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eRosita: pnCCD machen den Röntgenhimmel sichtbar
14.02.2024
Nun wurden Daten der ersten Himmelsdurchmusterung durch das abbildende Röntgenteleskop eRosita an Bord des Spektrum-RG (SRG) Satelliten veröffentlicht. Das Ergebnis: Quellen von etwa 710 000 supermassereichen schwarzen Löchern in fernen Galaxien, über 180 000 aktive Sterne in unserer eigenen Milchstraße bis hin zu 12 000 Galaxienhaufen und eine kleine Anzahl anderer exotischer Quellen wie röntgenstrahlende Doppelsterne, Supernovaüberreste, Pulsare und andere Objekte. Die Basis für das neuartiges Detektorsystem ist die pnCCD-Technologie des Halbleiterlabors.
Der pnCCD-Detektor ermöglicht eine genaue Spektroskopie der Röntgenstrahlung sowie eine Abbildung mit hoher Zeitauflösung. Er basiert auf dem erfolgreichen XMM-Newton pnCCD-Detektorkonzept, wurde aber in Bezug auf Design und Technologie weiter verbessert. Die pnCDDs wurden neu konzipiert und in einer innovativen Technologie hergestellt. Dabei wurden modernste Entwicklungen wie die selbst alignierende CCD-Registertechnologie verwendet.
Der X-Ray Multi-Mirror (XMM-Newton) Satellit wurde 1999 von der Europäischen Weltraumagentur (ESA) gestartet. Insbesondere wurde dem Bildbereich ein Bildspeicherbereich hinzugefügt, um die gleichzeitige Aufnahme und das Auslesen in getrennten CCD-Bereichen zu ermöglichen. Die Dicke des gesamten pnCCD-Chips von 450 μm ist gleichmäßig empfindlich für Röntgenstrahlen von sehr niedrigen bis zu sehr hohen Energien. Die Röntgenphotonen-Detektionseffizienz liegt bei mindestens 90 % im Energieband von 0,3 keV bis 10 keV. Der Bildspeicherbetrieb ermöglicht sehr hohe Bildraten von bis zu 200 Röntgenbildern pro Sekunde ohne Bildverschmierung.
Die eRASS1-Beobachtungen (eROSITA-All-Sky-Survey-Katalog) mit dem eROSITA-Teleskop wurden vom 12. Dezember 2019 bis zum 11. Juni 2020 durchgeführt. Im empfindlichsten Energiebereich der eROSITA-Detektoren (0,2-2 keV) entdeckte das Teleskop 170 Millionen Röntgenphotonen, für die die Kameras die ankommende Energie und Ankunftszeit genau messen können.
Eine Weiterentwicklung der eRosita-pnCCDs des HLL hat jetzt die Erde verlassen. Die Raumsonde Einstein Probe der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) hob am 9. Januar 2024 mit einer Chang Zheng 2C-Rakete vom Xichang Satellite Launch Centre in China ab.
Nach dem Start erreichte die Einstein-Sonde ihre Umlaufbahn in einer Höhe von etwa 600 Kilometer. Die Sonde umkreist die Erde alle 96 Minuten mit einer Bahnneigung von 29 Grad und ist in der Lage, in nur drei Umläufen fast den gesamten Nachthimmel zu beobachten.
pnCCDs, die am Max-Planck-Halbleiterlabor entwickelt und produziert werden, sind Sensoren für die Licht- und Teilchendetektion. Sie kommen in Satelliten für die Röntgenastronomie, für die neue Halbleitersensoren benötigt werden, zum Einsatz. Sie ermöglichen die Nachweisschwelle für weiche Röntgenstrahlung. pnCCDs können auf die Bedürfnisse der Röntgenspektroskopie und der Röntgenphotonenzählung zugeschnitten werden. In ihnen sind die Speicherkondensatoren mit pn-Übergängen anstelle von MOS-Strukturen aufgebaut. Dadurch entfällt die empfindliche Silizium-Siliziumdioxid-Grenzfläche, wodurch ein pn-CCD intrinsisch strahlungshärter ist. In den vergangenen drei Jahrzehnten hat das HLL viele Versionen von pn-CCDs entwickelt und produziert, hauptsächlich für die Anwendungsgebiete der satellitengestützten Röntgenspektroskopiekameras (XMM-Newton, eRosita, Einstein Probe) und der Materialwissenschaften (CAMP, LAMP). Das Design und die Technologie von pnCCDs wird immer weiter entwickelt. Zuletzt wurden, zu die selbst alignierende CCD-Registertechnologie, neue niederohmige Registerbusverbindung mit Polysilizium verwendet, die einen wesentlich schnelleren Ladungstransfer vom Sensor in den Bildspeicherbereich ermöglicht.