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Effetti del seeingLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 5

A fare che?• Esplorazione dell’Universo• Esplorazione del Sistema Solare• Osservazione della Terra• Grandi distanze• Microgravità• TelecomunicazioniLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 6

Il SoleSOHO EIT, Extreme UVLe immagini a varie lunghezzed’onda mostrano differentiregioni del Sole correlate atemperature diverse: dai 6000 Kdella cromosfera ai 10 8 K dellacorona solare.Legnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 7

Il SoleLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 8

Il pianeta rossoLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 9

Il signore degli anelliLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 10

Osservazione dell’universoGalassia NGC300:continuo radio (1.49 GHz)radio (21 cm)lontano infrarosso (60 µm)riga Hα (656.1 nm)ottico (filtro B)raggi X (0.1-2.4 keV).Legnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 12

Cercare le originiLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 13

Osservazione di dischi proto-planetariLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 14

Osservazione della TerraLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 15

Osservazione della TerraLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 16

Detectors ideali per lo spazioRadiation hardnessHigh sensitivityREQUESTSVery low noiseLarge areaSolar blindnessChemical inertnessLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 17

Charge Coupled Devices (CCD)CCD di EIT/SOHOLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 18

CCD – risposta spettraleLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 19

CCD structure & operationPotential along this lineshown in graph above.npnpElectric potentialElectric potentialRegion of maximumpotentialLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 20

CCD – pixelLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 21

incomingphotonspixelboundarypixelboundaryCharge packetn-type siliconp-type siliconElectrode StructureSiO2 Insulating layerLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 22

Misurare la carica elettricaLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 23

CCD readoutSWRRDODResetTransistor--end of serial registerSummingWellOutputNodeOutputTransistorOSV outLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 24

CCD readout20µmOutput Drain (OD)Gate of Output TransistorOutput Source (OS)Output NodeSWRRDODReset Drain (RD)φRResetTransistorSumming Well (SW)Serial Register ElectrodesSummingWellOutputNodeOutputTransistorLast few electrodes in Serial RegisterOSSubstrateLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 25

CCD chip structureImage AreaSerial RegisterOn-chip amplifierat end of the serialregisterCross section ofserial registerLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 26

CCD chip structureImage areaMetal,ceramic or plastic packageConnection pinsGold bond wiresBond padsSilicon chipOn-chip amplifierSerial registerLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 27

Wafer di CCDLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 28

HST/ACSImage courtesy of Ball Aerospace & Technologies Corp.Legnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 29

HST/ACSLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 30

SUBARULegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 31

Mosaici di CCDPROBLEMI• Fattori geometrici: disassamento delle CCD, presenza di gap insensibili alla radiazione tra una CCD el’altra• Perdita di uniformità nella risposta (ogni CCD ed amplificatoreha una propria risposta) aumento della complessità del circuitodi acquisizione e del trattamento dati• Cross-talk tra i vari amplificatoriLegnaro, 28 marzo 2007

Cross-talk tra amplificatoriImmagini mirrorImmaginemirrorimmagine grezza immagine correttaLegnaro, 28 marzo 2007NOAO mosaic II (2kx4k x8CCD)at CTIO Blanco telescope

CorrezioniSingola immagineDithering di 5 immaginicon correzione dei“bad pixel”M 33Legnaro, 28 marzo 2007 NOAO mosaic (2kx4k x8CCD) at KPNO telescope

Fattori geometriciDisassamentocorretto usando WCS(World Coord. System)Vista ortogonaleal piano otticodifetti correggibili aposteriori dopol’acquisizioneGap corretti con “dithering”Legnaro, 28 marzo 2007

Geometria: disassamentoLa necessità di correggere l’inclinazionedei CCD dipende dalla dimensione delpixel e dalla profondità di campodell’otticaSpessore che deveessere minoredella profondità dicampo dell’otticaVista del piano otticocorrezioni da effettuareprima della messa infunzione del CCDRif: “Performance of the CFH12K. A 12k by 8k mosaic camera for the CFHT prime focus” J-C CuillandreLegnaro, 28 marzo 2007

DitheringNGC 3486Per la realizzazione diimmagini astrometriche lapresenza dei gap producevuoti nell’immaginerealizzata.CCD mosaico con gapLegnaro, 28 marzo 2007

DitheringNGC 3486Si risolve acquisendo piùimmagini dello stessooggetto leggermente traslatel’una rispetto all’altra.Legnaro, 28 marzo 2007

