RIVELATORI PER LO SPAZIO

1. Emanuele Pace Dip. Astronomia e Scienza dello Spazio Università di Firenze RIVELATORI PER LO SPAZIO dall’IR all’UV

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

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

4. n p Electric potential Region of maximum potential n p CCD structure & operation Electric potential Potential along this line shown in graph above. E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

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

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

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

8. CCD readout R SW RD OD Reset Transistor Summing Well Output Node Output Transistor --end of serial register OS Vout E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

9. CCD readout R SW RD OD Reset Transistor Summing Well Output Node Output Transistor Serial Register Electrodes OS Substrate Output Drain (OD) 20mm Gate of Output Transistor Output Source (OS) Output Node Reset Drain (RD) fR Summing Well (SW) Last few electrodes in Serial Register E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

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

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

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

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

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

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

16. Mosaici di CCD • 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

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

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

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

20. Geometria: disassamento La necessità di correggere l’inclinazione dei CCD dipende dalla dimensione del pixel e dalla profondità di campo dell’ottica 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

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

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

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

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

25. Sensibilità nel lontano UV Il quantum yield aiuta Ne = Eg (eV) / 3.65 eV DEQE = Neh E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

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

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

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

29. d-doping Tecnica messa a punto al JPL/USA – California Institute of Technology I dispositivi sono modificati con pochi strati atomici di boro depositati mediante molecular beam epitaxy (MBE) E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

30. d-doped CCD – efficienza quantica E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

31. L3 CCD E2V Low Light Level CCD Riduce o elimina il CCD read-out noise E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

32. L3 CCD – architettura del gain register Conventional CCD LLLCCD Image Area (Architecture unchanged) Image Area On-Chip Amplifier On-Chip Amplifier { Serial register Serial register Gain register The Gain Register can be added to any existing design E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

33. Image Area Serial Register Bus wires Edge of Silicon Read Out Amplifier Registro seriale del CCD E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

34. Principio del gain register Gain electrode Potential Energy E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

35. Principio del gain register Gain electrode Potential Energy E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

36. Principio del gain register Gain per stage is <1.015, however the number of stages is high so the total gain can easily exceed 10,000 Potential Energy E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

37. L3 CCD - performance E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

38. 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

39. 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

40. 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

41. 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

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

43. Alcuni esempi di missione E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

44. Danno da radiazione Radiation damage Degrado elettronica Dose accumulata Degrado delle celle solari Displacement Single event effect Dielectric charging E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

45. Displacement • Non-ionising energy loss (NIEL) include gli effetti del danneggiamento di eventi nucleari elastici o non elastici • Charge Transfer Efficiency (CTE) misura l’efficienza di trasferimento di un pacchetto di carica nei rivelatori Si ha quando particelle penetrano nei materiali causando danni al reticolo cristallino. Si generano stati energetici nella banda proibita che causano perdita di efficienza di elettronica e rivelatori oppure dark current. E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

46. Effetti del displacement La variazione di CTE attesa in orbita per un sensore, tipo un CCD, è calcolata come segue. Si definisce la costante di danneggiamento K(E) come: dove Phi(E) è il flusso di particelle di energia E, e Lo spettro differenziale dei protoni mediato su un orbita e attenuato da un dato schermo di alluminio è usato per calcolare l’ammontare del danno causato ad ogni energia del protone. Il danno totale segue dall’integrazione del danno su tutto l’intervallo di energie: DCTE = K(E) f(E) K(E) = C NIEL(E) E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

47. Single Event Effect (SEE) Il SEE risulta dall’azione di una singola particella energetica SEE Single event upset SEU (soft error) Single event latchup SEL (soft or hard error) Single event burnout SEB (hard failure) E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

48. SEU Definito dalla NASA “radiation-induced errors in micro-electronic circuits caused when charged particles…lose energy by ionizing the medium through which they pass, leaving behind a wake of electron-hole pairs.” • Provocano errori transienti non distruttivi. Un reset o una riscrittura del componente (memorie) riattivano la normale funzionalità. • 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. E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

49. Effetto di SEU protonici • Ionizzare • Provocare ‘spallazione’ I protoni possono E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV

50. SEL • Condizione che genera il malfunzionamento di un dispositivo a causa di una elevata corrente indotta da un singolo evento. • I SEL sono potenzialmente distruttivi e causa di danni permanenti • La condizione ‘latched’ può distruggere il dispositivo, ridurre la tensione sul bus, o danneggiare il power supply. • 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 d’urto cresce. E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV