Radiation from Space and in Atmosphere: where to test (and work) in Europe? Andrea Candelori Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Padova 1

Outline: some European irradiation facilities 1) European Space Agency (ESA) -RADEF (Finland) -HIF (Belgium) -PIF (Switzerland) 2) Chipir at ISIS (UK) 3) Charm at CERN (Switzerland) 2

Le principali caratteristiche dei raggi cosmici galattici sono sintetizzate, per confronto, nella seguente tabella. Galactic cosmic rays Solar cosmic rays Space Radiation Environment 3

Which is the value of L for the maximum proton fluence? Which is the value of L for the maximum electron fluence? Which is the L vales for the vacuum region? Van Allen Belts Space Radiation Environment 4

Solar Cosmic Rays and Van Allen Belts (2 m: 52 s) Solar Cosmic Rays and Van Allen Belts (4 m: 27 s) Solar Cosmic Rays and Van Allen Belts (9 m: 27s) 5

Radiation Effects Total Ionizing Dose (TID): charge trapping in SiO 2 and at the SiO 2 O/Si interface MOSFET, CMOS, SOI Displacement Damage (DD): point defects and cluster in Si solar cells, BJT, detectors, photodiodes, LED, laser, CCD Single Event Effects: Destructive: SES (MOSFET), SEL (CMOS), SEB and SEGR (Power MOSFET), SHA or Stuck-bit (in DRAM) Soft Error: SEU and MBU (in SRAM), SEFI (in FPGA), SET (in analog electronics), SED (in digital electronics) 6

Radiation Effects 7

European Space Agency: irradiation facilities (RADEF, Finland) RADEF Video (3 m : 00 s) 8

HIF Web site: European Space Agency: irradiation facilities (HIF, Belgium) 9

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European Space Agency: irradiation facilities (PIF, Switzerland) Proton energies: 235, 200, 150, 100, 70 MeV, down to 10 MeV with degraders PIF Web site 11

European Space Agency: irradiation facilities (PIF, Switzerland) 12 PIF Video (5 m : 01 s)

ESA Recruitment and Training Programs 13

ESA, The Space Agency for Europe: ESA, Radiation Testing for Space: ESA, Students & Young Graduates: ESA 14

Particle showers induced by Cosmic rays 1 TeV proton shower at 20 km altitude (0 m: 39 s) 15

La particella primaria (ione) urta con un nucleo d'ossigeno o di azoto dell'alta atmosfera. Da questa collisione vengono generati neutroni, protoni, π 0, π +, π -. I π 0 decadono elettromagneticamente in due γ e questi ultimi possono materializzarsi in coppie e + -e -. Gli elettroni irradiano energia sotto forma di raggi γ (radiazione di frenamento). I pioni carichi possono decadere in muoni μ e neutrini ν, oppure interagire con altri nuclei presenti nell'atmosfera. Le linee tratteggiate indicano che altre reazioni possono avvenire. Ione L’ambiente atmosferico: gli sciami di particelle 16

I neutroni atmosferici: dipendenza del flusso dall’altitudine Il massimo flusso (particelle/(cm 2  s)) dei neutroni atmosferici con energie tra 1 MeV e 10 MeV si ha ad un’altitudine di  piedi (18 km) e viene detto massimo di Pfotzer. Flusso di neutroni (particelle/cm 2  s) con energia tra 1 MeV e 10 MeV al variare dell’altitudine in migliaia di piedi Latitudine 45  17

I neutroni atmosferici: spettro energetico del flusso Spettro energetico del flusso di neutroni atmosferici all’altitudine di m e alla latitudine di 45° (PADOVA!). Differential flux neurtrons/(cm 2  s  MeV) -L’energia dei neutroni atmosferici può raggiungere valori di 1000 MeV. -Lo spettro energetico del flusso dei neutroni atmosferici non varia sensibilmente al variare dell’altitudine e della longitudine ma dipende dalla latitudine. 18

L’ambiente di radiazione sulla Terra Spettro del flusso di radiazione espresso in particelle/(cm 2  s  MeV), presente al livello del suolo a New York. Tale flusso di radiazione è dovuto ai raggi cosmici secondari. 19

Per energie del neutrone incidente superiori a 100 MeV, il nucleo composto eccitato si disintegra con emissione di frammenti e vari tipi di radiazione (protoni, neutroni, raggi γ) nel cosiddetto sciame di particelle: spallazione nucleare  danno da spostamento ed effetti da evento singolo La spallazione nucleare può essere indotta anche da protoni di alta energia: ad esempio nelle sorgenti di neutroni per spallazione si utilizza il processo di spallazione nucleare indotta da protoni su un bersaglio per ottenere una sorgente di neutroni. Come abbiamo già visto anche i raggi cosmici interagendo con i nuclei di ossigeno e azoto dell’atmosfera provocano il fenomeno della spallazione nucleare con sciami di particelle. Schema della spallazione nucleare con emissione di protoni, neutroni e raggi γ, non sono evidenziati i frammenti della disintegrazione del nucleo La spallazione nucleare 20

Accelerator‐Based Pulsed Neutron Source 21

WEB site: The ISIS pulsed neutron and muon source at the Rutherford Appleton Laboratory in Oxfordshire is a world-leading centre for research in the physical and life sciences. It is owned and operated by the Science and Technology Facilities Council. ISIS Pulsed Spallation Source 22

ISIS Pulsed Spallation Source: Target Station 1 23

ISIS Pulsed Spallation Source: Target Station 1 &2 ISIS Video:

ISIS Pulsed Spallation Source: Chipir at Target Station 2 Beam 25

ISIS Pulsed Spallation Source: Chipir at Target Station 2 26

L’ambiente di radiazione sulla Terra Spettro del flusso di radiazione espresso in particelle/(cm 2  s  MeV), presente al livello del suolo a New York. Tale flusso di radiazione è dovuto ai raggi cosmici secondari. 27

L’ambiente atmosferico: gli sciami Il flusso dei raggi cosmici e delle particelle solari incidenti sulla terra e che riescono a penetrare la magnetosfera terrestre viene attenuato nell’attraversare l’atmosfera terrestre a causa dell’interazione con gli atomi di ossigeno e di azoto. L’interazione dei raggi cosmici e delle particelle solari con gli atomi di ossigeno e di azoto dell’atmosfera provoca delle cascate (showers) o sciami di particelle secondarie e di interazioni create attraverso tali processi di attenuazione. Le particelle secondarie prodotte nelle cascate sono principalmente: -protoni; -elettroni; -neutroni; -muoni; -pioni. Al fine degli effetti della radiazione sui componenti elettronici la componente più importante nelle cascate di particelle secondarie sono i neutroni. Che cosa sono? 28

Cenni alla Fisica delle particelle elementari I fermioni sono raggruppati in tre famiglie. 1) La prima famiglia contiene: l’elettrone (e - )(m = 511 keV/c 2, q = -1) il neutrino elettronico (  e )(m < 2 eV /c 2, q = 0) il quark up (U)(m  3 MeV /c 2, q = +2/3) il quark down (D)(m  6 MeV /c 2, q = -1/3) le corrispondenti antiparticelle (positrone, antineutrino elettronico, antiqark up, antiquark down), che si indicano con il medesimo simbolo barrato. Secondo il Modello Standard la materia è costituita da particelle elementari dette fermioni che interagiscono fra loro grazie alle interazioni fondamentali (forte, elettromagnetica, debole, gravitazionale) mediate da altre particelle elementari dette bosoni (gluone, fotone, bosoni, gravitone). 29

Cenni alla Fisica delle particelle elementari 3) La terza contiene: il tau (  )(m  1.78 GeV/ c 2,q = -1) il neutrino tauonico (   ) (m < 2 eV /c 2,q = 0) il quark top (T)(m  173 GeV /c 2,q = +2/3) il quark bottom (B) (m  4.2 GeV /c 2,q = -1/3) le corrispondenti antiparticelle (antimuone, antineutrino muonico, antiqark top, antiquark bottom) che si indicano con il medesimo simbolo barrato. 2) La seconda contiene: il muone (  - ) (m = 106 MeV/c 2, q = -1) il neutrino muonico (  ) (m < 2 eV/c2, q=0) il quark charm (C) (m  1.3 GeV/c 2, q = +2/3) il quark strange (S)(m  100 MeV/c 2, q = -1/3) le corrispondenti antiparticelle (antimuone, antiqark charm, antiquark strange) che si indicano con il medesimo simbolo barrato. 30

