Análise dos Danos da Radiação de Protões Orbitais em Detectores de CDTE

Abstract

As futuras missões de telescópios espaciais, para astrofísica de altas energias, requerem uma análise adicional dos danos gerados pela radiação do ambiente orbital, na instrumentação a bordo. Um satélite científico numa órbita LEO (Low Earth Orbit ~ entre 350 a 1400 km acima da superfície terrestre) é exposto ao ambiente hostil das partículas carregadas, principalmente protões presos na cintura de Van Allen (até ~ 300 MeV) que interagem com os materiais dos equipamentos espaciais [5,27,29]. No caso de detectores de semicondutor, a colecção de carga é afectada dada a diminuição de mobilidade dos electrões e das lacunas do material irradiado. O desempenho do detector também será afectado, bem como a sua resolução de energia. Estas missões podem ser seriamente comprometidas, visto que, os protões são a principal fonte de activação nuclear dos materiais do detector, sendo por isso necessário um estudo aprofundado sobre os danos causados pela radiação nos detectores de semicondutor. Com o objectivo de optimizar os desempenhos dos planos de detecção de Telureto de Cádmio (CdTe), para futuros telescópios espaciais para altas energias, mediram-se e analisaram-se os efeitos gerados pelos protões em diferentes protótipos de CdTe da EURORAD (com uma área de 10 e 15 mm2 e 1 mm de espessura) para se compreender a resposta dos transportadores de carga, ou seja, a mobilidade e o tempo de deriva dos electrões e das lacunas do material semicondutor. Através deste estudo, foram realizadas várias medidas sob um feixe de protões do Ciclotrão (IBA Cyclone 18/9) do ICNAS (Instituto de Ciências Nucleares Aplicadas à Saúde) da Universidade de Coimbra, na gama de energia de 3 MeV a 14 MeV, com uma corrente máxima de ~ 150 mA (~ 9,4x1014 protões / s) [28]. Os detectores de CdTe caracterizaram-se previamente em laboratório, em particular, fizeram-se medições: de correntes de fuga, de mobilidade e tempo de deriva das cargas (μτ), para demonstrar a degradação da resolução em energia com várias fontes de raios gama (Na22, Cs137, Ba133, Am241). Nas instalações do ICNAS, as medidas foram sucedidas irradiando, uniformemente, a superfície dos protótipos. Várias configurações de fluxos de protões foram estipuladas durante os testes. No entanto, a fluência total, ou seja, o número de protões por cm2, teve a duração típica de uma missão espacial. Os efeitos da radiação analisaram-se através do aumento da dose de protões e das medições pós-irradiação realizadas (idênticas às feitas previamente no laboratório).Os resultados obtidos foram analisados e discutidos no contexto das condições de um ambiente de radiação espacial e de optimização dos planos de detecção de raios gama em telescópios espaciais para altas energias.

Future high-energy space telescope missions require further analysis of orbital environment radiation damage on main instruments. A scientific-satellite in a LEO (Low Earth Orbit ~between 350 to 1400 km) is exposed to the charged particles harsh environment, mainly geomagnetically trapped protons (up to ~300 MeV) that interact with space instruments materials. In case of semiconductor detectors, it affects the charge collection due to charge mobility lost in detector material and deteriorates its performance such as the energy resolution. Besides, missions can be seriously affected because protons are the main source of nuclear activation of the detector material. Therefore the analysis of the effects of semiconductor radiation damage is a subject of prime importance in the space instrumentation domain.In order to optimize inflight operational performances of future CdTe based high-energy telescope detection planes, under orbital radiation environment, was measured and analyzed the effects generated by protons on different EURORAD CdTe prototypes (10 to 15mm2 surface area and 1 mm thickness) to understand the response of charge carriers, i.e. the mobility and lifetime of electrons and holes. To carry-out this study several sets of measurements were performed under a cyclotron proton beam, in the energy range from 3 MeV to 14 MeV,at ICNAS (Instituto de Ciências Nucleares Aplicadas à Saúde) cyclotron (IBA Cyclone 18/9) at the Coimbra University, under a proton beam with a maximum current of ~150 mA (~9.4x1014 protons/s) [1]. The CdTe detector was previously characterized in laboratory, in particular its leakage currents, the mobility-lifetime (μτ) products for electrons and holes, energy resolution degradation with peak channels under several gamma-ray sources (22Na, 137Cs, 133Ba, 241Am). At ICNAS measurements were performed irradiating uniformly the prototypes surface. Several proton fluxes configurations were setup during the tests. Nevertheless, the total fluency (i.e. the number of protons per cm2) was of the order of typical flight mission duration. Radiation damage effects were analysed by increasing proton dose and post-irradiation similar measurements performed in laboratory.The obtained results will be analysed and discussed in the context of radiation environment inflight conditions and space telescopes’ gamma-ray detection planes optimization.