Hogesnelheidscamera’s voor het Cherenkov Telescope Array: Nederlandse engineers bouwen mee

Op Tenerife is onlangs een hogesnelheidscamera getest die wordt ontwikkeld voor de Small-Sized Telescopes (SST’s) van het Cherenkov Telescope Array (CTA). De camera moet straks extreem korte lichtflitsen detecteren die ontstaan wanneer gammastraling de aardatmosfeer binnendringt.

De kern van de uitdaging is dat Cherenkov-straling slechts een miljardste seconde duurt. Om zulke signalen te registreren, is een camera nodig die op nanoseconde-niveau kan bemonsteren. Het huidige prototype legt 128 frames in serie vast, elk met een sluitertijd van 1 ns, wat neerkomt op een sampling rate van 1 gigasample per seconde per pixel.

De camera bevat 2048 pixels op basis van silicium-fotomultipliers (SiPM’s). Deze sensoren zijn ongevoelig voor magnetische velden en hebben een hoge detectie-efficiëntie voor zwakke lichtpulsen. Het modulaire ontwerp maakt onderhoud en toekomstige upgrades eenvoudiger.

Het gezichtsveld bedraagt 9 vierkante graden, groot genoeg om complete sterrenstelsels in één opname te monitoren. Daarmee kunnen onderzoekers efficiënter bronnen zoals de actieve sterrenstelsels Mrk 501 en Mrk 421 volgen – krachtige gamma-emittors op honderden miljoenen lichtjaren afstand.

Systeemarchitectuur en embedded oplossingen

De camera is meer dan alleen een sensorarray. Achter de beeldregistratie schuilt een complexe back-end elektronica, ontwikkeld onder leiding van Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY). Deze elektronica verwerkt de gigantische datastroom via embedded systemen die verantwoordelijk zijn voor:

• Triggering: selecteren van relevante Cherenkov-events uit de continue stroom achtergrondlicht.
• Timing: synchronisatie op sub-nanoseconde-niveau tussen meerdere telescopen, cruciaal voor triangulatie van de bron.
• Data-acquisitie: real-time buffering en overdracht van ruwe waveform-data naar centrale opslag voor verdere analyse.

Deze aanpak vereist robuuste high-speed verbindingen en fouttolerante architecturen, gezien de omstandigheden op afgelegen observatieplaatsen in de Atacama-woestijn.

Compact dubbelspiegelontwerp

De hogesnelheidscamera wordt geïntegreerd in een dubbelspiegel-telescoopontwerp met een primaire spiegel van 4,3 meter doorsnede. Dit optische concept maakt de telescoop compact en biedt een vlak brandvlak, wat de inzet van een relatief kleine maar krachtige camera mogelijk maakt.

In totaal worden er 70 SST’s gebouwd in het zuidelijk halfrond, waarvan 37 uitgerust met deze cameratechnologie. De telescopen dekken een energiebereik van enkele TeV tot 300 TeV en vullen daarmee de schaal aan tussen middelgrote en grote CTA-telescopen.

Nederlandse rol: hardware, software en integratie

Onderzoekers van de universiteiten van Groningen en Amsterdam (UvA en RUG) zijn nauw betrokken bij de ontwikkeling van zowel de hardware (zoals SiPM-modules) als de software voor signaalverwerking, kalibratie en besturing. Daarnaast nemen zij verantwoordelijkheid voor testen, validatie en onderhoud van de systemen.

Het prototype is in 2018/2019 al getest op de ASTRI-telescoop in Sicilië en wordt nu verder gevalideerd op Tenerife. De test richt zich niet alleen op beeldkwaliteit, maar vooral op de compatibiliteit van camera en telescoop, inclusief mechanische koppeling, datatransport en thermische stabiliteit.

Vooruitblik

Dit jaar nog moeten de eerste CTA-waarnemingen met de nieuwe camera’s plaatsvinden. Zodra het netwerk operationeel is, vormt het de meest gevoelige gammastralingstelescoop ter wereld, waarmee onderzoekers inzicht krijgen in de fysica van superzware zwarte gaten, pulsars en supernova-explosies.