel de integraal van de afname van de hoeveelheid elektrisch vermogen in de sensor, figuur 1 (d). Aangezien een TES een laag-ohmige detector is, wordt een eveneens laag-ohmig SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) array als stroommeter gebruikt. Het uitgangssignaal van de SQUID wordt versterkt, gedigitaliseerd en in de computer verder bewerkt met een optimaal filter. De geïntegreerde pulsen worden uitgezet in een histogram, een energiespectrum van de invallende straling. Grenzen aan de energieresolutie De energieresolutie van de microcalorimeter hangt direct af van de signaal-ruisverhouding die we in het frequentiedomein beschouwen, zie figuur 2 (a). Het signaal, de exponentiële stroompuls uit figuur 1 (d), heeft een frequentiespectrum dat vlak is tot een kantelfrequentie f k = 1/(2πτ) en daarboven met 1/f afvalt. De ruis die door de thermische verbinding wordt geïntroduceerd, vaak fononruis genoemd, heeft een gelijkvormig frequentiespectrum. De verhouding van signaal en fononruis is dus frequentie-onafhankelijk; door de bandbreedte van de meetapparatuur voldoende groot te maken kan de energieresolutie onbeperkt hoog worden. Omdat de TES ech- 2
puls (A) en ruis (A/rtHz) (log schaal) puls fononruis Johnsonruis (a) puls (A) en ruis (A/rtHz) (log schaal) puls fononruis Johnsonruis (b) f k f band frequentie (Hz) (log schaal) f k f band frequentie (Hz) (log schaal) Figuur 2: (a) Frequentiespectra van signaal, fononruis en Johnsonruis in afwezigheid van elektrothermische terugkoppeling. (b) Dezelfde spectra maar nu mét elektrothermische terugkoppeling. De niveaus zijn lager en de kantelfrequentie f k is verschoven naar een hogere waarde 1/(2πτ/(1 + L 0 )). De maximale bandbreedte is f band, het snijpunt van Johnsonruis en fononruis. Deze is onafhankelijk van de aanwezigheid van elektrothermische terugkoppeling. ter een elektrische weerstand heeft is er ook nog sprake van Johnsonruis met een frequentieonafhankelijk spectrum. Dit betekent dat de bandbreedte wordt beperkt tot de frequentie f band waar Johnsonruis en fononruis gelijk zijn. Optimalisatie van de energieresolutie wordt verkregen door de fononruis/johnsonruis-verhouding i fonon /i Johnson beneden f k zo hoog mogelijk te maken. Deze verhouding wordt gegeven door α P/GT waarbij α de gevoeligheid van de thermometer is, uitgedrukt in α T/R dr/dt, Het vermogen P wordt begrensd door het verschil tussen de bedrijfstemperatuur T en de badtemperatuur T bad en door G. Indien de badtemperatuur aanzienlijk onder de werktemperatuur T ligt, geldt P/GT = 1/ n. Hierin is n 3 een materiaalparameter die samenhangt met het warmtetransport in de thermische verbinding tussen detector en koudebad. Er volgt dan i fonon /i Johnson = α n. De energieresolutie (volle breedte op halve hoogte van de pieken in het spectrum) kan nu geschreven worden als E FWHM = 2, 36 k B T 2 C 2 4 n/α 2 + (n/α 2 ) 2. Zoals direct te zien is, zijn een lage werktemperatuur T en een hoge waarde van α voordelig. Deze relatie is voor het eerst afgeleid door de groep van NIST en deed vermoeden dat met voldoende hoge waarden van α een onbeperkt goede energieresolutie bereikt zou kunnen worden. Dit werd experimenteel niet gevonden en het werk van SRON heeft laten zien dat de sensorgeometrie en de eindige thermische geleiding in de TES de energieresolutie in veel gevallen beperkt tot E FWHM 2, 36 k B T 2 C [2]. Voor een optimale energieresolutie zijn een lage waarde van C en T dus voordelig. De eisen aan het dynamisch bereik stellen echter een ondergrens aan C αe/t c. Voor een metallische absorber geldt dat C T en dus E T 3/2. Gegeven een praktische waarde van T bad van 10 tot 30 mk, zoals met een mengkoeler of adiabatische demagnetisatiekoeler kan worden gehaald, volgt een werktemperatuur van ongeveer 75 100 mk. 3
Bi Cu Bedrading (Al) TES (Ti/Au) sleuven Si 3 N 4 Si Figuur 3: Doorsnede van een microcalorimeter die is opgebouwd uit een TES met Cu/Biabsorber op een Si 3 N 4 membraan met sleuven die de warmtegeleiding bepalen. Het pixel is 240 µm breed. De tekening is niet op schaal. Het voordeel van interne negatieve elektrothermische terugkoppeling Geheel analoog aan de beschrijving van terugkoppeling in de regeltechniek kan de elektrothermische terugkoppeling gekarakteriseerd worden met een rondgaande versterking L 0. In de limiet van T bad T geldt dat L 0 α/n. Indien het effect van elektrothermische terugkoppeling wordt meegenomen dan blijkt dat, ofschoon de vorm van de spectra verandert, de verhouding tussen de ruis- en signaalniveaus gelijk blijft, zoals te zien in figuur 2 (b). Ook f band verandert niet. De terugkoppeling heeft dus geen invloed op de energieresolutie. Echter, als gevolg van de terugkoppeling neemt de responstijd van de microcalorimeter af tot τ/(1 + L 0 ). Een grote waarde van α is dus voordelig voor een verkorting van de responsietijd zodat hogere telsnelheden kunnen worden gehaald. Bovendien zorgt de terugkoppeling voor een grote stabiliteit en lineariteit van de sensor en een responsiviteit die slechts afhangt van de aangelegde biasspanning. Microcalorimeter voor röntgenspectroscopie, experimentele resultaten Door SRON wordt thans een microcalorimeter ontwikkeld voor de toekomstige XEUS-satelliet (zie kaderstuk). De eisen hiervoor zijn een energieresolutie van 5 ev bij 7 kev, een responsietijd van 100 µs en een absorptie van 90% van de opvallende fotonen. Een van de ontwerpen is weergegeven in figuur 3. De TES bestaat uit een dunne dubbellaag van een supergeleider en een normaal metaal. Met de respectievelijke laagdiktes is, dankzij het proximity-effect, T c in te stellen. In ons geval maken we gebruik van een Ti/Au dubbellaag waarbij het Ti een dikte van 18 nm heeft en het Au een dikte van 20 nm; aldus wordt een T c van 100 mk verkregen, zie figuur 4 (a). De absorber wordt gevormd door een koperlaag die op de thermometer is gedeponeerd. De dikste absorber die tot op heden is gebruikt absorbeert slechts 40% van de röntgenfotonen. In de toekomst zal een combinatie van koper en bismuth gebruikt worden, waardoor het stoppend vermogen 90% of meer wordt. Aangezien deze combinatie dezelfde warmtecapaciteit zal hebben is de verwachting dat de energieresolutie niet verslechtert. De zwakke koppeling G naar het bad, 4
0.25 Supergeleidend/normaal-overgang 4.0 10-5 Sensorrespons als functie van biasspanning weerstand (Ohm) 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 stroom (A) 3.0 10-5 2.0 10-5 1.0 10-5 -0.05 0.080 0.090 0.100 0.110 0.120 temperatuur (K) (a) 0 0.00 0.02 0.04 0.06 spanning (V) (b) Figuur 4: (a) R(T )-curve van de supergeleidende overgang van een Ti/Au dubbellaag; de T c bedraagt 100 mk en de overgang heeft een breedte van slechts 2 mk. (b) I(V )-curve van een spanninggestuurde microcalorimeter met röntgenpulsen erop gesuperponeerd. dat een temperatuur van 10 mk heeft, wordt gevormd door een 1 µm dik Si 3 N 4 membraan. Het is inzichtelijk om de stroom-spannings (I(V )) curve te gebruiken om het gedrag van een sensor te illustreren, zie figuur 4 (b). Voor spanningen groter dan 39 mv is de thermometer normaal; de I(V )-curve is dan lineair (wet van Ohm). Als V kleiner dan 39 mv wordt, komt de TES in de supergeleidende overgang. Dit is het werkgebied waar elektrothermische terugkoppeling aanwezig is. Tijdens het opnemen van de I(V )-curve werd de detector met röntgenfotonen bestraald; dit veroorzaakt de scherpe pieken die zichtbaar zijn. Tussen 23 en 39 mv drijven de röntgenfotonen de thermometer normaal; dit is te zien aan de lineaire omhullende. Bij lagere biasspanningen wordt de sensor niet geheel uitgestuurd. De tijdconstante C/G van de microcalorimeter is in afwezigheid van elektrothermische terugkoppeling ongeveer 1 ms; met terugkoppeling wordt dit 100 150 µs. Het voornaamste kwaliteitsgetal van een röntgenmicrocalorimeter is de energieresolutie die bij 5,9 kev wordt gehaald (Mn Kα). Een dergelijke meting kan in het laboratorium worden gedaan door een röntgenbron voor de detector te monteren en mee af te koelen. Figuur 5 laat een dergelijk gemeten spectrum zien. Zoals blijkt is het Kα-complex bij 5,9 kev een doublet dat door onze microcalorimeter wordt opgelost. De getoonde fit door het spectrum is gebaseerd op een spectrum gemeten met een hoge-resolutie kristalspectrometer, waarop een Gaussische versmering met een breedte van 4.5 ev is toegepast. Tabel 1 geeft de status van het onderzoeksveld weer. Er blijkt dat op dit moment de TESmicrocalorimeters het veld aanvoeren en dat de microcalorimeters met NTD germanium thermometers beduidend trager zijn en daarom uiteindelijk niet in staat zullen zijn om de voor XEUS verwachte telsnelheden te halen. Op dit moment ontwikkelt SRON in samenwerking met het MESA + -instituut aan de Universiteit Twente en met VTT Automation in Espoo, Finland een afbeeldend array van microcalorimeters. In eerste instantie wordt gewerkt aan een prototype met 5 5 beeldelementen. De uiteindelijke XEUS-detector heeft minimaal 32 32 beeldelementen. 5
