La investigadora de posgrado Isabella Brewer es miembro del equipo que crea un detector de rayos gamma de próxima generación llamado AstroPix. Créditos:NASA / Theresa Johnson
Los astrofísicos e ingenieros de la NASA están adaptando los detectores utilizados por los supercolisionadores terrestres y creándolos de la misma manera que las empresas de electrónica producen todos los dispositivos de consumo modernos. incluyendo teléfonos celulares y laptops.
La nueva tecnología de detector de silicio basada en píxeles podría usarse en observatorios de rayos gamma de próxima generación para detectar fotones altamente energéticos que emanan de los eventos más poderosos del universo. incluyendo galaxias en colisión y agujeros negros. Los nuevos detectores detectarían estos fotones como una cámara digital y usarían mucha menos energía que los detectores espaciales actuales.
Supercolombinos subterráneos, que tienen experimentos que emplean los mismos detectores de silicio de tipo píxel, aceleran los protones y los iones a una velocidad cercana a la de la luz en direcciones opuestas a energías muy altas. Sus colisiones están diseñadas para recrear las condiciones que gobernaron el universo después del Big Bang. Aunque altamente eficiente, La tecnología actual de píxeles de silicio requiere mucha potencia, lo cual sería un desafío si se usara en el espacio donde la energía normalmente se deriva de paneles solares.
Entrar en AstroPix
"El desafío es encontrar la mejor manera de reducir la cantidad de energía que necesita usar el píxel, ya que los instrumentos en el suelo tienen acceso a toda la energía que desean, "dijo Regina Caputo, un astrofísico en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, y miembro del programa de becas de tecnología Nancy Grace Roman de la NASA. Ella es la investigadora principal del esfuerzo de desarrollo de detectores de Goddard llamado AstroPix.
Caputo y su equipo, que incluye al astrofísico de Goddard Jeremy Perkins y a la investigadora de posgrado Isabella Brewer, Inicialmente comenzaron su trabajo con el apoyo del programa de Investigación y Desarrollo Internos (IRAD) de Goddard. Desde entonces, el equipo ha obtenido el apoyo para el desarrollo de tecnología del programa de Investigación y Análisis Astrofísico (APRA) de la NASA.
Como la comunidad de física de partículas, Caputo está experimentando con un proceso de fabricación llamado semiconductor de óxido metálico complementario, o CMOS, que el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA perfeccionó para aplicaciones de vuelos espaciales. La industria de los semiconductores utiliza esta técnica para fabricar dispositivos electrónicos modernos. "Este proceso nos permite no solo recolectar energía de las partículas que ingresan al detector, sino también para amplificar sus señales en el mismo material detector. Esto hace que estos detectores sean menos costosos y ruidosos, "Dijo Caputo.
Con el premio APRA, Caputo y su equipo están diseñando nuevos detectores de píxeles optimizados para su uso potencial en el espacio. Han enviado su primera versión de AstroPix a una fundición de semiconductores, las mismas instalaciones que fabrican chips de computadora, para su fabricación.
"Esperamos recuperar AstroPix este verano para realizar pruebas, ", dijo." Esto es progreso ".
Una placa de un sistema detector de rayos gamma que la investigadora principal Regina Caputo y su equipo ensamblaron para probar la tecnología de detección de silicio basada en píxeles. El detector real, proporcionado por el Laboratorio Nacional Argonne, es la pieza rectangular colocada en el tablero vertical. El diseño final será personalizado y más sencillo. Crédito:NASA / Theresa Johnson
Ventajas del detector
La ventaja de AstroPix se ilustra mejor comparándola con los detectores que vuelan en el telescopio espacial de rayos gamma Fermi. Fermi también utiliza detectores basados en silicio, pero sus sensores están compuestos por tiras de silicona que se ensamblan en capas. Estas capas se cruzan perpendicularmente para crear una cuadrícula que señala las ubicaciones de las partículas de alta energía creadas cuando un rayo gamma golpea un detector.
Con AstroPix, sin embargo, las partículas se grabarían una vez que contactaran con un solo píxel en lugar de las capas de tiras de silicio, dando al detector la capacidad de crear un mapa de las trayectorias de las partículas con menos capas.
"La tecnología anterior de detección de tiras de silicio pasó por una serie de procesos para convertir cargas en señales digitales, mientras que la nueva tecnología basada en píxeles puede hacerlos todos a la vez, ya que la lectura está integrada con cada píxel, Dijo Caputo. De este modo, el detector de píxeles reduciría sus necesidades de energía para funcionar mejor en el espacio.
El equipo está probando el detector de píxeles en el laboratorio de astrofísica de Goddard utilizando fuentes radiactivas, como el cadmio, para que el silicio pixelado lo detecte. Las pruebas ayudan a determinar si la resolución de energía del detector de píxeles es igual o mejor que la de los detectores de tiras de silicio. "Estas fuentes pueden reproducir parcialmente los tipos de radiación que se encuentran en el espacio, aunque a una dosis mucho menor, "Dijo Brewer.
Si se prueba, las misiones futuras pueden beneficiarse
El equipo de AstroPiX debe demostrar la efectividad de estos detectores de píxeles de silicio antes de que la tecnología pueda incorporarse en una futura misión de rayos gamma. Dijo Perkins. De hecho, además de una sensibilidad de posición mejorada, resolución energética, y menor consumo de energía, La tecnología de detección de píxeles sería fácilmente la mejor opción para cualquier misión de detección de partículas porque son fáciles de producir y económicas. especialmente en comparación con los detectores de tiras de silicona.
