La chercheuse post-baccalauréat Isabella Brewer est membre de l'équipe qui crée un détecteur de rayons gamma de nouvelle génération appelé AstroPix. Crédits :NASA/Theresa Johnson
Les astrophysiciens et les ingénieurs de la NASA adaptent les détecteurs utilisés par les supercollisionneurs terrestres et les créent de la même manière que les entreprises d'électronique produisent tous les appareils grand public modernes, y compris les téléphones portables et les ordinateurs portables.
La nouvelle technologie de détecteur au silicium à base de pixels pourrait être utilisée sur les observatoires à rayons gamma de nouvelle génération pour détecter des photons hautement énergétiques émanant des événements les plus puissants de l'univers, y compris les collisions de galaxies et de trous noirs. Les nouveaux détecteurs détecteraient ces photons un peu comme un appareil photo numérique et utiliseraient beaucoup moins d'énergie que les détecteurs spatiaux actuels.
supercollisionneurs souterrains, qui ont des expériences utilisant les mêmes détecteurs de type pixel au silicium, accélérer les protons et les ions à une vitesse proche de la vitesse de la lumière dans des directions opposées à des énergies très élevées. Leurs collisions sont conçues pour recréer les conditions qui ont régi l'univers après le Big Bang. Bien que très efficace, la technologie actuelle des pixels de silicium nécessite beaucoup de puissance, ce qui serait un défi s'il était utilisé dans l'espace où l'énergie est normalement dérivée de panneaux solaires.
Entrez AstroPix
"Le défi est de trouver le meilleur moyen de réduire la quantité d'énergie que le pixel doit utiliser puisque les instruments au sol ont accès à toute la puissance qu'ils veulent, " a déclaré Regina Caputo, un astrophysicien au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, et membre du programme Nancy Grace Roman Technology Fellowship de la NASA. Elle est la chercheuse principale de l'effort de développement de détecteurs de Goddard appelé AstroPix.
Caputo et son équipe, qui comprend l'astrophysicien Goddard Jeremy Perkins et la chercheuse post-baccalauréat Isabella Brewer, ont commencé leurs travaux avec le soutien du programme de recherche et développement interne de Goddard (IRAD). L'équipe a depuis obtenu un soutien au développement technologique du programme de recherche et d'analyse en astrophysique de la NASA (APRA).
Comme la communauté de la physique des particules, Caputo expérimente un procédé de fabrication appelé semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire, ou CMOS, que le Jet Propulsion Laboratory de la NASA a peaufiné pour les applications de vol spatial. L'industrie des semi-conducteurs utilise cette technique pour fabriquer des appareils électroniques modernes. "Ce processus nous permet non seulement de collecter l'énergie des particules qui pénètrent dans le détecteur, mais aussi d'amplifier leurs signaux tous dans le même matériau détecteur. Cela rend ces détecteurs moins coûteux et moins bruyants, " dit Caputo.
Avec le prix APRA, Caputo et son équipe conçoivent de nouveaux détecteurs de pixels optimisés pour une utilisation potentielle dans l'espace. Ils ont envoyé leur première version d'AstroPix à une fonderie de semi-conducteurs - les mêmes installations qui fabriquent des puces informatiques - pour la fabrication.
"Nous espérons récupérer AstroPix cet été pour des tests, " dit-elle. " C'est un progrès. "
Une maquette d'un système de détecteur de rayons gamma que la chercheuse principale Regina Caputo et son équipe ont assemblé pour tester la technologie des détecteurs au silicium à base de pixels. Le vrai détecteur, fourni par le Laboratoire National d'Argonne, est la pièce rectangulaire positionnée sur la planche verticale. La conception finale sera faite sur mesure et plus simple. Crédit :NASA/Theresa Johnson
Avantages du détecteur
L'avantage d'AstroPix est mieux illustré en le comparant aux détecteurs volant sur le télescope spatial à rayons gamma Fermi. Fermi utilise également des détecteurs à base de silicium, mais ses capteurs sont constitués de bandes de silicium assemblées en couches. Ces couches se croisent perpendiculairement pour créer une grille qui localise les emplacements des particules de haute énergie créées lorsqu'un rayon gamma frappe un détecteur.
Avec AstroPix, cependant, les particules seraient enregistrées une fois qu'elles entreraient en contact avec un seul pixel au lieu des couches de bande de silicium, donnant au détecteur la possibilité de créer une carte des chemins des particules avec moins de couches.
« La technologie de détection de bande de silicium précédente passait par une série de processus pour convertir les charges en signaux numériques, tandis que la nouvelle technologie basée sur les pixels peut tout faire à la fois puisque la lecture est intégrée à chaque pixel, dit Caputo. De cette façon, le détecteur de pixels réduirait ses besoins en énergie pour fonctionner au mieux dans l'espace.
L'équipe teste le détecteur de pixels dans le laboratoire d'astrophysique de Goddard à l'aide de sources radioactives, comme le cadmium, pour le silicium pixelisé à détecter. Les tests aident à déterminer si la résolution énergétique du détecteur de pixels est la même ou meilleure que celle des détecteurs à bande de silicium. "Ces sources peuvent reproduire partiellement les types de rayonnements trouvés dans l'espace, bien qu'à une dose beaucoup plus faible, ", a déclaré Brewer.
Si prouvé, les futures missions peuvent bénéficier
L'équipe AstroPiX doit prouver l'efficacité de ces détecteurs à pixels de silicium avant que la technologie puisse être intégrée dans une future mission de rayons gamma, dit Perkins. En réalité, en plus d'une sensibilité de position améliorée, résolution énergétique, et une consommation d'énergie réduite, la technologie des détecteurs de pixels serait facilement le meilleur choix pour toute mission de détection de particules car ils sont faciles à produire et peu coûteux, surtout par rapport aux détecteurs à bande de silicium.