250 Aantal pulsen 200 150 100 Aantal pulsen 250 200 150 100 50 FWHM = 4.5 ev 0 5870 5880 5890 5900 5910 5920 Energie (ev) 50 0 0 2000 4000 6000 8000 Energie (ev) Figuur 5: Spectrum van 55 Fe gemeten met een SRON microcalorimeter, van 0 tot 8 kev. Te zien zijn de Mn Kα- en Kβ-lijnen bij respectievelijk 5,9 en 6,4 kev. De pulsen links van de grote piek zijn vermoedelijk afkomstig van fotonen die door het membraan geabsorbeerd worden. De inzet toont een uitvergroting van het Kα-complex bij 5,9 kev. De resolutie is 4,5 ev FWHM. Overige toepassingen Cryogene mircocalorimeters gebaseerd op spanningsgestuurde TESsen hebben een goede energieresolutie (< 5 ev) over een groot energiebereik (0,1 10 kev). Hiermee onderscheiden ze zich van golflengte-dispersieve (kristal)spectrometers (WDS) die weliswaar zeer nauwkeurig zijn (1 10 ev) maar slechts werkzaam over een relatief klein energiegebied met een breedte van 1 2 kev en die een lage efficiency hebben. Zij onderscheiden zich ook van energie-dispersieve (halfgeleider)spectrometers (EDS), die wel een groot bereik en efficiency combineren, echter met typische energieresoluties van slechts 50 130 ev. Hierdoor vormt naast astronomische toepassingen materiaalkunde (elektronenmicroscopie) een belangrijk nieuw veld voor microcalorimeters [3]. Een nadeel is echter de beperkte telsnelheid; deze kan echter worden opgevoerd door een array van microcalorimeters te gebruiken. Door de absorber aan te passen aan het golflengtegebied waarin wordt waargenomen kan de microcalorimeter ook voor andere golflengten worden toegepast. In het optisch gebied zijn al tijdopgeloste spectroscopische waarnemingen van de Krabnevel gedaan (waarbij de TES zowel als thermometer als absorber fungeerde) [4]. Thans is de optische/infrarood-interferometrie van- 6
Tabel 1: Vergelijking van microcalorimeters van SRON (Utrecht), het National Institute of Standards and Technology (Boulder, CO), het Goddard Space Flight Center (Greenbelt, MD), de universiteit van Jyväskylä (Finland), het Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Milaan) en de universiteit van Wisconsin (Madison, WI) Groep Energieresolutie Tijdconstante Type thermometer bij 5,9 kev (ev) (ms) SRON 4,5 0,15 0,20 TES NIST 4,5 0,75 2,00 TES GSFC 6,1 0,31 TES Jyväskylä 9,0 0,26 TES INFN 5,2 2 NTD-Ge UW 7,3 5,5 NTD-Ge XEUS-eisen 5 0,1 32 32 pixel array uit de ruimte in opkomst. In dit photon starving regime zou een microcalorimeter een belangrijke rol kunnen spelen. Indien niet ieder foton afzonderlijk wordt gedetecteerd, maar alleen het opvallend vermogen wordt gemeten zoals in het infrarood, spreekt men van een bolometer. Voor het Sub-millimetre Common User Bolometer Array (SCUBA-2) instrument aan de James Clerk Maxwell-telescoop op Hawaï wordt thans een afbeeldend array van TES-bolometers ontwikkeld. Het is de verwachting dat bovenstaande toepassingen een hoge vlucht zullen nemen. Sedert enige tijd zijn er commerciële adiabatische demagnetisatiekoelers op de markt die vanaf 4 K werken (vloeibaar He). Ook kan de He-cryostaat door een pulsbuiskoeler worden vervangen en kunnen de lage temperaturen bereikt worden zonder dat er nog cryogene vloeistoffen nodig zijn. Door deze ontwikkelingen in de koeltechnologie wordt het gebruiksgemak van cryogene microcalorimeters aanmerkelijk vergroot. Referenties [1] K.D. Irwin, Appl. Phys. Lett. 66, 1998 (1995) [2] H.F.C. Hoevers et al., Appl. Phys. Lett. 77, 4422 (2000) [3] D.A. Wollman et al., Nucl. Instr. Meth. A 444, 145 (2000) [4] R.W. Romani et al., ApJ 521, L153 (1999) 7
