Neue supraleitende Detektoren für zukünftige Weltraummissionen

EU-finanzierte Wissenschaftler haben die Möglichkeiten kinetischer Induktivitätsdetektoren (kinetic inductance detectors, KIDs) weiterentwickelt und demonstriert, die bei Erdbeobachtungsmissionen im Bereich der Ferninfrarot- und Millimeterwellenlängen arbeiten.

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Bislang ist die für den Ferninfrarot- bis Millimeter-Wellenlängenbereich verfügbare Auswahl an Detektortechnologien begrenzt, und es ist kostspielig, Detektorsysteme zu implementieren. Bei den kinetischen Induktivitätsdetektoren handelt es sich um eine relativ neue supraleitende Detektortechnologie, die zum Nachweis elektromagnetischer Strahlung bei Wellenlängen zwischen 30 μm und 3 mm geeignet ist. Noch vor SPACEKIDS (Kinetic inductance detectors – A new imaging technology for observations in and from space) wurden grundlegende Betriebskonzepte für bodengestützte Anwendungen unter Beweis gestellt. Das von der EU finanzierte Projekt arbeitete daran, die KID-Technologie auf die nächste Stufe zu bringen. Weltweit führende Forschergruppen aus vier europäischen Ländern vereinten ihre Anstrengungen, um die Befähigungen modernster Ferninfrarotdetektoren zu erweitern. Sie konzentrierten sich auf die Entwicklungen, die zur Realisierung von kinetischen Induktivitätsdetektoren in einer neuen Generation von für den Weltraum bestimmten Instrumenten erforderlich sind. Verschiedene Detektormaterialien wurden erforscht, um das Leistungsverhalten der entsprechenden kinetischen Induktivitätsdetektoren zu optimieren. Versuche ergaben, dass Aluminiumschichten die geforderte Empfindlichkeit über den gesamten Ferninfrarot- bis Millimeterwellenlängenbereich realisieren könnten. Die Leistungsfähigkeit von kinetischen Induktivitätsdetektoren in Gegenwart eines kosmischen Strahlungsflusses, der die verschiedenen Weltraumumgebungen repräsentiert, wurde anhand von Modellierung und Versuchen optimiert. Überdies wurde eine detaillierte Optimierung der effizienten Kopplung von elektromagnetischer Strahlung mit verschiedenen KID-Implementierungen, antennengekoppelt und konzentriertes Element, durchgeführt. Die Forscher identifizierten außerdem etliche Weltraummissionskonzepte für Astronomie und Erdbeobachtung, bei denen kinetische Induktivitätsdetektoren eine konkurrenzfähige Detektoroption darstellen könnten. Sie analysierten mehrere Missionsszenarien, für die sie jeweils gleichermaßen KID-Anforderungen definierten. Im Endeffekt wurden KID-Pixel- und Array-Designs zusammen mit Anzeigeelektronik entwickelt, die zum Auslesen großer Mengen von Bildelementen für niedrige Hintergrundstrahlung (typisch für astrophysikalische Anwendungen) und hohe Hintergrundstrahlung (typisch für Erdbeobachtungsanwendungen) erforderlich sind. Das SPACEKIDS-Team setzte zwei Labordemonstratoren zur Bewertung der KID-Array-Eigenschaften und Leistungsfähigkeit in Weltraumumgebung ein. Die erfolgverheißenden Resultate bereiten einer neuen Generation wissenschaftlicher Instrumente den Weg, die ein besseres Verständnis unseres Planeten und des Universums versprechen.

Schlüsselbegriffe

Weltraummissionen, kinetische Induktivitätsdetektoren, Ferninfrarot, Millimeterwellenlängen, SPACEKIDS

Kinetic Inductance Detectors – a New Imaging Technology for Observations In and From Space

Neue supraleitende Detektoren für zukünftige Weltraummissionen

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