RIVELATORI PER LO SPAZIO dall ’ IR all ’ UV Emanuele Pace Dip.Fisica e Astronomia - Università di Firenze Corso di Tecnologie Spaziali A.A. 2015-2016.

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1 RIVELATORI PER LO SPAZIO dall ’ IR all ’ UV Emanuele Pace Dip.Fisica e Astronomia - Università di Firenze Corso di Tecnologie Spaziali A.A. 2015-2016

2 2 Detectors ideali per lo spazio Very low noise Radiation hardness Solar blindness Chemical inertness High sensitivity REQUESTS Large area E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

3 3 Charge Coupled Devices (CCD) CCD di EIT/SOHO E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

4 4 CCD – pixel E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

5 5 pixel boundary Charge packet p-type silicon n-type silicon SiO2 Insulating layer Electrode Structure pixel boundary incoming photons E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

6 6 Misurare la carica elettrica E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

7 7 On-chip amplifier at end of the serial register Cross section of serial register Image Area Serial Register CCD chip structure E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

8 8 Connection pins Gold bond wires Bond pads Silicon chip Metal,ceramic or plastic package Image area Serial register On-chip amplifier CCD chip structure E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

9 9 Wafer di CCD E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

10 10 HST/ACS Image courtesy of Ball Aerospace & Technologies Corp. E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

11 11 HST/ACS E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

12 PROBLEMI Fattori geometrici:  disassamento delle CCD,  presenza di gap insensibili alla radiazione tra una CCD e l’altra Perdita di uniformità nella risposta (ogni CCD ed amplificatore ha una propria risposta) aumento della complessità del circuito di acquisizione e del trattamento dati Cross-talk tra i vari amplificatori Mosaici di CCD

13 NOAO mosaic (2kx4k x8CCD) at KPNO telescope M 33 Singola immagine Dithering di 5 immagini con correzione dei “bad pixel” Correzioni

14 Disassamento Vista ortogonale al piano ottico difetti correggibili a posteriori dopo l’acquisizione Gap corretti con “dithering” corretto usando WCS (World Coord. System) Fattori geometrici

15 Vista del piano ottico correzioni da effettuare prima della messa in funzione del CCD Spessore che deve essere minore della profondità di campo dell’ottica Rif: “Performance of the CFH12K. A 12k by 8k mosaic camera for the CFHT prime focus” J-C Cuillandre La necessità di correggere l’inclinazione dei CCD dipende dalla dimensione del pixel e dalla profondità di campo dell’ottica Geometria: disassamento

16 Per la realizzazione di immagini astrometriche la presenza dei gap produce vuoti nell’immagine realizzata. CCD mosaico con gap NGC 3486 Dithering

17 Si risolve acquisendo più immagini dello stesso oggetto leggermente traslate l’una rispetto all’altra. NGC 3486 Dithering

18 In questo modo possono essere mascherati altri problemi cosmetici quali pixel e colonne non funzionanti. (bad pixels mask) NGC 3486 Rif: “The reduction of CCD mosaic data” F.G. Valdes – Automated Data Analysis in Astronomy Dithering

19 KPNO mosaic 8kx8k (FLAT FIELD) La correzione riguarda 1.guadagno 2.electronic bias 3.zero level exposure 4.dark counts 5.flat field Rif: “The NOAO Mosaic data handling system”, D. Tody Perdita di uniformità

20 Immagini mirror immagine grezza immagine corretta Immagine mirror NOAO mosaic II (2kx4k x8CCD)at CTIO Blanco telescope Cross-talk tra amplificatori

21 21 Sensibilità nel lontano UV Il quantum yield aiuta N e = E  (eV) / 3.65 eV DEQE = N e  E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

22 22 Lunghezza di assorbimento nel silicio E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

23 23 Sensibilità nel lontano UV Back illumination Wafer thinning Ion implantation Laser annealing E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

24 24 CCD – efficienza quantica E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

25 25 CCD – risposta spettrale E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

26 26 Dark current Corrente di perdita dei fotorivelatori, i.e., la corrente non indotta da fotogenerazione Limita la dinamica dei fotorivelatori: –Riduce l ’ ampiezza del segnale –Introduce un rumore (shot) non eliminabile con densità spettrale –Può variare molto da punto a punto in un rivelatore d ’ immagini causando il fixed pattern noise Cresce con la temperatura, poiché la concentrazione di portatori intrinseci aumenta in modo proporzionale a E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

27 27 Rumore termico Generato dal moto degli elettroni indotto dalla temperatura in regioni resistive ha valor medio nullo, banda spettrale larga e piatta, distribuzione gaussiana dei valori e densità spettrale E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