Röntgensterrenkunde 1960 2015 Aangezien een belangrijk deel van de röntgenstraling uit de ruimte door de atmosfeer wordt gestopt is het astrofysisch onderzoek in dit deel van het spectrum op waarnemingen vanuit raketten of satellieten aangewezen. Daarom begonnen waarnemingen niet eerder dan de jaren 50, met de technologie van door de Amerikanen buitgemaakte Duitse V-2 raketten. Deze tak van astronomie ging pas echt van start in 1962 met de ontdekking van Sco X-1, de eerste astronomische röntgenbron buiten de zon. Dit gebeurde met een instrument met 3 geigertellers op een Aerobee 150-raket, dat bedoeld was om de röntgenstraling van de maan te meten. Later kwamen er meer raket- en satellietexperimenten zoals Uhuru (1970), Einstein (1978) en ROSAT (1990) met gasgevulde proportionele telbuizen en later CCD s. In 1999 zijn twee grote röntgenobservatoria, te weten XMM-Newton (ESA) en Chandra (NASA) gelanceerd. Zij doen op dit moment baanbrekende waarnemingen op het gebied van de röntgenspectroscopie. Een van de beperkingen van XMM-Newton en Chandra is het feit dat de spectrale resolutie van de CCD-camera (typisch 100 ev voor röntgenfotonen met een energie van 6 kev) niet voldoende is om spectraallijnen in detail te bestuderen. De traliespectrometers aan boord van beide satellieten kunnen dit wel (hun energieresolutie is 15 ev bij 6 kev) maar zij zijn niet geschikt om afbeeldende spectroscopie te doen. Op dit moment wordt XEUS (X-ray Evolving Universe Spectrometer) in Europa gezien als opvolger van XMM-Newton, met een geschatte lancering in 2015. XEUS zal röntgenstraling uit het jonge universum waarnemen, met een roodverschuiving van z 4. XEUS kan worden gezien als het hoge-energie complement van toekomstige satellieten als de Next Generation Space Telescope (opvolger van de Hubble Space Telescope), de Microwave Anisotropy explorer en Planck (de Amerikaanse, respectievelijk Europese, opvolger van de Cosmic Background Exporer). In de detectormodule zullen een CCD-camera en twee cryogene camera s worden opgenomen. Eén cryogene camera is voor zachte röntgenstraling, tot enkele kev. Voor het energiegebied van 1 tot 10 kev is een camera met 32 32 beeldelementen gepland. De ontwikkeling binnen SRON is met name op deze camera gericht. 8
Stichting Ruimteonderzoek Nederland De Stichting Ruimteonderzoek Nederland (SRON) houdt zich bezig met de ontwikkeling, bouw en het gebruik van wetenschappelijke instrumenten aan boord van satellieten. De divisie Sensor Research & Technology doet strategisch onderzoek om nieuwe detectoren te ontwikkelen voor het doen van gamma-, röntgen-, infrarood en sub-millimeterastrofysica en aardgericht onderzoek. Zij beschikt over verschillende cryogene faciliteiten voor testdoeleinden en apparatuur voor fabricage van sensoren in een clean room. Doordat SRON deelneemt aan de ontwikkeling van belangrijke delen van de instrumentatie voor ruimteonderzoek ontstaat een unieke positie met betrekking tot de toegang tot de wetenschappelijke data en de mogelijkheden om met nationale en internationale instituten samen te werken. De afgelopen jaren is SRON onder andere betrokken geweest bij de ontwikkeling van de Wide Field Camera aan boord van de Italiaans- Nederlandse BeppoSax satelliet en de kortegolfspectrometer (SWS) aan boord van het infraroodobservatorium ISO. De twee traliespectrografen aan boord van XMM-Newton (ESA) zijn door SRON in samenwerking met Columbia University en Mullard Space Science Laboratory ontwikkeld, gebouwd en getest. De lage-energie transmissietralie van Chandra (NASA) is door SRON in samenwerking met het Max Planck Instituut en het NLR gebouwd. Onderschrift groepsfoto: De onderzoeksgroep die momenteel bij SRON aan de ontwikkeling van cryogene microcalorimeters werkt, met op de achtergrond de 3 He/ 4 He mengkoeler. Van links af: Piet de Korte (sensorfysica algemeen, divisiehoofd), Marcel Bruijn (lithografie), Wouter Bergmann Tiest (fysica en optimalistatie van enkele-pixel-detectoren), Wim Mels (sensorfysica en cryogene opstellingen) en Henk Hoevers (sensorfysica, projectleider). Wouter is sinds 1999 als promovendus bij het project betrokken; de overigen werken sinds 1997 aan dit onderzoek. 9