A pesquisadora do Postbaccalaureate Isabella Brewer é membro da equipe que está criando um detector de raios gama de última geração chamado AstroPix. Créditos:NASA / Theresa Johnson
Os astrofísicos e engenheiros da NASA estão adaptando detectores usados por supercolliders terrestres e criando-os da mesma forma que as empresas de eletrônicos produzem todos os dispositivos de consumo modernos, incluindo telefones celulares e laptops.
A nova tecnologia de detector de silício com base em pixels pode ser usada em observatórios de raios gama de próxima geração para detectar fótons altamente energéticos que emanam dos eventos mais poderosos do universo, incluindo galáxias em colisão e buracos negros. Os novos detectores detectariam esses fótons de maneira muito parecida com uma câmera digital e usariam muito menos energia do que os atuais detectores baseados no espaço.
Supercolliders subterrâneos, que têm experimentos que empregam os mesmos detectores do tipo pixel de silício, acelera prótons e íons para perto da velocidade da luz em direções opostas em energias muito altas. Suas colisões são projetadas para recriar as condições que governaram o universo após o Big Bang. Embora altamente eficiente, a atual tecnologia de pixel de silício requer muita energia, o que seria um desafio se usado no espaço onde a energia é normalmente derivada de painéis solares.
Entrar no AstroPix
"O desafio é encontrar a melhor maneira de reduzir a quantidade de energia que o pixel precisa usar, já que os instrumentos em solo têm acesso a toda a energia que desejam, "disse Regina Caputo, um astrofísico do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, e um membro do programa Nancy Grace Roman Technology Fellowship da NASA. Ela é a principal investigadora do esforço de desenvolvimento de detectores de Goddard, chamado AstroPix.
Caputo e sua equipe, que inclui o astrofísico Jeremy Perkins de Goddard e a pesquisadora pós-bacharelado Isabella Brewer, inicialmente começaram seu trabalho com o apoio do programa de Pesquisa e Desenvolvimento Interno (IRAD) de Goddard. Desde então, a equipe garantiu o suporte para o desenvolvimento de tecnologia do programa Astrophysics Research and Analysis (APRA) da NASA.
Como a comunidade de física de partículas, Caputo está experimentando um processo de fabricação chamado semicondutor de óxido de metal complementar, ou CMOS, que o Laboratório de Propulsão a Jato da NASA aperfeiçoou para aplicações em voos espaciais. A indústria de semicondutores usa essa técnica para fazer dispositivos eletrônicos modernos. "Este processo nos permite não apenas coletar energia das partículas que entram no detector, mas também para amplificar seus sinais, todos no mesmo material detector. Isso torna esses detectores menos caros e barulhentos, "Caputo disse.
Com o prêmio APRA, Caputo e sua equipe estão projetando novos detectores de pixels otimizados para uso potencial no espaço. Eles enviaram sua primeira versão do AstroPix para uma fundição de semicondutores - as mesmas instalações que fabricam chips de computador - para fabricação.
"Esperamos ter o AstroPix de volta neste verão para testes, "disse ela." Isto é um progresso. "
Uma placa de ensaio de um sistema detector de raios gama que a investigadora principal Regina Caputo e sua equipe montaram para testar a tecnologia de detector de silício baseado em pixels. O detector real, fornecido pelo Argonne National Laboratory, é a peça retangular posicionada no tabuleiro vertical. O design final será feito sob medida e mais simples. Crédito:NASA / Theresa Johnson
Vantagens do detector
A vantagem do AstroPix é melhor ilustrada comparando-o com detectores voando no Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray. Fermi também usa detectores à base de silício, mas seus sensores são compostos de tiras de silício que são montadas em camadas. Essas camadas se cruzam perpendicularmente para criar uma grade que aponta os locais de partículas de alta energia criadas quando um raio gama atinge um detector.
Com AstroPix, Contudo, partículas seriam gravadas assim que entrassem em contato com um único pixel em vez de camadas de tiras de silício, dando ao detector a capacidade de criar um mapa dos caminhos das partículas com menos camadas.
"A tecnologia anterior de detecção de fita de silício passou por uma série de processos para converter cargas em sinais digitais, enquanto a nova tecnologia baseada em pixel pode fazer tudo de uma vez, uma vez que a leitura é integrada a cada pixel, Disse Caputo. Desta maneira, o detector de pixels reduziria suas necessidades de energia para funcionar melhor no espaço.
A equipe está testando o detector de pixels no laboratório de astrofísica em Goddard usando fontes radioativas, como cádmio, para o silício pixelado detectar. Os testes ajudam a determinar se a resolução de energia do detector de pixels é a mesma ou melhor do que os detectores de fita de silício. “Essas fontes podem reproduzir parcialmente os tipos de radiação encontrados no espaço, embora em uma dose muito menor, "Disse Brewer.
Se comprovado, missões futuras podem se beneficiar
A equipe do AstroPiX deve provar a eficácia desses detectores de pixel de silício antes que a tecnologia possa ser incorporada em uma futura missão de raios gama, Perkins disse. Na verdade, além de melhorar a sensibilidade à posição, resolução de energia, e menor consumo de energia, a tecnologia de detector de pixels seria facilmente a melhor escolha para qualquer missão de detecção de partículas porque são fáceis de produzir e baratos, especialmente em comparação com detectores de fita de silício.
