Lambiente spaziale Dr. Emanuele Pace Giugno 2006 Corso di Rivelatori per lo Spazio.

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1 Lambiente spaziale Dr. Emanuele Pace Giugno 2006 Corso di Rivelatori per lo Spazio

2 E. Pace - Rivelatori per lo spazio2 Missione spaziale Lanciatore Satellite Stazioni a terra

3 E. Pace - Rivelatori per lo spazio3 Sistema Sole-Terra Distanza Sole-Terra 1/40 delle dimensioni del Sistema Solare (6 miliardi di Km) Massa del Sole 99.9% dellintero sistema La massa della Terra è 3 x 10 -6 volte quella del Sole Stella più vicina a 3.5 anni luce (1 a.l. = 9.46 x 10 12 km) Densità del mezzo interstellare media 3 atomi/cm 2 Densità dellatmosfera terrestre s.l.m. 3 x 10 19 molecole/cm 3 1 U.A. =1.5 10 8 km

4 E. Pace - Rivelatori per lo spazio4 Sistema Sole-Terra Fotosfera a 5800 K emette nel VIS-UV Cromosfera 10 5 K emette nellUV-VUV Corona 10 6 -10 8 K emette VUV-raggi X Potenza emessa 3.85 x 10 26 W Vento solare con velocità 450 km/s e densità 9 protoni/cm 3 Coronal Mass Ejections

5 E. Pace - Rivelatori per lo spazio5 Spettro solare

6 E. Pace - Rivelatori per lo spazio6 Variabilità solare

7 E. Pace - Rivelatori per lo spazio7 Cicli di macchie solari Zurich sunspot archive

8 E. Pace - Rivelatori per lo spazio8 Cicli di macchie solari

9 E. Pace - Rivelatori per lo spazio9 CME da LASCO/SOHO Associati a flares e protuberanze Rate dipendente dal ciclo solare Al minimo si osserva in media 1 CME a settimana Al massimo si osservano 2-3 CME al giorno. Raggiungono la Terra in circa 24 ore CME energetici arrivano anche in poche ore

10 E. Pace - Rivelatori per lo spazio10 Effetti Lirraggiamento UV danneggia i materiali per esposizioni prolungate, in particolare la regione tra 200-350 nm Il vento solare danneggia lelettronica di bordo dei satelliti riducendone le prestazioni o provocando guasti. I CME possono interrompere trasmissioni radio, provocare blackouts di potenza e causare danni a satelliti e allelettronica di trasmissione dei dati. Lemissione radio associata al ciclo delle macchie solari può interferire con le trasmissioni terrestri

11 E. Pace - Rivelatori per lo spazio11 Lambiente terrestre Dominato dallatmosfera e dal campo magnetico La pressione a terra 1.013 x 10 5 Pa e la turbolenza rende omogenea la mistura dei gas componenti A quote superiori a 120 km i costituenti latmosfera sono disaccoppiati e dominano i processi di foto- dissociazione dovuti a irraggiamento UV Esistono diversi modelli standard (es. US standard atmosphere 1976, MSIS) che descrivono latmosfera alle varie quote e il parametro principale è la temperatura.

12 E. Pace - Rivelatori per lo spazio12 Pressione vs. altitudine Media al livello del mare1013 mb 5 km 500 mb (upper limit of human settlement) 10 km 280 mb 20 km 56 mb 50 km 1 mb 100 km 0.00056 mb

13 E. Pace - Rivelatori per lo spazio13 Densità atmosferica Le caratteristiche dellatmosfera dipendono dallattività solare, in particolare la temperatura esosferica T La densità atmosferica decresce a partire dalla densità al livello del mare sl con la quota Z seguendo un andamento dipendente dalla temperatura T: M i peso molecolare R* costante universale dei gas g=g(Z) accelerazione di gravità Per attività solare intensa cresce la T e quindi anche la densità nellalta atmosfera. Ciò riduce il tempo di permanenza della sonda in orbita e la sua vita media per la presenza dellossigeno atomico

