Mini-SPT (Mini Space Particle Telescope) Radyasyon Dedektörü Projesi

Transkript

1 Mini-SPT (Mini Space Particle Telescope) Radyasyon Dedektörü Projesi Mini-SPT Çalışma Grubu adına Doç. Dr. Tülün Ergin TÜBİTAK UZAY

2 Proje Ekibi Bu proje, 3 ülkeden 9 farklı kurumun katılımıyla yürütülecektir. TÜRKİYE: TÜBİTAK-Uzay, Ankara Sabancı Ü., Mühendislik ve Fen Bilimleri Fak., İstanbul İstanbul Teknik Ü., Uzay ve Havacılık Fak., İstanbul İRADETS Ltd., Teknopark, İstanbul İTALYA: INFN, Perugia MAPRAD, Perugia SITAEL, Bari RDC, Milan İSPANYA: INTA-ES, Madrit 2

3 Uyduların maruz kaldığı çevresel etkiler Mekanik titreşim, şok Akustik titreşim Çekimsizlik, Doğal Dünya atmosferi, Kimyasallar, Elektromanyetik ışıma, Güneş rüzgarları, Düşük basınç, Buzlanma, nem, ısı, Yüksek/düşük sıcaklık Manyetizma, Nükleer ışıma, Darbe, Uzay çöpleri, Radyasyon.

4 Uzay ortamındaki radyasyon ve etkileri

5 Uzay ortamındaki radyasyon etkileri TID (Total Ionizing Dose): Protonlara ve elektronlara bağlı olarak gelişen birikimli, uzun vadeli, iyonize eden hasarlar; DD (Displacement Damage): Protonlara, elektronlara ve nötronlara bağlı olarak gelişen birikimli, uzun vadeli, iyonize etmeyen hasarlar; SEE (Single Event Effect): Tek bir yüklü ağır iyon ve/ veya proton parçacığı tarafından meydana gelen ani olaylar.

6 Van Allen Kuşaklarındaki Elektron ve Proton Ortalama Akıları Yaklaşık 5 yıllık Güneş Eş Zamanlı ve 700 km yükseklikteki bir dairesel yörünge için hesaplanan Van Allen kuşaklarındaki elektron ve protonların ortalama akıları. 6

7 Güneşten Gelen Protonların Uzun Dönemli Ortalama Akıları Yaklaşık 5 yıllık Güneş Eş Zamanlı ve 700 km yükseklikteki bir dairesel yörünge için hesaplanan Güneşten gelen protonların uzun dönemli ortalama akıları. 7

8 Dozlar Yaklaşık 5 yıllık Güneş Eş Zamanlı ve 700 km yükseklikteki bir dairesel yörünge için hesaplanan uzun dönemli Güneşten gelen parçacıkların akıları. 8

9 Radyasyon Monitörü Enerji Ölçüm Aralığı Tipik olarak protonların 1 MeV den birkaç yüz MeV ye kadar çıktığı ve elektronların tayfının 10 MeV ye kadar yükseldiği ortamlarda yeterli enerji aralığı hassasiyetini sunabilmelidir. o Jüpiter sistemine olası bir keşif misyonunda elektronların algılama enerjisi için seviyenin 50 MeV den daha yüksek değerlere çıkabilmesi gerekmektedir. Yüksek enerjili parçacıkların (protonların) tipik MeV lik enerji aralığının ötesinde algılanmasını ve tanımlanmasını sağlayacak ve günümüzde uzay alanında kullanılan silikon tabanlı en düşük iyonize edici parçacıkların (MIP lerin) yarattığı etkileri önleyebilmek için gelişmiş enerji ölçüm yetenekleri olmalıdır. 9

10 Projenin Amacı Düşük maliyetli, küçük boyutlu (10 cm 10 cm 15 cm), düşük güçle (< 20 W) çalışabilen, hafif (< 1.5 kg), radyasyona karşı sertleştirilmiş, ve uzayda yüksek performansla çalışacak bir parçacık dedektörünün geliştirilmesidir. Mini-SPT adını verdiğimiz bu dedektör, yakın gelecekte fırlatılacak uyduların üzerine takılabilecektir. Mini-SPT, uzaydaki radyasyon ortamıyla ilgili yüksek kalitede veriler toplayacaktır. Uydunun içinde bulunduğu uzay ortamındaki anlık oluşabilecek değişimlerde, uydunun elektroniğine gelebilecek hasarları önlemek adına, uyarılar verebilme özelliğine sahip olacaktır. Bu uyarılar, değişik kritik seviyelerde ve alarm sinyalleri yardımı ile hasarı azaltma tekniklerine geçilmesini sağlayarak, uydu içerisindeki elektronik devrelerin geçici veya sürekli olarak devre dışı kalmalarını önlenmesini sağlayacaktır. Gerçek-zamanlı çalışan bu uyarı sistemi, uydu alt sistemlerinin ciddi anlamda güç ve hafıza kayıplarının önüne geçilmesinde, diğer mutat sistemlerden daha üstündür. 10

11 Dedektörün İç Yapısı Dengeli p-püskürtmeli 4 piksel hücresinin resmi (yanda). Dengeli p-püskürtmeli izolasyon (yanda), dolgulama esnasında yonga yüzeyindeki topoloji (altsol), tamamı işlenmiş cihazın dolgu profili (altsağ). Mini-SPT nin Geant4 ile üretilmiş Monte Carlo Benzetimi Silikon Piksel Dedektörü (SPD): Radyasyona karşı dayanıklı dijital okuntu yongası (ROC-DIG) ile birleştirilmiş silikon piksel sensörüdür. Dedektöre giren parçacık tipindeki radyasyonun dedektör içindeki izlerinin sürülmesinde kullanılır. Bu dedektörler CERN de çok yüksek radyasyon seviyelerine (~20 Mrad ve parçacık/cm 2 /s) maruz bırakılarak test edilmişler ve performanslarında bir değişme görülmemiştir. Daha önce uzay ortamında hiç test edilmemiştir.! TÜRKSAT 6A nın GEO yörüngesinde 15 sene kalması sonucu oluşan toplam radyasyon dozu ~100 krad dır. SPD ler için veri aktarım sistemi (SPD-DAQ) 11

12 Dedektörün İç Yapısı 4 4 lük bir Hamamatsu dizini. Her SIPM 3 3 mm 2 büyüklüğündedir ve ya veya 3600 piksel içermektedir. Mini-SPT nin Geant4 ile üretilmiş Monte Carlo Benzetimi CCAL de depolanan elektron (kırmızı) ve proton (mavi) enerjileri. CCAL-SIMP: Silikon Fotoçoklayıcılı (SIMP li) Kristal Kalorimetre (CCAL) Kristallere yüklü parçacık radyasyonunun çarpması sonucu oluşan fotonlar, SIMP lerle okunur. Ce:GAGG ve LYSO kristalleri test edilecektir. SIMP ler klasik foto-çoklayıcıların (PMT) katı-hal versiyonlarıdır. SIMP ler, her soğrulan foton için net bir sinyal verir. Parçacıkların toplam enerjileri ölçülür. CCAL-SIMP için DAQ sistemi 12

13 s 0.1 den 100 MeV ye kadar olan elektronlar ve MeV lik protonlar için TOF değerleri. Bu TOF değerleri, Mini-SPT ile 100 ps lik zaman çözünürlüğünde ölçülebilir. Mini-SPT nin Geant4 ile üretilmiş Monte Carlo Benzetimi TOF-SIMP: SIMP li Uçuş Zamanı (TOF) ve Tetikleme Sistemi TOF sistemi 2 adet plastik sintilatörün 8-10cm arayla birleştirilmesinden oluşur SPD-DAQ sistemi için ilk tetikleyici sinyali oluşturur. Uçuş zamanı : parçacıkların S1 den S2 ye geçmek için harcadıkları zamandır. Uçuş zamanı çözünürlüğü: ps! Elektron ve protonların birbirinden ayırt edilmesini sağlayan bir zaman aralığıdır. Gidilen yol üzerinde her parçacığın kaybettiği enerjiyi(de/dx) hassasiyetle ölçecektir. TOF-SIMP için DAQ sistemi 13

14 Elektrik Güç Sistemi ve Güç Dağıtım Ünitesi Elektrik Güç Sistemi (EPS) Sorumlulukları Foto-voltatik (PV) çıkışını kontrol ederek Güneş pillerinin çıkış gücünü en yüksek seviyede tutar Güç depolanmasını sağlar (pil veya kapasitör) Verimliliği ve güç depolama ömrünü arttırır Pillerin korunmasını sağlar Derin deşarja karşı Yüksek-düşük sıcaklığa karşı Sistemin sıfırlanma özelliğinin olmasını sağlar Uçuş bilgisayarı (OBC) ve PDU ile iletişim kurar Güç Dağıtım Ünitesi (PDU) Sorumlulukları Diğer alt sistemlerin talep ettiği düzenlenmiş gücün dağıtımının yapılması Kısa devre ve diğer voltaj/akım sorunlarına karşı koruma Her alt sistem için voltaj ve akımların ölçülmesi ve EPS veya OBC ye iletilmesi EPS ve OBS ile iletişimin sağlanması 14

15 Var Olan Uzay Havası Monitörleri (1) Uzay havasının standart gözlemleri için, 70 lerin ortalarından bu yana birkaç program gerçekleştirilmiştir. Bunlar arasında, NOAA nın geliştirdiği ve ilk olarak 1974 te SMS-1 uydusuna takılan ve günümüzde hala çalışır durumdaki her GOES/POES uydusunda takılı olan Uzay Havası Monitörü (SEM) Ana uzay ajansları desteği ile geliştirilen ve ölçüm kapasitesini düzeltirken kütle ve güç kullanımını optimize eden günümüzün en son teknoloji radyasyon monitörleri 15

16 Var Olan Uzay Havası Monitörleri (2) Buna rağmen, günümüzde kullanılan tüm radyasyon dedektör teknolojileri ve tasarım aşamasındaki uzay havası monitörlerinin ortak bir özelliği, Hepsi işlerliği ıspatlanmış katı-hal tabanlı silikon sensörlere dayanmaktadır. 16

17 Var Olan Uzay Havası Monitörleri (3) NOAA GOES uydusundaki SEM alt-sistemi Orta ve yüksek enerjilerideki proton, elektron, ve alfa parçacıklarının ölçümü için kullanılan EPS/HEPAD cihazını bulundurmaktadır Silikon katı-hal (SSD) teknolojisine dayalıdır NOAA POES uydusuna takılı olan SEM-2 (ve öncesinde SEM-1) Orta enerjili proton ve elektron (MEPED) dedektörünü içermektedir. 17

18 Var Olan Uzay Havası Monitörleri (4) ESA SREM üç dedektörden oluşmaktadır Birinci sistem tek bir silikon diyot dedektöründen ibarettir Elektronlar için 0,5 MeV lik ve protonlar için 10 MeV lik en düşük enerji seviyesini vermektedir. İkinci dedektör sistemi, iki adet silikon dedektörünün teleskop konfigurasyonunda yerleştirildiği ve 2 mm lik aluminyum pencere ile Protonlar için 20 MeV lık ve elektronlar için 1,5 MeV lik eşik enerjisinin sağlandığı bir yapıdır. Bir 1,7 mm kalınlığındaki aluminyum ve 0,7 mm kalınlığındaki tantalum tabaka da iki diyodu birbirinden ayırmaktadır. 18

