RadNet un network INFN delle facilities nazionali di interesse per la misura della resistenza al danno da radiazione di dispositivi e sistemi elettronici D.Bisello, CNTT, 22 aprile 2015

Radiazioni vs dispositivi elettronici Gli effetti delle radiazioni sono un pericolo costante per il funzionamento di dispositivi e sistemi elettronici e optoelettronici (E/O) e possono esserlo per materiali ottici, plastiche, colle, etc. Le radiazioni producono nei dispostivi e nei sistemi E/O: danni cumulativi, come il deposito di carica negli strati isolanti (TID) o il danno nel reticolo cristallino dei semiconduttori (TDD), che determinano un progressivo deterioramento delle prestazioni, eventi singoli di danneggiamento (SEE), che possono essere a loro volta recuperabili o distruttivi.

Il TID, danno dovuto all’accumulo di carica negli isolanti, può essere simulato con l’uso di sorgenti X, sorgenti gamma o ad acceleratori di elettroni (di bassa energia) Il TDD, danno reticolare, è trascurabile nei dispositivi CMOS, ma può assumere grande rilevanza nei componenti opto elettronici: Danno da radiazioni: effetti cumulativi tale danno viene studiato con protoni anche di energia relativamente bassa. Fondamentale nei rivelatori a semiconduttore. irradiated shielded

La sensibilità a SEE è misurata in funzione della carica depositata da una singola particella (LET) sul dispositivo. Si usano a tal fine fasci di ioni (O protoni e neutroni). Il LET si varia mutando la specie ionica o l’energia dei fasci o l’angolo di incidenza sul dispositivo. Il range dello ione dev’essere alto (in applicazioni spaziali > 40  m (ESA) o anche >50  m (NASA) per dispositivi di potenza). Servono acceleratori in grado di fornire molte specie ioniche ad alta energia Danno da radiazioni: eventi singoli CMOS SRAM Cell

Ai grandi colliders Presso gli impianti nucleari Nello spazio Ma anche nella vita di tutti i giorni dove se i livelli di radiazione sono più bassi, però è enorme il numero di dispositivi e sistemi elettronici Dove é la radiazione? Ovunque, ma specialmente:

Nei prossimi anni di sarà una forte attività di studio e validazione per gli upgrade degli esperimenti per HL-LHC L’INFN ha gli acceleratori che servono per tali validazioni Nel mondo c’è una generale carenza di centri di irraggiamento Le Agenzie Spaziali (in Italia ASI) e le ditte interessate all’attività spaziale sono alla ricerca di centri di irraggiamento Interesse INFN: validazione di elettronica e detectors

Solar flare electrons, protons, and heavy ions Galactic and extra- galactic cosmic rays Trapped particles Solar flare neutrons and  -rays Space is full of energetic particles with damaging potential (TID, DDD, SEE): some are deflected when their magnetic rigidity is small enough, others are magnetically trapped in Van Allen belts. Spazio: l’ambiente spaziale

Protons (keV ÷ 500 MeV) Ions (few 10 MeV/amu) SEE, TID, NIEL Solar events Protons and Ions of high Z and Energy (up to eV, max near 300 MeV/amu ) SEE Cosmic rays Protons (keV ÷ 500 MeV) SEE, TID, NIEL Electrons (eV ÷ 10 MeV) TID Trapped radiation Sazio: sorgenti di radiazione ed effetti sull-elettronica

Gli apparati a LHC sono sottoposti a livelli di radiazione (TID, TDD e SEE) che variano da frazioni a migliaia di volte quelle sperimentate dalle missioni spaziali standard. 7m Assieme al danno cumulativo, particelle che possono generare SEE sono generate ad ogni interazione. HL - LHC HEP e spazio, una comparazione CMS (LHC)

Single Event Effects: non solo spazio o colliders

15 km altitude Max particles density Under 20 km altitude neutrons dominate as cause of SEE in avionic systems! Feature size [μm] Critical charge [pC] SEE: presenti anche al suolo e in atmosfera!

ESA ha 3 Laboratori di riferimento, Louvain, PSI e Jyväskylä, dove ha contribuito alle spese di costruzione di linee di irraggiamento e presso i quali garantisce la dosimetria ESA acquista tempo macchina presso tali Laboratori che poi ridistribuisce tra le ditte che lavorano per ESA Ditte o Laboratori che eseguono misure fuori da questi laboratori devono autocertificarsi Cosa esiste per lo spazio in Europa?

sorgenti gamma, macchine radiogene fasci di elettroni a BTF fasci di protoni (da 100 keV a 230 MeV) fasci di ioni neutroni in futuro (anche di alta energia con la fase  di SPES) gruppi di rinomanza mondiale nello studio del danno da radiazione (Bergamo/Pavia, Padova, al.) WARNING: nel campo delle sorgenti gamma e dei neutroni da reattore c’è una consolidata presenza ENEA. Cosa può offrire l’INFN?

Tandem: protoni < 28 MeV, ioni Tandem+ALPI alto LET, alto range CN: protoni < 7 MeV, neutroni AN2000: protoni e α < 2 MeV impiantatore ionico: protoni < 100 keV SPES (in progetto): neutroni e protoni < 70 MeV Microbeam capability at TANDEM & AN2000 Laboratori Nazionali di Legnaro

14 MV Tandem accelerator. 2 irradiation chambers, online dosimetry. Remote controlled µm 3 axis stage. Standard ESA sample holder. Auto-shutter at programmed dose. Ioni pesanti e camera ESA a Legnaro

CS: protoni < 100 MeV, LET/range Tandem: protoni e ioni come LNL Laboratori Nazionali del Sud

Laboratori Nazionali di Frascati: Beam Test Facility

LABEC Firenze: protoni/ioni (3 MV) TIFPA Trento: protoni < 230 MeV CNAO: protoni 400 MeV/amu Napoli (Univ.): protoni/ioni (3 MV) LENA (Pavia): neutroni da reattore Altri laboratori INFN (o partecipanti) CNAO synchrotron (Pavia)

ogni centro INFN ha regole autonome per l’accesso ESA finora ha stretto accordi con i singoli laboratori anziché con INFN nel suo complesso le industrie giungono ai centri tramite reti di contatti e non in base alla scelta del miglior centro gli irraggiamenti fatti per LHC et al. in generale non sono stati contabilizzati come finanziamento INFN (altri Paesi sì). Accesso ai centri INFN: stato attuale

La sperimentazione a HL-LHC (ed altri esp.) richiederà nei prossimi anni un lavoro massiccio di studio e validazione di rivelatori e dispositivi elettronici Può essere fatto altrove o in casa, magari contabilizzando le spese nei cost-books degli esperimenti. Ma occorre investire in attrezzature e personale Va bene anche per il futuro? Due novità

ASI ha deciso di essere l’interfaccia di ESA in Italia anche nel campo della validazione per lo spazio Per tale attività ASI intende appoggiarsi sulle strutture INFN (+ CNR ed ENEA) Le norme ASI/ESA di qualità dei fasci e dosimetria richiedono una standardizzazione dei sistemi di dosimetria Di nuovo fondi per strutture e personale di fronte a finanziamenti ASI/ESA Seconda novità

E’ possibile accettare queste sfide? LNL e LNS ritengono l’attività di validazione (e studio) importante ma non hanno personale dedicato A LNS l’attività è stata portata avanti da ditte esterne (MAPRAD, IMT) A LNL l’attività è portata avanti da un gruppo UNIPD/INFN PD LNF e TIFPA stanno per iniziare Occorre investimenti in personale (e anche attrezzature) C’è l’interesse della Presidenza INFN

Creazione di una rete analoga a CHNet con un struttura di coordinamento riconosciuta dall’INFN per: centralizzare l’informazione (portale) per Enti e l’industria standardizzare la dosimetria dei centri elaborare regole comuni di accesso ai centri studiare schemi di convenzione con centri non di diretta competenza INFN fungere da organo di consulenza tecnica per la stesura di protocolli di intesa (ex. ASI/ESA-INFN) essere l’interlocutore con la Presidenza, assieme ai Laboratori e la CNTT, per le regole di distribuzione dei proventi derivanti dall’attività di validazione Un programma a breve termine

Back-up slides

Colliders: ATLAS neutron equivalent fluence

Comparazione tra CMS (LHC) e spazio, hadrons flux

Space hazard: Galactic Cosmic Rays (GCRs)

Top Six predicted challenges from a NASA perspective

Improved access to High Henergy Heavy Ions

Main radiation effects in electronic components

Study from 2000: space LET coverage

Not enough beamtime at existing Heavy Ions facilities