14 E. Pace - Rivelatori per lo spazio14 Temperatura atmosfera

15 E. Pace - Rivelatori per lo spazio15 Densità di massa

16 E. Pace - Rivelatori per lo spazio16 Densità parziali

17 E. Pace - Rivelatori per lo spazio17 Riscaldamento della sonda Solar radiation 1371 W/m 2 Albedo + blackbody emission 200 W/m 2 Solar wind 2 x 10 5 K Atmosphere 10 3 K X X Rate di collisioni e riscaldamento trascurabili

18 E. Pace - Rivelatori per lo spazio18 Albedo Albedo = % energia incidente riflessa da un corpo Neve fresca: 75 – 95% Neve vecchia:40 – 60% Deserto:25 – 30% Foresta decidua, prati: 15 – 20% Foresta di conifere: 5 – 15% Mare calmo 5%

19 E. Pace - Rivelatori per lo spazio19 Global Albedo

20 E. Pace - Rivelatori per lo spazio20 Plasma e trasmissioni Per Z < 86 km si inizia ad avere produzione di plasmi per foto-ionizzazione UV Per Z < 1000 km plasma < neutro La presenza del plasma crea inefficienze nella propagazione delle onde radio a frequenze Hz che vengono riflesse

21 E. Pace - Rivelatori per lo spazio21 Sistema solare Orbite sulleclittica Orbite circolari Vento solare Campi magnetici Atmosfere Temperatura Asteroidi e corpi minori

22 E. Pace - Rivelatori per lo spazio22 Impatto sul progetto di una sonda Orbite complanari Inclinazione i < 4° eccetto Mercurio (7°) e plutone (17.15°) Sono richiesti leggeri cambi di piano Grande risparmio sul carburante Sfruttamento delleffetto fionda gravitazionale Orbite circolari Eccentricità e < 0.1 eccetto Mecurio (0.206) e Plutone (0.248) Leggere variazioni di temperatura nelle orbite planetarie Temperatura T (r e /r p ) 2 [U.A.] Vento solare Domina lo spazio interplanetario Densità (1/r) 2

23 E. Pace - Rivelatori per lo spazio23 Collisioni con asteroidi, meteoroidi, micrometeoroidi, polvere Atmosfere Mercurio non ha atmosfera Composizioni e proprietà molto diverse Ionosfere e plasmi Campi magnetici Intrappolamento e accelerazione di particelle cariche Giove ha un campo magnetico particolarmente intenso e una magnetosfera ampia Impatto sul progetto di una sonda

24 E. Pace - Rivelatori per lo spazio24 Micrometeorites

25 E. Pace - Rivelatori per lo spazio25 Atmosfera di titano La luce visibile non può sfuggire al velo di smog arancione che copre la superficie di Titano. Latmosfera fredda e secca della luna di Saturno produce uno strato spesso 300 km di smog che si forma quando la luce solare interagisce con le molecole di idrocarburi. MolecoleSimboloQuantità Costituenti principali Percentuale AzotoN2N2 87-99 ArgonAr0-6 MetanoCH 4 1-6 Altri Costituenti parti per milione IdrogenoH2H2 2000 Idrocarburi EtanoloC2H6C2H6 20 AcetileneC2H2C2H2 4 EtileneC2H4C2H4 1 PropanoC3H8C3H8 1 MetilacetileneC3H4C3H4 0.03 DiacetileneC4H2C4H2 0.02 Composti dellazoto Hydrogen CyanideHCN1 CynaogenC2N2C2N2 0.02 CyanoacetileneHC 3 N0.03 ActeonitrileCH 3 CN0.003 Composti dellossigeno Monossido di carbonio CO50 Anidride cabornicaCO 2 0.01

26 E. Pace - Rivelatori per lo spazio26 Campo magnetico di Giove

27 E. Pace - Rivelatori per lo spazio27 Effetti ambientali sulla sonda Outgassing Ossigeno atomico Material strength e fatigue lifetime Irraggiamento UV Danneggiamento radiativo Cicli termici

28 E. Pace - Rivelatori per lo spazio28 Outgassing Le strutture non ricevono danni Elettronica e ottiche possono essere danneggiati Plastiche e ossidi particolarmente sensibili Dannoso loutgassing iniziale di elementi adsorbiti e dellacqua I lubrificanti normali degassano Lubrificanti solidi o a bassa volatilità (MoS 2 )

29 E. Pace - Rivelatori per lo spazio29 Parametri di outgassing Total mass loss (TML) (%) [(Sample weight before test - Sample weight after test) / Sample weight before test] × 100 Collected volatile condensable material (CVCM) (%) [(Collector plate weight after test - Collector plate weight before test) / Sample weight before test] × 100 Water vapor regained (WVR) (%) [(Sample weight after moisture absorption - Sample weight after test)/Sample weight before test] × 100

30 E. Pace - Rivelatori per lo spazio30 Material outgassing TML(%)CVCM(%)WVR(%) MaterialNASANASDANASANASDANASANASDA Mylar0.250.240.00 0.200.15 Kevlar 292.182.020.020.271.771.55 Teflon0.010.020.00 0.04 Epoxy1.071.200.010.040.300.17 Silicone SH18401.571.74 - 1.900.710.66 - 0.820.010.00 - 0.05 TML (%)CVCM (%)WVR (%) Material NASDAOverall average Overall STD DEV. NASDA Overall average Overall STD DEV. NASDAOverall average Overall STD DEV. RT- 555SHRINK TUBING 0.2080.236 0.034 0.003 0.023 0.018 0.042 0.057 0.020 RSE13329 Silicone Wire Insulation 1.039 1.135 0.232 0.275 0.123 0.016 0.064 0.082 CV-1142 Silicone 0.3880.404 0.052 0.0170.0320.0300.0400.0810.3314 CV2500 Silicone Nusil 0.1490.1450.0280.007 0.0090.0030.0130.016

31 E. Pace - Rivelatori per lo spazio31 Esempio: Outgassing connettori

32 E. Pace - Rivelatori per lo spazio32 Esempio: lubrificante Torr lube Vapor Pressure@ 38°C1 x 10 -8 torr @ 240°C3 x 10 -4 torr Viscosity@ 38°C495 centistokes @ 98°C43 centistokes Viscosity Indexes, ASTM D2270 145 FlammabilityDOES NOT BURN Surface Tension @ 26°C 19.3 dynes/cm Density @ 100°C1.78 g/ml Chemical InertnessNO REACTIVITY* * No reactivity between TorrLube and boiling sulfuric acid, flourine gas at 200° C, triflouride at 50° C, molten sodium hydroxide, or ethyl alcohol at room temp.

33 E. Pace - Rivelatori per lo spazio33 Esempio: lubrificante krytox Krytox oils and greases are exceptional lubricants that provide superior protection and load-carrying ability under the most severe conditions. They are especially suited for use in 100% liquid or gaseous oxygen services. Krytox oils and greases are effective at temperatures as hot as 750°F (399°C) and as cold as -60°F (-51°C).

34 E. Pace - Rivelatori per lo spazio34 Ossigeno atomico Particolarmente attivo in orbita bassa Ossigeno atomico Scattering riflessione Sputtering Formazione ossidi Chemi- luminescenza

35 E. Pace - Rivelatori per lo spazio35 Effetti dellossigeno atomico Sputtering Erosione dei materiali dovuta alla velocità relativa alla sonda di 8 km/s Valori tipici 0.01 – 0.09 x 10 -24 cm 3 /atomo (Al-Kapton, Teflon) 2 – 4 x 10 -24 cm 3 /atomo (Polietilene, kapton) Dannoso per coatings, thermal blankets, pannelli solari, componenti ottici Degrado delle proprietà ottiche, termiche, meccaniche, elettriche

36 E. Pace - Rivelatori per lo spazio36 Effetti dellossigeno atomico Ossidazione Modifica delle proprietà dei materiali Esempi MoS 2 se ossida diventa abrasivo Si SiO2 crack per proprietà termiche diverse variazioni di dimensioni Coatings protettivi: problemi di pinholes e micrometeoroidi Molto importanti le simulazioni sullazione dellossigeno atomico sui materiali

37 E. Pace - Rivelatori per lo spazio37 Test su effetti dellossigeno atomico Test facility dellESA per esporre materiali allazione dellossigeno atomico. Lenergia degli atomi arriva a 5eV per simulare le condizioni ambientali delle orbite basse.

38 E. Pace - Rivelatori per lo spazio38 Material strenght & fatigue lifetime Strenght fatigue lifetime I gas assorbiti facilitano la formazione di cracks Ossidazione e diffusione dei gas assorbiti nel bulk del materiale 1. 1.Il vuoto migliora di circa un ordine di grandezza la vita media dei materiali 2. 2.Un materiale che migliora molto è il vetro

39 E. Pace - Rivelatori per lo spazio39 Irraggiamento UV UV Modifiche ottiche Danno a polimeri (embrittlement) Modifiche elettriche Caratteristiche termiche Opacità Esempio: Celle solari Resistività Modifica della struttura dei legami chimici

40 E. Pace - Rivelatori per lo spazio40 Danno da radiazione Radiation damage Degrado elettronica Displacement Dose accumulata Dielectric charging Single event effect Degrado delle celle solari

41 E. Pace - Rivelatori per lo spazio41 Dose accumulata Il protone provoca maggiori danni dellelettrone a causa del maggior momento

42 E. Pace - Rivelatori per lo spazio42 Displacement Non-ionising energy loss (NIEL) NIEL include gli effetti del danneggiamento di eventi nucleari elastici o non elastici Charge Transfer Efficiency (CTE) parametro che misura lefficienza di trasferimento di un pacchetto di carica nei rivelatori Si ha quando particelle penetrano nei materiali causando danni al reticolo cristallino. Si hanno allora stati energetici tra banda di valenza e banda di conduzione che causano perdita di efficienza di elettronica e rivelatori oppure dark current.

43 E. Pace - Rivelatori per lo spazio43 Effetti del displacement In SPENVIS, lattenuazione dei fotoni incidenti da parte di uno schermo di alluminio è calcolata usando una routine di CREME programme suite. Quando si stabilisce lambiente ricco di particelle intorno ad un sensore, tipo un CCD, la variazione di CTEattesa in orbita è calcolata come segue. La costante di danneggiamento K(E) è definita come: DeltaCTE(E) = K(E) Phi(E) dove Phi(E) è il flusso di particelle di energia E, e K(E) = C NIEL(E) Lo spettro differenziale dei protoni mediato su un orbita e attenuato da un dato schermo di alluminio è usato per calcolare lammontare del danno causato ad ogni energia del protone. Il danno totale segue dallintegrazione del danno su tutto lintervallo di energie:

44 E. Pace - Rivelatori per lo spazio44 Single event effect Il SEE risulta dallazione di una singola particella energetica. SEE Single event burnout SEB (hard failure) Single event upset SEU (soft error) Single event latchup SEL (soft or hard error)

45 E. Pace - Rivelatori per lo spazio45 SEU Definito dalla NASA come radiation-induced errors in microelectronic circuits caused when charged particles (usually from the radiation belts or from cosmic rays) lose energy by ionizing the medium through which they pass, leaving behind a wake of electron-hole pairs. Indotto da particelle energetiche che rilasciano impulsi di energia. Provocano errori transienti non distruttivi. Un reset o una riscrittura del componente (memorie) riattivano la normale funzionalità. Può avvenire nellelettronica analogica, digitale, nei componenti ottici, oppure può avere effetti sulla circuiteria dinterfaccia. Un SEU appare tipicamente come un impulso transiente nella circuiteria di supporto o logica, o come un bit flip nelle celle di memoria o nei registri. Un SEU grave si definisce single-event functional interrupt (SEFI). Blocca le normali operazioni e richiede un reset di potenza per recuperare le normali funzioni operative.

46 E. Pace - Rivelatori per lo spazio46 Effetto di SEU protonici I protoni possono Ionizzare Provocare spallazione

47 E. Pace - Rivelatori per lo spazio47 SEL Condizione che causa la perdita del funzionamento di un dispositivo a causa di una corrente indotta da un singolo evento. I SEL sono potenzialmente distruttivi e causare danni permanenti Creano un eccesso di corrente durante il funzionamento del dispositivo, al di sopra delle specifiche, che può distruggerlo. La condizione latched può distruggere il dispositivo, ridurre la tensione sul bus, o danneggiare il power supply. Inizialmente si pensava che I SEL fossero dovuti a ioni pesanti, tuttavia possono anche essere causati in dispositivi molto sensibili da protoni Un SEL può essere rimosso da un power off-on or power strobing del dispositivo. Se la potenza non viene rimossa rapidamente, può accadere un danno irreversibile dovuto a eccesso di riscaldamento, o rottura delle metallizzazioni o dei bonding. Il SEL dipende fortemente dalla temperatura: la soglia di latchup decresce ad alta temperatura e la sezione durto cresce.

48 E. Pace - Rivelatori per lo spazio48 Effetti del SEL su un transistor CMOS

49 E. Pace - Rivelatori per lo spazio49 SEL: corrente indotta

50 E. Pace - Rivelatori per lo spazio50 Linear energy transfer (LET) Soglia del SEU LET Minimo valore di LET per causare un effetto SEU. Soglia del SEL LET Massimo valore di LET per non avere latchup Misurato in MeV cm 2 /mg @ 10 7 particles/cm 2

51 E. Pace - Rivelatori per lo spazio51 Soglie di SEL LET

52 E. Pace - Rivelatori per lo spazio52 Single event burnout Condizione che può causare la distruzione del dispositivo a seguito di unelevata corrente che attraversa un transistor di potenza. Un SEB causa la rottura del dispositivo. Il SEB include Bruciatura di un power MOSFET, Rottura di un gate Bits congelati Rumore nei CCDs Un SEB può essere triggerato in un power MOSFET in stato OFF state (alta tensione di drain-source) quando uno ione pesante passando deposita una carica sufficiente a mettere il dispositivo in stato di ON. La suscettibilità ai SEB decresce al crescere della temperatura.

53 E. Pace - Rivelatori per lo spazio53 Rad-hardening Physical: Hardened chips are often manufactured on insulating substrates instead of the usual semiconductor wafers. Silicon oxide (SOI) and sapphire (SOS) are commonly used. While normal commercial-grade chips can withstand between 5 and 10 krad, space-grade SOI and SOS chips can survive doses many orders of magnitude greater. Shielding the package against radioactivity, to reduce exposure of the bare device. Capacitor-based DRAM is often replaced by more rugged (but larger, and more expensive) SRAM. Choice of substrate with wide band gap, which gives it higher tolerance to deep-level defects; eg. silicon carbide or gallium nitride. Use of depleted boron (consisting only of isotope Boron- 11) in the borophosphosilicate glass layer protecting the chips, as boron-10 readily captures neutrons and undergoes alpha decay (see soft error).

54 E. Pace - Rivelatori per lo spazio54 Rad-hardening Logical: Error correcting memory uses additional parity bits to check for and possibly correct corrupted data. Redundant elements can be used at the system level. Three separate microprocessor boards may independently compute an answer to a calculation and compare their answers. Any system that produces a minority result will recalculate. Logic may be added such that if repeated errors occur from the same system, that board is shut down. Redundant elements may be used at the circuit level. A single bit may be replaced with three bits and separate "voting logic" for each bit to continuously determine its result. This increases area of a chip design by a factor of 5, so must be reserved for smaller designs. But it has the secondary advantage of also being "fail-safe" in real time. In the event of a single-bit failure (which may be unrelated to radiation), the voting logic will continue to produce the correct result without resorting to a watchdog timer. System level voting between three separate processor systems will generally need to use some circuit-level voting logic to perform the votes between the three processor systems. Watchdog timer will perform a hard reset of a system unless some sequence is performed that generally indicates the system is alive, such a write operation from an onboard processor. During normal operation, software schedules a write to the watchdog timer at regular intervals to prevent the timer from running out. If radiation causes the processor to operate incorrectly, it is unlikely the software will work correctly enough to clear the watchdog timer. The watchdog eventually times out and forces a hard reset to the system. This is considered a last resort to other methods of radiation hardening.

55 E. Pace - Rivelatori per lo spazio55 Cicli termici One of the two systems for thermal cycling under vacuum. The system is provided with viewing ports and electric feed through connection and is able to cycle between -150°C and +150°C with a heating/cooling rate of 40°C/min. The heating and cooling is provided by a hot/cold plate and hot/cold shrout.