Cenni alla Fisica delle particelle elementari I quark up e down e le loro antiparticelle si combinano tra loro: -in gruppi di due per formare i mesoni che comprendono anche i pioni (  ). Ad esempio il pione carico positivamente (  + ) è costituito da 1 quark UP e da un antiquark DOWN (  + = UD), esso ha carica q = +1 e massa m=139.6 MeV /c 2. Il suo tempo di vita media è 26 ns. Esso decade al 99,9877% in un antimuone e nel corrispondente neutrino muonico:  +   + +   e allo 0,0123% in un positrone e nel corrispondete antineutrino elettronico  +  e + +  e. La sua antiparticella è il pione carico negativamente (  - ), formato da 1 antiquark UP e da un quark DOWN (  - = UD), avente carica q = -1 e massa m=139.6 MeV /c 2. Esso decade al 99,9877% in un muone e nel corrispondente antineutrino:  -   - +   e allo 0,0123% in un elettrone e nel corrispondente antineutrino  -  e +  e. Il pione neutro (  0 ), che ha struttura (UU+DD)/  2, ha massa m=135 MeV /c 2. Il suo tempo di vita media è 8.4× s. Esso decade al 98,798% in due fotoni:  0   +  e all’1,198% in un fotone con una coppia elettrone-positrone  0   + e - + e +. 31

SEU induced muons 32

Introduzione agli Effetti da Evento Singolo -La possibilità di SEU indotti da raggi cosmici viene predetta da J. T. Wallkmark and S.M. Marcus nel SEU in J-K Flip-Flop bipolari in 17 anni di operatività di un satellite per comunicazioni dovuta ai raggi cosmici nel gruppo del Ferro. SEU in DRAM (Intel) indotta da particelle alfa, dovuta alla contaminazione di Uranio e Torio del package ceramico a causa dell’acqua utilizzata nella lavorazione dalla fabbrica posta a valle di una miniera di Uranio. Cambio del package ceramico. SEU in DRAM dovuti a protoni per spallazione nucleare: fascie di Van Allen e SAA, eventi solari. Nello stesso anno: -C. S. Guenzer et al. evidenziano SEU in DRAM dovuti a neutroni per spallazione nucleare: ambiente atmosferico; -A. Kolasinski individua il SEL in DRAM. Spettro dei raggi cosmici rispetto al LET -1990s: smaller IC, higher speeds, complex circuitry and increasing sensitivity to SEE. -Late 1990s: memory soft error "controllable" (SOI, B-free materials error detection and correction techniques), moving to combinational (or core) logic. 33

CERN (Geneva, Switzerland) CERN Video (4 m: 00s) 34

High Energy Physics and Astrophysics experiment requirements Silicon detectorsRead-out electronics channels The Compact Muon Solenoid (CMS) tracker will require  250 m 2 silicon detectors and more than 10 7 read-out channels 35

High Energy Physics and Astrophysics: silicon vs read-out After H. F.-W. Sadrozinski, IEEE TNS vol.48, pp ,

The Compact Muon Solenoid (CMS) experiment at LHC 37

The radiation levels for the CMS tracker Pixel sensors: 5 cm cm -2 <  < cm -2 Microstrip sensors: 25 cm cm -2 <  < cm Mrad(Si) 38

39 Super-LHC M. Hutinen: "Radiation issues for Super-LHC", Super-LHC Electronics Workshop, 26/2/04, CERN O. Bruning: "Accelerator upgrades for Super-LHC", Super-LHC Electronics Workshop, 26/2/04, CERN LHC (2007) Proton Energy:7 TeV Collision rate: 40 MHz Peak luminosity: cm -2  s -1 Integrated luminosity: 500 fb -1 Super-LHC (201?) => 15 TeV => 80 MHz => cm -2  s -1 => 2500 fb -1  =1.6  cm -2 at r=4 cm TID: 1000 Mrad = 1 Grad! 39

Super-LHC 40

(CHARM) Cern High energy AcceleRator Mixed field facility Protons 24 GeV/c impinging on: -Al target -Cu target -Al target with hole -Cu target with hole (only part of the primary beam interacts in the target to reduce the radiation field) 41

(CHARM) Cern High energy AcceleRator Mixed field facility -4 mobile shielding plates to modulate and reproduce the radiation field that objects (e.g. electronics cards, crates of even racks) would receive at specific locations inside the LHC tunnel, adjacent shielded areas or its injector chain. -1 year of exposure in the LHC => only a few days of irradiation at CHARM. -Large objects can be irradiated and ultimately even objects in operation with complex services (power, cooling, etc.) be connected. -Additional testing stations can be easily configured which are then representative for space, aeronautic and surface applications. -Two dedicated conveyer systems allow moving samples into or out of the test position. test box of maximum size 30x30x20 cm 3 and maximum weight 10 kg. 42

CERN Recruitmets Web site: Video: CERN recruitments 43