Integrazione dei rivelatori Corso di Rivelatori per lo Spazio Integrazione dei rivelatori Dr. Emanuele Pace Giugno 2006

E. Pace - Rivelatori per lo spazio

Obiettivi e specifiche Obiettivo della Missione Richieste dello user Limiti politici Limiti economici Richieste per la missione Prestazioni Affidabilità Copertura Costi Durata Ground segment Stazioni di terra Data processing Specifiche per la sonda Orbita Potenza Configurazione Massa Operazioni Lanciatore Volume Massa Environment Specifiche per i sottosistemi Termico Potenza Comunicazioni Struttura Elettronica Controllo d’assetto E. Pace - Rivelatori per lo spazio

Sottosistemi Space segment Payload Bus Struttura (5) Controllo d’assetto e di orbita (1) (4) Termico (1) (6) Propulsione (1) (4) Power (7) Telemetria (2) e comandi (3) Data handling (2) Meccanismi (5) I numeri tra parentesi sono riferiti ai requisiti di funzionamento riportati nella diapositiva successiva E. Pace - Rivelatori per lo spazio

Sviluppo di un satellite Qualifica dei componenti Electrical Model: electrical tests EMC tests Procedure di check pre-lancio Structural Model: thermo-vacuum test vibration tests Flight Model Engineering Model Proto-Flight Model E. Pace - Rivelatori per lo spazio

Sottosistemi: telemetria Esempi di telemetria: E. Pace - Rivelatori per lo spazio

Sottosistemi: alimentazione Fornita da batterie: Nickel-cadmio Zinco-Argento Erogano una tensione continua di 28 V ± 2V L’alimentazione deve anche provvedere a Riscaldatori Motorizzazioni Funzioni pirotecniche E. Pace - Rivelatori per lo spazio

Standard da applicare al bus PS Bus di tensioni costanti giorno e notte: 28 V per potenze fino a 1,5 kW 50 V per potenze fino a 8 kW 100 V e 120 V per potenze maggiori Valori nominali del regolatore principale in condizioni stazionarie entro ± 0,5 % Per transienti di carico fino al 50 % del carico nominale i transienti sul bus non devono superare l’1 %, le tensioni del bus devono rimanere entro il 5 % del valore nominale. In caso di rottura del fusibile, il riavvio del sistema non deve provocare un overshoot maggiore del 5 % del valore nominale del bus. Valore del ripple di tensione inferiore al 0,5 % picco-picco della tensione nominale del bus. Spikes di tensione relativi alle commutazioni inferiori al 2 % picco-picco della tensione nominale del bus (misurata con un oscilloscopio analogico con banda-passante minima di 50 MHz minimum o con un oscilloscopio digitale che offra prestazioni equivalenti o migliori). Limita il peso dei cavi E. Pace - Rivelatori per lo spazio

E. Pace - Rivelatori per lo spazio Esempio: EUSO Power Supply High Voltage Low Voltage Batteries Detectors Thermal control Focal Surface CCU MARS - ASIC Lid mechanism Trigger & DH Actuators LIDAR & IR camera Emergency Detectors Sources Telemetry Calibration TCU Electronics PS control E. Pace - Rivelatori per lo spazio

Output Ripple (Differential Mode) Operating Temperature CAEN S9030 PS Module Input Voltage +15 V ÷ +20 V Output Voltages HVOUT: -900 V HV AUXOUT: +3.5 V ÷ +13 V (referred to HVOUT) Output Current 8 mA maximum Output Power 7 W maximum Output Ripple (Differential Mode) 200 mVpp (100 Hz to 15 MHz) Input Ripple 200 mVpp (input filtered by a 22 µH series inductor); measured according to MIL-STD-461 specifications Switching Frequency 140 KHz ÷ 160 KHz Sync Frequency 170 KHz ÷ 220 KHz Line Regulation 500 mV maximum Load Regulation 10 V maximum HV OUT Temperature Drift 100 ppm/°C Radiation tolerance 30 Krad Operating Temperature -20 ÷ +60 °C nominal Packaging Polyamide PCB (135.3 mm X 56.5 mm X 15 mm) Weight 100 g E. Pace - Rivelatori per lo spazio