28 28 Raffreddare…. La corrente di buio e il rumore termico dipendono fortemente dalla temperatura Per ridurne il contributo è necessario e sufficiente raffreddare il sensore. La temperatura di raffreddamento dipende dalle caratteristiche strutturali ed elettriche del rivelatore E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

29 29 Raffreddamento Passivo Radiatori. Pannelli esterni che irraggiano secondo la legge di Stefan Liquidi criogenici. Dewars contenenti elio liquido o neon solido Attivo TEC. Thermo-Electric Coolers basati su effetto Peltier Stirling cycle. Criogeneratori che usano elio o azoto gas per liquefarlo E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

30 30 Schermi termici E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

31 31 Alcuni esempi di missione MissionCoolerTempHeat liftMassLifetime UARS/ISAMS2 x Stirling80 K0.5 W5 kg3 years IRASHelium cryogen4 KN/A70 kg300 days STS/BETSESorption10 K100 mW10 mins Cassini/CIRSRadiator80 K200 mW2.5 kgUnlimited EOS/AIRS2 x Pulse tube55 K1.63 W35 kg 50,000 hrs HST/NICMOSRev. Brayton65 K8 W2 years E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

32 32 CMOS - APS E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

33 33 Limiti dei CMOS - APS Formati ancora ridotti rispetto ai CCD Readout noise elevato Bassa efficienza quantica (< 50%) Basso filling factor (circa 50%) Limitato range dinamico (12 bits in analog mode) Range spettrale limitato al visibile Ref. N. Waltham, RAL, UK E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

34 34 CMOS APS back illuminated @ RAL Sviluppo di rivelatori CMOS UV sensitive and rad hard 4k x 3k CMOS APS (sinistra) e la versione back-thinned (destra). E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

35 35 SOLAR ORBITER Lancio: maggio 2015 Orbita: Ellittica intorno al Sole con inclinazione crescente fino ad un massimo di 35° rispetto all’equatore solare. Obiettivi: fare immagini ad altissima risoluzione e misure in-situ ravvicinate La missione: avvicinandosi a 45 raggi solari, il Solar Orbiter esaminerà l’atmosfera solare con risoluzione spaziale di circa 100 km per pixel. Sul lungo periodo, il Solar Orbiter invierà immagini e dati sulle regioni polari e 3D del globo. E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

36 Hybrid detectors HgCdTe (MCT) E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 36

37 E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 37

38 CdZnTe (CZT) detectors E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 38

39 39 MCP – principio di funzionamento Micro-tubo (diam. Tip. 10  m) Vetro piombato Alimentazione di 1 kV ai capi Efficienza typ. < 10% E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

40 40 MCP – struttura E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

41 41 MCP readout overview MCP+phosphor screen+imaging sensor Best spatial resolution High GDR (> MHz) Limited LDR ≤ 100 ct/s (XMM OM, SWIFT UVOT, ASTROSAT UVIT, …) HST STIS Low GDR (~10 KHz) FUSE GDR ~1 MHz SOHO, IMAGE, COS, CHIPS, GALEX Warning: geometric distortions, count rate dependent Warning: FEE complex, need ASICs GDR < 200 KHz Courtesy of Michela Uslenghi, IASF Milano E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

42 42 Fotocatodi E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

43 43 Anodi Wedge and strips Delay lines E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

44 44 MCP e anodi di lettura E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

45 45 MCP e anodi: montaggio E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

46 46 ICCD – principio di funzionamento E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

47 47 Intensified CCD E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

48 48 MCP: vantaggi 1.Lavora in photon counting mode; il “ readout noise ” è virtualmente nullo 2.Low background noise: dark counts < 5 counts/cm 2 s @20°C nell ’ NUV, assumendo un pixel quadrato di15 m si hanno < 1.110 -5 counts/pixels 3.Queste caratteristiche non si degradano con il radiation damage 4.Lunghe tempi di osservazione di oggetti deboli senza interruzione (don ’ t need multiple exposures for cosmic ray rejection) 5.Photon time tag mode, risoluzione temporale al s (dipende dal sistema di readout) 6.Disponibili solar blind photocathodes e non servono filtri per i red-leaks. Inoltre, è possibile fare misure senza filtri fotometrici, usando le bande definite dai fotocatodi 7.Non richiede sistemi di raffreddamento E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

49 49 DLL/MCP ALICE Detector Assembly E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

50 50 GALEX E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

51 51 FUSE E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV