L’ambiente spazialeL’ambiente spaziale
Dr. Emanuele Pace
Giugno 2006
Corso di Rivelatori per lo SpazioCorso di Rivelatori per lo Spazio
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 2
Missione spazialeMissione spaziale
LanciatoreLanciatore
SatelliteSatellite
Stazioni Stazioni a terraa terra
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 3
Sistema Sole-TerraSistema Sole-Terra
Distanza Sole-Terra 1/40 delle dimensioni del Sistema Solare (6 miliardi di Km)
Massa del Sole 99.9% dell’intero 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 1012 km)
Densità del mezzo interstellare media 3 atomi/cm2
Densità dell’atmosfera terrestre s.l.m. 3 x 1019 molecole/cm3
1 U.A. =1.5 108 km
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Sistema Sole-TerraSistema Sole-Terra
Fotosfera a 5800 K emette nel VIS-UV
Cromosfera 105 K emette nell’UV-VUV
Corona 106-108 K emette VUV-raggi X
Potenza emessa 3.85 x 1026 W
Vento solare con velocità 450 km/s e densità 9 protoni/cm3
Coronal Mass Ejections
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Spettro solareSpettro solare
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Variabilità solareVariabilità solare
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Cicli di macchie solariCicli di macchie solari
Zurich sunspot archiveZurich sunspot archive
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Cicli di macchie solariCicli di macchie solari
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CME da LASCO/SOHOCME 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
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EffettiEffetti
L’irraggiamento UV danneggia i materiali per esposizioni prolungate, in particolare la regione tra 200-350 nm
Il vento solare danneggia l’elettronica 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 all’elettronica di trasmissione dei dati.
L’emissione radio associata al ciclo delle macchie solari può interferire con le trasmissioni terrestri
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L’ambiente terrestreL’ambiente terrestre
Dominato dall’atmosfera e dal campo magnetico
La pressione a terra 1.013 x 105 Pa e la turbolenza rende omogenea la mistura dei gas componenti
A quote superiori a 120 km i costituenti l’atmosfera 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 l’atmosfera alle varie quote e il parametro principale è la temperatura.
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Pressione vs. altitudinePressione vs. altitudine
Media al livello del mare 1013 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
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Densità atmosfericaDensità atmosferica
Le caratteristiche dell’atmosfera dipendono dall’attività 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:
Mi peso molecolareR* costante universale dei gasg=g(Z) accelerazione di gravità
Per attività solare intensa cresce la T e quindi anche la densità nell’alta atmosfera. Ciò riduce il tempo di permanenza della sonda in orbita e la sua vita media per la presenza dell’ossigeno atomico
Z
TR
gM isl *exp
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Temperatura atmosferaTemperatura atmosfera
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Densità di massaDensità di massa
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Densità parzialiDensità parziali
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 17
Riscaldamento della sondaRiscaldamento della sonda
Solar radiation
1371 W/m2
Albedo + blackbody emission
200 W/m2
Solar windSolar wind
2 x 102 x 1055 K K
AtmosphereAtmosphere
101033 K KX XRate di collisioni e riscaldamento trascurabili
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AlbedoAlbedo
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%
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Global AlbedoGlobal Albedo
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Plasma e trasmissioniPlasma 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
ep nf 9000
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Sistema solareSistema solare
Orbite sull’eclittica
Orbite circolari
Vento solareCampi magnetici
Atmosfere
Temperatura
Asteroidi e corpi minori
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Impatto sul progetto di una sondaImpatto 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 dell’effetto “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 (re/rp)2 [U.A.]
Vento solare Domina lo spazio interplanetario Densità
(1/r)2
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 23
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 sondaImpatto sul progetto di una sonda
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MicrometeoritesMicrometeorites
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 25
Atmosfera di titanoAtmosfera di titano
La luce visibile non può sfuggire al velo di smog arancione che copre la superficie di Titano. L’atmosfera 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.
Molecole Simbolo Quantità
Costituenti principali
Percentuale
Azoto N2 87-99
Argon Ar 0-6
Metano CH4 1-6
Altri Costituenti parti per milione
Idrogeno H2 2000
Idrocarburi
Etanolo C2H6 20
Acetilene C2H2 4
Etilene C2H4 1
Propano C3H8 1
Metilacetilene C3H4 0.03
Diacetilene C4H2 0.02
Composti dell’azoto
Hydrogen Cyanide HCN 1
Cynaogen C2N2 0.02
Cyanoacetilene HC3N 0.03
Acteonitrile CH3CN 0.003
Composti dell’ossigeno
Monossido di carbonio
CO 50
Anidride cabornica CO2 0.01
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Campo magnetico di GioveCampo magnetico di Giove
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 27
Effetti ambientali sulla sondaEffetti ambientali sulla sonda
Outgassing
Ossigeno atomico
Material strength e fatigue lifetime
Irraggiamento UV
Danneggiamento radiativo
Cicli termici
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 28
OutgassingOutgassing
Le strutture non ricevono danni
Elettronica e ottiche possono essere danneggiati
Plastiche e ossidi particolarmente sensibili
Dannoso l’outgassing iniziale di elementi adsorbiti e dell’acqua
I lubrificanti normali degassano Lubrificanti solidi o a bassa volatilità (MoS2)
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 29
Parametri di outgassingParametri 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
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 30
Material outgassingMaterial outgassing
TML(%) CVCM(%) WVR(%)
Material NASA NASDA NASA NASDA NASA NASDA
Mylar 0.25 0.24 0.00 0.00 0.20 0.15
Kevlar 29 2.18 2.02 0.02 0.27 1.77 1.55
Teflon 0.01 0.02 0.00 0.00 0.00 0.04
Epoxy 1.07 1.20 0.01 0.04 0.30 0.17
Silicone SH1840 1.57 1.74 - 1.90 0.71 0.66 - 0.82 0.01 0.00 - 0.05
TML (%) CVCM (%) WVR (%)
Material NASDA Overall average
Overall STD DEV.
NASDA
Overall average
Overall STD DEV.
NASDA Overall average
Overall STD DEV.
RT-555SHRINK TUBING
0.208 0.236
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
0.275
0.123
0.016
0.064
0.082
CV-1142 Silicone
0.388 0.404
0.052 0.017 0.032 0.030 0.040 0.081 0.3314
CV2500 Silicone Nusil
0.149 0.145 0.028 0.007 0.007 0.009 0.003 0.013 0.016
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 31
Esempio: Outgassing connettoriEsempio: Outgassing connettori
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 32
Esempio: lubrificante Torr lubeEsempio: lubrificante Torr lube
Vapor Pressure @ 38°C 1 x 10-8 torr
@ 240°C 3 x 10-4 torr
Viscosity @ 38°C 495 centistokes
@ 98°C 43 centistokes
Viscosity Indexes,ASTM D2270
145
Flammability DOES NOT BURN
Surface Tension@ 26°C
19.3 dynes/cm
Density @ 100°C 1.78 g/ml
Chemical Inertness NO 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.
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 33
Esempio: lubrificante krytoxEsempio: 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).
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 34
Ossigeno atomicoOssigeno atomico
Particolarmente attivo in orbita bassa
Ossigeno atomico
Scattering riflessione
Sputtering
Formazione ossidi
Chemi-luminescenza
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 35
Effetti dell’ossigeno atomicoEffetti dell’ossigeno atomico
Sputtering
Erosione dei materiali dovuta alla velocità relativa alla sonda di 8 km/s
Valori tipici 0.01 – 0.09 x 10-24 cm3/atomo
(Al-Kapton, Teflon)
2 – 4 x 10-24 cm3/atomo (Polietilene, kapton)
Dannoso per coatings, thermal blankets, pannelli solari, componenti ottici
Degrado delle proprietà ottiche, termiche, meccaniche, elettriche
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 36
Effetti dell’ossigeno atomicoEffetti dell’ossigeno atomico
Ossidazione
Modifica delle proprietà dei materiali
Esempi MoS2 se ossida diventa abrasivo
Si SiO2crack per proprietà termiche
diverse
variazioni di dimensioni
Coatings protettivi: problemi di pinholes e micrometeoroidi
Molto importanti le simulazioni sull’azione dell’ossigeno atomico sui materiali
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 37
Test su effetti dell’ossigeno atomicoTest su effetti dell’ossigeno atomico
Test facility dell’ESA per esporre materiali all’azione dell’ossigeno atomico. L’energia degli atomi arriva a 5eV per simulare le condizioni ambientali delle orbite basse.
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 38
Material strenght & fatigue lifetimeMaterial 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. Il vuoto migliora di circa un ordine di grandezza la vita media dei materiali
2. Un materiale che migliora molto è il vetro
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 39
Irraggiamento UVIrraggiamento UV
UV
Modifiche ottiche
Danno a polimeri
(embrittlement)
Modifiche elettriche
Caratteristiche termiche
Opacità
Esempio:
Celle solari
Resistività
Modifica della struttura dei legami
chimici
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 40
Danno da radiazioneDanno da radiazione
Radiation damage
Degrado elettronica
Displacement
Dose accumulata
Dielectric charging
Single event effect
Degrado delle celle solari
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Dose accumulataDose accumulata
Il protone provoca maggiori danni dell’elettrone a causa del maggior momento
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 42
DisplacementDisplacement
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 l’efficienza 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.
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 43
Effetti del displacementEffetti del displacement
In SPENVIS, l’attenuazione dei fotoni incidenti da parte di uno schermo di alluminio è calcolata usando una routine di
CREME programme suite. Quando si stabilisce l’ambiente 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 l’ammontare del danno causato ad ogni energia del protone. Il danno totale segue dall’integrazione del danno su tutto l’intervallo di energie:
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 44
Single event effectSingle event effect
Il SEE risulta dall’azione 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)
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 45
SEUSEU
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 nell’elettronica analogica, digitale, nei componenti ottici,
oppure può avere effetti sulla circuiteria d’interfaccia. 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 46
Effetto di SEU protoniciEffetto di SEU protonici
I protoni possono • Ionizzare• Provocare ‘spallazione’
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 47
SELSEL
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 d’urto cresce.
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 48
Effetti del SEL su un transistor CMOSEffetti del SEL su un transistor CMOS
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 49
SEL: corrente indottaSEL: corrente indotta
A500K050 (Prototype) SEE TestBNL, September 2000S/N LAN3303, Run B2
BromineNASA/GSFC
Time (sec)
0 5 10 15 20
Cur
rent
(m
A)
-200
0
200
400
600
800
1000
ICC3.3V
ICC2.5V
Note:Power Supply Trip Level Set at 800 mA
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 50
Linear energy transfer (LET)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 cm2/mg
@ 107 particles/cm2
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 51
Soglie di SEL LETSoglie di SEL LET
1.E-08
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
15 20 25 30 35 40
LET (MeV-cm2/mg)
Dev
ice
Cro
ss S
ecti
on (
cm2 )
TIC43 BNL data taken a some angle of incidence
TIC43 NSCL data taken at normal incidence
Note: TIC42 data taken at normal incidence at NSCL and BNL show the same results for LET threshold.
TIC43 BNL data taken a normal incidence
Arrows Indicate Limiting Cross Section
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 52
Single event burnoutSingle event burnout
Condizione che può causare la distruzione del dispositivo a seguito di un’elevata 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.
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 53
Rad-hardeningRad-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).
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 54
Rad-hardeningRad-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.
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 55
Cicli termiciCicli 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.