19 Var Olan Uzay Havası Monitörleri (5) ESA/RUAG Next Generation Radiation Monitor (NGRM) küçük ve hafif bir cihaz olarak ESA misyonlarına takılmak ve uzaydaki radyasyonu ölçmek üzere geliştirildi. İki kısımdan oluşur: Elektron Dedektörü Proton Dedektörü ESA/RAL Highly Miniaturize Radiation Monitor (HMRM) 0,06 ile 6 MeV lik elektronları ve 1 ile 500 MeV lik protonları en fazla 10 8 cm -2 s -1 lik bir akı seviyesinde ölçmesi beklenmektedir ESA/CRSC Space Application of TIMEPIX-based Radiation Monitor (SATRAM) CERN Timepix dedektör ailesi tabanlı olan bu cihaz, çok küçültülmüş olan gelişmiş bir piksel sensörüdür 19

20 Radyasyon Dedektörleri (Özet Tablo) Deney RHESSI CEASE ICARE-NG Mu-REM ve SSTL Fırlatma Yılı Durum Çalışıyor Bitti JASON-2 uydusunda takılı TDS-1 uydusunda takılı Ana Amaç Güneşten gelen X ve gama ışınları. Parçacıklar. Yerel uzay ortamının ölçümü Yerel uzay ortamının ölçümü Yerel uzay ortamının ölçümü. Doz alarmı Detektör Ge tayf ölçer ve bir Si detektörü İki bağımsız dozimetre ve parçacık teleskopu Boyutlar Ge tayf ölçer: 7.1 cm çap 8,5 mm kalınlık, Si: 0,5 cm çap, 1 mm kalınlık 3 teleskop (A,B,C) Bir doza hassas fotodiyot ve 2 Si p-i-n diyot (1x1 cm protonlar için ve 3x3 cm ağır iyonlar için) ,2 cm 7,1 28,1 15,5 (SPICA) MuREM: cm, SSTL-RM: Güç/Ağırlık (W/kg) Bilimsel yük 120 kg 1,5/1 2,1 kg (SPICA) İkisi de yaklaşık 1 kg Bulma Metodu E > 28 MeV lik geniş açılı protonlar, E > 70 kev çok dar açılı elektronlar ADC aralığının kazanç değişimi. Teleskoplar: bir 25 mm 2, 150 um kalılığında, diğer 50 mm 2 ve 700 um kalınlığında silikon det. Dozimetre: 9 9 mm 2, 500 um kalınlığında Si p-i-n diyot. A: 2 PIN diyot, B: 1 PIN diyot, C: 2 PIN diyot. Logging in spaced energy channels.max 50 KHz sampling.radiation effect board and radiation monitor. Kalkanlama (mm Al equiv) Si-det. için: 3,8 mm Al Dos1 için:2, Dos2 için: 6,3, Teleskop için: A: 500 um Al + PIN diyot um Al + PIN diyot, B: 700um için bir delikli 5 mm Al PIN diyot C: 4 mm Al + PIN diyot + 4 mm Al + PIN diyot 165 mm (Mu-REM deki kalkanlama etkisini araştırmak için). SSTL için 5 mm Al karşılığı e/p Ayrıştırma 65 kev ve 650 kev de E_th Teleskop: e-akısı: 50 < E < 250 kev ve E > 250 kev, p-akısı: 0.7 < E < 50 MeV Ep = 27,5-290 MeV, Ee= 1,6-3,6 MeV. İki dedektör arasında farklı kalınlıklar kullanarak farklı enerji kanalları E > 30 MeV lik protonlar. HI nın LET değerinin 0.1 den 10 MeV cm 2 mg -1 olması için Sınırlar p/e için kanal değiştirme. Fit yapılmaz, direkt E ölçümü yok, enerjetik elektronların protonlara taşması var. Ge detektörleri için soğutma, güç ve ağırlık İz sürme yok, direkt E ölçümü yok, enerjetik elektron ve proton taşması var. Olasılıklı yaklaşım. Uydu içinde, elektronlar sadece 1,6-3,6 MeV aralığında. İz sürme yok, kanal değiştirme var. İz sürme yok, direkt E ölçümü yok, elektron ve proton taşması var. Olasılıklı yaklaşım. 20

21 Silikon Bazlı Dedektörlerin Dezavantajları Sadece tek bir dedektör sistemine dayalı, sadece silikon temelli olan uzay radyasyon dozimetresinin limitleri vardır. Tabloda bahsi geçen radyasyon monitörlerinin çoğu, ticari silikon temelli cihazlar (PIN diyot, Si-piksel vs.) kullanmaktadır ve bu cihazlar radyasyon etkilerine karşı herhangi bir işlemden geçirilmemiştir. Bu konu, sert radyasyon koşullarındaki (GEO veya jeomanyetik fırtınalarda ve Güneş te oluşan parçacık olayları esnasında çalışan navigasyon misyonlarında vs.) uzun süreli misyonlar için çok önemli olmaya başlamıştır. Silikon bazlı cihazlarda biriken yük, emilen radyasyon miktarı arttıkça sert bir şekilde düşmektedir. Bunu telafi etme olanağı yoksa, Sinyalin gürültüye oranı (S/N) düşecek Sinyalin gürültüden ayrılıp elde edilmesinde zorluklara sebep olacak Tayf ölçümünü veya parçacık ayrıştırma kabiliyetini sınırlayacaktır. 21

22 Silikon Bazlı Dedektörlerin Dezavantajları CERN in Timepix teknolojisinden türetilmiş olan SATRAM ve HMRM de kullanılan CMOS APS Si-piksel destesi dışında kalan ve tabloda sıralanmış tüm yeni nesil kategorisindeki radyasyon monitörleri parçacık iz sürme kapasitesine sahip değildir. Tabloda bahsi geçen hiçbir uzay havası monitörü, birden fazla dedektör tipi içermemektedir. Hepsi de/dx ölçümlerine dayanmaktadır Düşük enerjili parçacıkları orta seviyede iyonize eden parçacıklardan ayırt etmekte yetersizdir. Tipik olarak MeV enerjilerindeki parçacıkların hassas ölçümlerini gerçekleştirmekte yetersizdir. 22

23 Mini-SPT nin Yenilikçi ve Üstün Yönleri Bu projede kullanılacak SPD ve bağlantılı elektronik devreler yıllardır süren Ar-Ge çalışmaları sonunda çok sert radyasyon koşullarında kararlı bir şekilde çalışacak şekilde geliştirilmiştir. Sadece SPD lerin radyasyona karşı dayanıklı olması yeterli değildir, aynı zamanda SPD sinyallerini okuyan ön-arka yongaları da, özellikle piksel dedektörleri de, radyasyona dayanıklı olmalıdır. ROC-DIG ler, yüksek akı ve yoğun radyasyon ortamlarında çalışabilecek kapasitededir ve teşhis özellikleri olan sıfır pikselleri seyreltme özellikleri taşımaktadır. Tüm bu işlemler için her ROC-DIG başına harcanan güç 125 mw dir. 23

24 Mini-SPT nin Yenilikçi ve Üstün Yönleri Mini-SPT, sadece silikon piksel dedektörleri içermez, aynı zamanda bunları plastik sintilatörlerle ve kalorimetre olarak kullanılan kalın kristal sintilatörlerle birleştirir. Üçlü ölçüm sistemi, aynı anda de/dx, TOF, toplam enerji, parçacık yönü ve alt/üst ayrımı ölçümlerini yapmamızı sağlayacaktır. 24

