Osmipalcový křemíkový wafer s detekčními čipy SpacePix-2
Ionizující záření na oběžné dráze Země má destruktivní vliv na elektronické systémy. Může tak zvýšit jejich nespolehlivost v důsledku kumulativního radiačního poškození nebo tranzientních jevů jakým je například takzvaný Single Event Upset (SEU), který způsobuje změnu obsahu paměti v elektronických čipech. Záření v kosmickém prostředí může také poškodit i mechaniku zařízení, kdy materiál například zkřehne, či dojde k jeho povrchovému poškození. Negativní vliv se neomezuje pouze na zařízení, ale postihuje také živé organismy včetně samozřejmě lidí. Aby bylo možné radiaci na oběžné dráze kolem Země a v meziplanetárním prostoru studovat, vyvíjí vědci v Centru aplikované fyziky a pokročilých detekčních systémů (CAPADS) na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze (FJFI) unikátní pixelové detektory schopné měřit a identifikovat příspěvky různý druhů záření, které se podílejí na celkové absorbované dávce záření.
Povaha ionizujícího záření ve vesmírném okolí Země je kvalitativně odlišná od terestrických zdrojů záření a z tohoto důvodu je kosmická dozimetrie z hlediska požadavků na detekční instrumentaci a účinků velmi odlišná od té pozemské. Od konce misí Apollo se lety s lidskou posádkou odehrávají na nízké orbitě (Low Earth Orbit – LEO) kolem Země, kde je posádka do velké míry chráněná zemskou magnetosférou. Při letech za LEO (např. na Měsíc), které nyní plánují kosmické agentury a soukromé společnosti, je situace složitější, a vznikl proto zájem o novou generaci kompaktních detektorů umožňující charakterizovat kosmické počasí a zejména radiační pole v okolí kosmického plavidla.
„Takové zařízení může být pixelový monolitický detektor záření, v němž jsou senzorová část a elektronika integrovány v jednom čipu. Nyní je možné takový detektor vyrobit pomocí moderních mikro a nano-technologií, a při správných postupech designu může být inherentně radiačně a SEU odolný. A právě takový detektor jsme vyvinuli a loni v červenci vyslali do vesmíru. Nyní už máme jeho pokročilou variantu SpacePix-2,“ vysvětluje Michal Marčišovský, vedoucí fyzik řešitelského týmu CAPADS.
senzor SpacePix-2
Monolitický aktivní pixelový senzor SpacePix-2 tvoří mikroelektronický integrovaný obvod (mikročip) citlivý na ionizující záření. Na jediném čipu je integrováno pole citlivých diod a současně i elektronika pro zpracování signálu z těchto diod. Technické požadavky na tento kosmický detektor i návrh mikroelektronického čipu SpacePix-2, vznikly na FJFI. Výroba čipů SpacePix-2 proběhla ve velké polovodičové továrně s využitím pokročilé mikroelektronické technologie SOI-CMOS 180 nm. Tato technologie je příbuzná procesům, kterými se vyrábí spotřební elektronika.
Detekční čipy SpacePix-2 se vyrábějí na křemíkových deskách (waferech). Použitá technologie s minimálním rozměrem motivu hluboce pod 1 µm zajišťuje vysokou radiační odolnost proti kumulativním radiačním efektům a umožňuje dosáhnout vysoké hustoty integrace. U kritických elektronických obvodů na čipu byla vhodným návrhem zvýšena odolnost vůči tranzientním radiačním efektům (SEU). Na relativně malé ploše senzoru SpacePix-2 je integrováno 1,15 milionu tranzistorů.
„Miniaturizace senzorů je pro využití v kosmickém průmyslu klíčová. Kompaktní detektor s nízkou hmotností a nízkou spotřebou je možné jednodušeji napájet z baterií i ve chvílích, kdy solární články nejsou ozářené, a proto je snadnější detektor integrovat do většího počtu satelitů,“ upřesňuje Miroslav Havránek z CAPADS a dodává: „Miniaturní detektor tak můžeme nejen testovat v nano-satelitech platformy Cube-Sat, ale existuje potenciál jej dostat i na komerční satelity. A čím více detektorů budeme ve vesmíru mít, tím přesněji a lépe dokážeme radiaci měřit a následně hledat způsoby, jak se před ní chránit.“
SpacePix-2 obsahuje pixelovou matici 64×64 pixelů, které představují 4096 nezávislých měřicích kanálů. Detektor dokáže měřit nejen průlet částice kosmického záření senzorem, ale také energii, kterou částice v senzoru při průletu zanechá.
logo čipu SpacePix-2
Díky velkému dynamickému rozsahu pro měření energie deponované v senzoru je možné vytvořit zařízení, které nejenom umožní měřit standardní dozimetrické veličiny, ale také umí identifikovat jednotlivé částice jako jsou elektrony, protony a těžké ionty v širokém rozsahu energií a určit směr ze kterého přiletěli. Nové zařízení SpacepiX Radiation Monitor (SXRM) vychází z konceptu dráhových detektorů z částicové fyziky a bude prvně otestováno na družici VZLUSAT2 v rámci společného projektu VZLU, FJFI, evolving systems consulting a ZČU v Plzni.
V současnosti probíhají činnosti charakterizace detekčních čipů, simulace detekčních parametrů a výroba vlastního detekčního modulu. Start družice VZLUSAT2 se očekává koncem roku 2020.
Vědci tak naváží na svůj loňský úspěch, kdy na oběžnou dráhu Země v červenci vyslali svůj první pixelový detektor SpacePix. Vynesla ho tam ruská raketa Sojuz 2.1b/Fregat jako součást družice Socrat-R. Detektor byl umístěn v modulu, který společně připravila FJFI, společnost esc Aerospace a Ústav jaderné fyziky AV ČR (ÚJF).
Pixelové detektory nové generace byly vyvinuty v České republice na FJFI v rámci grantů TA ČR TJ01000200 a TH04010294 a s podporou Evropské unie v rámci OP VVV projektu Centrum pokročilých aplikovaných přírodních věd – CAAS (CZ.02.1.01/0.0/0.0/16-019/0000778). Uvedené projekty navazují na aktivity projektu Centra kompetence TA ČR TE01020069.
Centrum aplikované fyziky a pokročilých detekčních systémů
Centrum aplikované fyziky a pokročilých detekčních systémů (CAPADS) na katedře fyziky je předním univerzitním pracovištěm v oboru výzkumu a vývoje nových technologií detekce ionizujícího záření. Zabývá se výzkumem a vývojem špičkových technologií detekce ionizujícího záření, podílí se na instrumentaci předních světových experimentů v částicové fyzice, studuje možnosti transferu technologií ze základního výzkumu do sféry praktických aplikací a zapojuje studenty do špičkových mezinárodních výzkumných projektů.
Zkrácená verze tohoto článku vyšla v červnovém vydání časopisu Pražská technika 3/2020.