E. Pace - Rivelatori per lo spazio Batterie E. Pace - Rivelatori per lo spazio

E. Pace - Rivelatori per lo spazio Cablaggio Anche il cablaggio del sistema PS deve soddisfare una serie di condizioni e di specifiche Nessuna parte del cablaggio deve essere usata come supporto meccanico. La trasmissione di potenza deve avvenire mediante cavi “twisted” con il proprio ritorno per minimizzare l’area dei loop di corrente e l’induttanza parassita dei cablaggi. Nel caso che il ritorno avvenga attraverso la struttura, i cavi di tensione devono passare in prossimità dei piani di massa. La distribuzione di potenza deve essere protetta in modo che sovra- correnti nei cavi non posano provocare interruzioni su altri cavi. L’induttanza dei cavi per un bus regolato, dal nodo di distribuzione al carico deve essere tale che la frequenza di taglio sia almeno 5 kHz: L < R/ 2f L induttanza dei cavi in H R resistenza dei cavi in Ω f frequenza di taglio in Hz E. Pace - Rivelatori per lo spazio

E. Pace - Rivelatori per lo spazio DB: form & contents Questions for the time being... Probably Several DB (info inter-relation, common interface) Which type of DB ? Which SW and access tools? Organisation/inter-relations are crucial point! And highy dependent on contents specification Which information do we want to store? Which parameters do we need to get for reconstruction? I/F with end-to-end simulation and reconstruction Accessing different types of info with single tool (external DB) E. Pace - Rivelatori per lo spazio

Detector calibration DB Requires some basic assumptions... Data contents Detector: basic scheme and main parameters Which calibration information will we have? Collected information Information to be used on reconstruction Information used to generate configuration parameter for uploading E. Pace - Rivelatori per lo spazio

E. Pace - Rivelatori per lo spazio Calibration Pre-flight absolute calibration @ 3 different wavelengths Gains (G) and pedestals (p) Single p.e. peak On-board: relative calibration (stability) Stable illumination of full FS (~1s, daily basis ) Threshold scan => p.e. signal discriminator level Separate monitoring of the OM? One complete FS threshold scan every 2 months Illumination of the FS daily? E. Pace - Rivelatori per lo spazio

Calibration design in the Red Book Flux on FS = 5 x 109 ph/s = 950 ph on FS = 0.2 ph / MAPMT ~10-2 ph / px E. Pace - Rivelatori per lo spazio

E. Pace - Rivelatori per lo spazio Multiple-LED source Electronics box 50 mm 30 mm E. Pace - Rivelatori per lo spazio

E. Pace - Rivelatori per lo spazio Lab for testing 8 mm 0.5 mm E. Pace - Rivelatori per lo spazio

SOURCE: OGSE Large beamline facility UV facility X-ray facility DAFNE-L: synchrotron beam facility for optical calibration from MIR to X-rays. Optical systems up to 4 m. Large beamline facility SOURCE: OGSE UV facility X-ray facility IR facility Citare GRilli et al per la realizzazione delle camere bianche E. Pace - Rivelatori per lo spazio

E. Pace - Rivelatori per lo spazio Test di vibrazione Table 2. Random Vibration Frequency (Hz) ADS (g2/Hz) 20 0.026 20-50 + 6 dB/Oct 50-800 0.16 800-2000 - 6 dB/Oct 2000 Overall 14.1 g RMS Duration 1 min Table 1. Sine Sweep (Normal mode search) Table 3. Sine Burst Tests level (g)  12.5 Frequency (Hz) 80 Duration (sec) 1 Frequency range (Hz) 20 – 2000 Scan velocity (Oct./min) 2 Amplitude (g) 0.5 E. Pace - Rivelatori per lo spazio