25 Mini-SPT nin Yenilikçi ve Üstün Yönleri Projemizin diğer bir amacı da, SIMPs teknolojisinin TOF ve enerji ölçümleri için ilk kez uzay ortamında kullanılacak olmasıdır. Bu teknolojinin kullanımı, iyi bir zaman, yer ve enerji çözünürlüğüne sahip çok kaliteli verilerin toplanmasını sağlayacaktır. En önemli amaçlardan biri de, SIMP lerin gelecekte yüklü parçacıklar ve X-ışınları dedektörleri olarak kalorimetrik, TOF, ve de/dx (gidilen yol üzerinde parçacıkların kaybettikleri enerji) ölçümlerindeki performansını göstermektir, ki bu daha önce gösterilmemiştir. Yüksek enerjili protonların geliş açısının doğrudan ölçülebilmesi özellikle anisotropi ölçümleri için hayati önem arz eder. Uydunun içinde bulunduğu çevredeki radyasyonun vereceği hasarla ilgili olarak gerçek zamanlı ve kademeli uyarı sistemi vazifesi görerek, uydudaki elektronik sistemlerin korunmasına karşı önlemler alınmasını sağlar. 25

26 Do you want to work on this project or similar cutting edge particle detectors R&D?? We need young and highly motivated; Electronics engineers Mechatronics engineers Software engineers Experimental high energy physicists Please see profiles that we are looking for, from; and send us your detailed CV to We have available positions 26

27 COSPAR UZAY ARAŞTIRMALARI KOMİTESİ C O S PA R ( T h e C o m m i t t e e o n S p a c e R e s e a r c h ; cosparhq.cnes.fr), uzay araştırmalarını, bilimsel sonuçların, bilgi ve görüşlerin paylaşımını uluslararası düzeyde teşvik eden, 46 ülkenin üye olduğu bir organizasyondur yılından bu yana faaliyet göstermekte olan COSPAR, uzay alanındaki bilimsel araştırmalara katkı sağlayacak bilgi paylaşımı ve tartışma ortamı yaratabilmek için bilimsel toplantılar organize etmekte ve yayınlar çıkartmaktadır. COSPAR, Birleşmiş Milletler e ve uzay araştırmaları alanında faaliyet gösteren milletlerarası organizasyonlara öneriler getirme sorumluluğuna sahiptir. 27

28 COSPAR Kongreleri COSPAR kongrelerinde, uydu, roket ve yüksek irtifa balonları ve teleskop gibi araçlarla gerçekleştirilen araştırmaların sonuçlarının yanısıra astronomi ve uzay bilimleri ve teknolojileri alanlarında yapılan güncel bilimsel araştırmaların uluslararası düzeyde paylaşılmaktadır. COSPAR Kongrelerine NASA, JAXA, ESA ve RKA gibi uzay ajansları da katılım sağlamaktadır. COSPAR Kongreleri çift senelerde düzenlenmektedir. 28

29 41. COSPAR Bilimsel Kongresi - Genel Bilgi Yer: İstanbul Kongre Merkezi, İstanbul / Türkiye Tarihler: 30 Temmuz - 7 Ağustos 2016 Ev Sahibi Kurum: TÜBİTAK UZAY (TUBITAK Space Research Institute) 60 ülkeden yaklaşık 3000 katılımcı bekleniyor. Uzay araştırmaları ve teknolojileri konusundaki tüm çalışmalar sunulacaktır ve ilgili fuar alanı açılacaktır. Özet Bildirim Son Tarihi: 12 Şubat 2016 Geç Kayıt Son Tarihi: 20 Haziran 2016 Bilimsel Program & Sunum Özet Bildirim: Yerel Düzenleme Komitesi Web Sayfası: cospar2016.tubitak.gov.tr 29

30 COSPAR Katılım Ücretleri Katılımcı / Kayıt Türü Tam zamanlı katılımcı Erken Kayıt Geç Kayıt Kongre Esnasında Kayıt 450,00 550,00 650,00 Öğrenci 125,00 175,00 175,00 Refakatçi 100,00 150,00 200,00 Basın 0,00 0,00 0,00

31 41. COSPAR Bilimsel Kongresi Disiplinlerarası Konuşmacılar 31

32 TEŞEKKÜR EDERİM 32

33 Ortalama Elektron ve Proton Akıları Yaklaşık 18 yıllık GEO (~35,786 km yükseklikte yer alan dairesel yörünge) için bulunan Van Allen Kuşakların akıları. 33