Welche Teleskope verwendeten 1000+ Pixel Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKIDs) für multispektrale Einzelphotonenzählung (Zeit + Energie von Photonen)?

Diese hervorragende Antwort auf Wie würde das „nächste GAIA“-ähnliche Instrument aussehen? Könnte es einfach eine 3- bis 5-fach vergrößerte Version desselben schönen Systems sein? Es lohnt sich, es gründlich durchzulesen, aber es und natürlich das darin zitierte Papier argumentieren im Wesentlichen, dass das nächste GAIA-ähnliche Instrument eher weiter zu NIR verschoben wird als eine vergrößerte Kopie des aktuellen GAIA.

Das Bild unten zeigt die vorgeschlagene Fokusebene von „GaiaNIR“ mit langwelligen Cutoffs im Bereich von 800 bis 1600 nm. Die kurzwellige Grenze beträgt für alle 400 nm.

Das Papier skizziert vier Technologien, die für die Bildsensoren in Betracht gezogen werden könnten, da viele eine Empfindlichkeit erfordern, die weit außerhalb der Bandlückengrenze von Silizium von etwa 1100 nm liegt.

Der Vollständigkeit halber sind hier alle vier, aber meine Frage konzentriert sich auf Nr. 4 (MKIDs).

1. Eine Hybridlösung, die eine HgCdTe-NIR-Detektorschicht verwendet, die mit einem Si-CCD verbunden ist. Die Idee ist, dass die Photonen in der Oberflächen-NIR-Schicht detektiert und an jedem Pixel zu dem vergrabenen Si-Kanal übertragen werden. Ladung kann dann leicht entlang der Pixel synchron mit der Ladungserzeugung bewegt werden, wodurch TDI erreicht wird. Was noch nicht bekannt ist, ist, wie effizient die Ladung von der NIR-Detektionsschicht auf das Si-CCD übertragen werden kann und ob beide Materialien bei der gleichen Temperatur in einer Weltraumumgebung betrieben werden können, was diese Entwicklung möglicherweise komplex macht.
2. Verwendung von HgCdTe-Avalanche-Fotodioden (APDs) mit TDI-ähnlicher Signalverarbeitungsfähigkeit. Die Herausforderung besteht hier darin, die vorhandene Technologie auf großformatige Arrays zu skalieren und sicherzustellen, dass der Dunkelstrom bei Temperaturen über 100 K kein unerwünschtes Rauschen einführt. Die Australia National University entwickelt diese Technologie in Zusammenarbeit mit Leonardo (Italien) aktiv für großformatige astronomische Anwendungen und sind gerne dabei. Der Entwicklungsaufwand für diese Geräte erscheint nicht übertrieben.
3. Ge-Detektoren können aufgrund der geringeren Bandlücke NIR-Strahlung mit längeren Wellenlängen erfassen, als dies mit Si-Detektoren möglich ist. Natürlich ist diese Technologie neu, aber viele der für Si entwickelten Herstellungstechniken sind auch auf Ge anwendbar, und es bedarf weiterer Entwicklung, um zu sehen, ob sie für rauscharme und sichtbare NIR-Fähigkeiten in großformatigen Arrays verwendet werden können. Der Wellenlängenbereich ist jedoch auf 1600 nm begrenzt.
4. Kinetische Mikrowellen-Induktivitätsdetektoren (MKIDs) sind gekühlte, multispektrale, Einzelphotonen zählende Multiplex-Geräte, die im UV- bis mittleren IR-Bereich beobachtet werden können. Sie messen die Energie jedes Photons mit einer Genauigkeit von mehreren Prozent und protokollieren die Ankunftszeit mit einer Genauigkeit von 2 Mikrosekunden, was sie ideal für einen TDI-ähnlichen Betrieb macht. Während relativ neue, kleine MKID-Arrays (mehrere tausend Pixel) bereits auf bodengestützten Teleskopen verwendet wurden, ist der Übergang zu weltraumgestützten Gigapixel-Geräten sehr schwierig, da sie auch eine aktive Kühlung erfordern, was unerwünscht ist.

Diese Liste erscheint auch in Ref. 109 Astro2020-Aktivität, Weißbuch zum Stand der Berufserwägung (APC): All-Sky Near Infrared Space Astrometry. Überlegungen zum Stand der Technik: Entwicklung scannender NIR-Detektoren für die Astronomie .

Frage: Welche bodengestützten Teleskope haben Tausend-Pixel-Mikrowellen-Kinetik-Induktivitätsdetektoren (MKIDs) für die multispektrale Einzelphotonenzählung verwendet, die sowohl die Ankunftszeit als auch die Energie einzelner Photonen misst? Wie gut haben sie abgeschnitten?

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Vorgeschlagene Focal-Plane-Array- und Filterbänder, die in der GaiaNIR-CDF-Studie verwendet werden (siehe Seite 203 in https://sci.esa.int/s/8a65kZA ). Das Array besteht aus 60 NIR-Detektoren, angeordnet in 7 Cross-Scan-Reihen und 9 Along-Scan-Streifen (davon 8 für den astrometrischen/photometrischen Bereich, aufgeteilt in 4 photometrische Felder (d.h. 4 verschiedene Grenzwellenlängen jeweils ab ∼ 400 nm) Das neue Array ist weniger als halb so groß wie das von Gaia