Test di vibrazione Sine sweep z (vertical) direction Sine sweep x direction Sine sweep z (vertical) direction Random vibration z (vertical) direction Random vibration x direction E. Pace - Rivelatori per lo spazio

Laboratori di supporto XUVLab -DASS INOA INFN E. Pace - Rivelatori per lo spazio

E. Pace - Rivelatori per lo spazio Esempio: HERSCHEL Missione solare HElium Resonant Scattering from HELiosphere Immagini del sole nell’EUV Coronografo nel VIS/EUV Volo previsto per il 2007 da White Sands Sommario Primi passi… Sonde per superare l’atmosfera Palloni stratosferici Strumenti su aereoplano SOFIA KAO Razzi sonda HERSCHEL Obiettivo principale della missione: Osservare il Sole alla riga di emissione dell’He ionizzato (30.4 nm), in particolare nella corona fino a 2 raggi solari E. Pace - Rivelatori per lo spazio

Predicted Intensity in the UVC HI, Visible-light Channels The HI 121.6 nm curves are actual data from UVCS/SOHO. Visible light intensity is derived from averaged electron density and temperatures. Also shown is the HI geocoronal emission. E. Pace - Rivelatori per lo spazio

HERSCHEL Requirements Maximum quantum efficiency Large sensitive area Very low noise Fast pixel rate (> 1 MHz) High dynamic range (16 bits A/D conversion) E. Pace - Rivelatori per lo spazio

E. Pace - Rivelatori per lo spazio

E. Pace - Rivelatori per lo spazio Esempio: HERSCHEL E. Pace - Rivelatori per lo spazio

E. Pace - Rivelatori per lo spazio Esempio: HERSCHEL E. Pace - Rivelatori per lo spazio

E. Pace - Rivelatori per lo spazio Esempio HERSCHEL VISIBLE UV E. Pace - Rivelatori per lo spazio

Camera overview CDS ADC CCD Peltier Preamplifier Sequencer Clock Driver Space Wire Peltier Power Supplies Power Supplies Bias generator LCVR controller Rocket Battery Start & control signals Trigger & Control signals Read-out clocks Video signal image Biases Voltages Temperature slope control Polarimeter LCVR Control signals Temperature control On-board PC 16 bits Encoded data CCD camera case Peltier Voltage E. Pace - Rivelatori per lo spazio

E. Pace - Rivelatori per lo spazio Camera overview E. Pace - Rivelatori per lo spazio

E. Pace - Rivelatori per lo spazio PCBs development CDS & ADC E. Pace - Rivelatori per lo spazio

E. Pace - Rivelatori per lo spazio PCBs development CCD & Preamp E. Pace - Rivelatori per lo spazio

E. Pace - Rivelatori per lo spazio Camera sensor Frame size 1024 x 1024 Pixel size 13 micron Frame transfer Front or back illuminated Inverted or non-inverted mode Read-out noise 2 e- CCD 47-20 E. Pace - Rivelatori per lo spazio

E. Pace - Rivelatori per lo spazio EUSO  = 330 ÷ 400 nm E. Pace - Rivelatori per lo spazio

E. Pace - Rivelatori per lo spazio Il piano focale (r,) Il piano focale (x,y) PDM MAPMT Microcella Macrocella E. Pace - Rivelatori per lo spazio

E. Pace - Rivelatori per lo spazio Phase-A Results R8900-M36 R7400-M256 +Optical Adaptor E. Pace - Rivelatori per lo spazio

Optical adapters: coatings Window MAPMT mirror BG3 PMMA Weight of single lens Total Weight 3.74 g 20.7 kg 27.0 mm 24.0 mm  (nm) Geometric Efficiency (%) Radiometric Efficiency (%) 337 99.5 94.7 357 95.6 391 94.4 E. Pace - Rivelatori per lo spazio