L’ambiente spaziale

1. Corso di Rivelatori per lo Spazio L’ambiente spaziale Dr. Emanuele Pace Giugno 2006

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

3. Sistema 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 E. Pace - Rivelatori per lo spazio

4. Sistema 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 E. Pace - Rivelatori per lo spazio

5. Spettro solare E. Pace - Rivelatori per lo spazio

6. Variabilità solare E. Pace - Rivelatori per lo spazio

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

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

9. 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 E. Pace - Rivelatori per lo spazio

10. Effetti • 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 E. Pace - Rivelatori per lo spazio

11. L’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. E. Pace - Rivelatori per lo spazio

12. Pressione 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 E. Pace - Rivelatori per lo spazio

13. Densità 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: Mipeso molecolare R* costante universale dei gas g=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 E. Pace - Rivelatori per lo spazio

14. Temperatura atmosfera E. Pace - Rivelatori per lo spazio

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

16. Densità parziali E. Pace - Rivelatori per lo spazio

17. Riscaldamento della sonda Solar radiation 1371 W/m2 Albedo + blackbody emission 200 W/m2 X X Solar wind 2 x 105 K Atmosphere 103 K Rate di collisioni e riscaldamento trascurabili E. Pace - Rivelatori per lo spazio

18. 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% E. Pace - Rivelatori per lo spazio

19. Global Albedo E. Pace - Rivelatori per lo spazio

20. 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 E. Pace - Rivelatori per lo spazio

21. Sistema solare Vento solare Campi magnetici Temperatura Atmosfere Asteroidi e corpi minori Orbite sull’eclittica Orbite circolari E. Pace - Rivelatori per lo spazio

22. 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 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. Impatto sul progetto di una sonda • 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 E. Pace - Rivelatori per lo spazio

24. Micrometeorites E. Pace - Rivelatori per lo spazio

25. Atmosfera 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. E. Pace - Rivelatori per lo spazio

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

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

28. Outgassing • 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 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 outgassing E. Pace - Rivelatori per lo spazio

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

32. Esempio: lubrificante Torr lube * 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 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 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 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 atomico • Ossidazione • Modifica delle proprietà dei materiali • Esempi MoS2 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 sull’azione dell’ossigeno atomico sui materiali E. Pace - Rivelatori per lo spazio

37. Test 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 lifetime Strenght fatigue lifetime I gas assorbiti facilitano la formazione di cracks Ossidazione e diffusione dei gas assorbiti nel bulk del materiale • Il vuoto migliora di circa un ordine di grandezza la vita media dei materiali • Un materiale che migliora molto è il vetro E. Pace - Rivelatori per lo spazio

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

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

41. Dose accumulata Il protone provoca maggiori danni dell’elettrone a causa del maggior momento E. Pace - Rivelatori per lo spazio

42. Displacement 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. • 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 E. Pace - Rivelatori per lo spazio

43. Effetti 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 effect • 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

45. 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 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 protonici • I protoni possono • Ionizzare • Provocare ‘spallazione’ E. Pace - Rivelatori per lo spazio

47. 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 d’urto cresce. E. Pace - Rivelatori per lo spazio

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

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

50. 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