DitheringNGC 3486In questo modo possonoessere mascherati altriproblemi cosmetici quali pixele colonne non funzionanti.(bad pixels mask)Rif: “The reduction of CCD mosaic data” F.G. Valdes – Automated Data Analysis in AstronomyLegnaro, 28 marzo 2007

Perdita di uniformitàKPNO mosaic 8kx8k (FLAT FIELD)La correzione riguarda1. guadagno2. electronic bias3. zero level exposure4. dark counts5. flat fieldLegnaro, 28 marzo 2007Rif: “The NOAO Mosaic data handling system”, D. Tody

Sensibilità nel lontano UVIl quantum yield aiutaN e = E γ (eV) / 3.65 eVDEQE = N e ηLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 41

Sensibilità nel lontano UV• Back illumination• Wafer thinning• Ion implantation• Laser annealingLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 42

CCD – efficienza quanticaLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 43

CCD – risposta spettraleLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 44

δ-dopingTecnica messa a punto alJPL/USA – California Institute of TechnologyI dispositivi sono modificati con pochi strati atomici di boro depositati mediante molecular beam epitaxy (MBE)Legnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 45

δ-doped CCD – efficienza quanticaLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 46

L3 CCDE2V Low Light Level CCDRiduce o elimina il CCD read-out noiseLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 47

L3 CCD – architettura del gain registerConventional CCDLLLCCDImage AreaImage Area(Architecture unchanged)On-ChipAmplifierOn-ChipAmplifierSerial register{Gain registerSerial registerThe Gain Register can be added to any existing designLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 48

Registro seriale del CCDImage AreaSerial RegisterRead Out AmplifierBus wiresEdge ofSiliconLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 49

Principio del gain registerGain electrodePotential EnergyLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 50

Principio del gain registerGain electrodePotential EnergyLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 51

Principio del gain registerGain per stage is

L3 CCD - performanceSNRConventional CCDLLLCCDSignal LevelGain Sensitivity of CCD65Readout Noise of CCD65Gain10000100010010120 25 30 35 40Clock High VoltageEquivalent noiseelectrons RMS1001010.10.0120 25 30 35 40Clock High VoltageLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 53

Dark current• Corrente di perdita dei fotorivelatori, i.e., la corrente nonindotta da fotogenerazione• Limita la dinamica dei fotorivelatori:– Riduce l’ampiezza del segnale– Introduce un rumore (shot) non eliminabile con densità spettrale– Può variare molto da punto a punto in un rivelatore d’immaginicausando il fixed pattern noise• Cresce con la temperatura, poiché la concentrazione diportatori intrinseci aumenta in modo proporzionale aLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 54

Rumore termico• Generato dal moto degli elettroni indotto dalla temperaturain regioni resistive• ha valor medio nullo, banda spettrale larga e piatta,distribuzione gaussiana dei valorie densità spettraleLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 55

Raffreddare….• La corrente di buio e il rumore termico dipendonofortemente dalla temperatura• Per ridurne il contributo è necessario e sufficienteraffreddare il sensore.• La temperatura di raffreddamento dipende dallecaratteristiche strutturali ed elettriche del rivelatoreLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 56

RaffreddamentoPassivoRadiatori. Pannelli esterni che irraggianosecondo la legge di StefanLiquidi criogenici. Dewars contenentielio liquido o neon solidoAttivoTEC. Thermo-Electric Coolers basati sueffetto PeltierStirling cycle. Criogeneratori che usanoelio o azoto gas per liquefarloLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 57

Schermi termiciLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 58

Alcuni esempi di missioneMissionCoolerTempHeat liftMassLifetimeUARS/ISAMS2 x Stirling80 K0.5 W5 kg3 yearsIRASHelium cryogen4 KN/A70 kg300 daysSTS/BETSESorption10 K100 mW10 minsCassini/CIRSRadiator80 K200 mW2.5 kgUnlimitedEOS/AIRS2 x Pulse tube55 K1.63 W35 kg50,000hrsHST/NICMOSRev. Brayton65 K8 W2 yearsLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 59

a temporary basis and the openings shall be advertised in theusual way when the layoff has been completed.(e) Employees retained at work by reason of theirseniority and ability following an indefinite layoff who aretransferred to another department shall, upon the initial transfer tosuch department, be assigned, consistent with their respectiveseniority, to the jobs vacated on the shift to which they have beenallocated by employees who have been laid off due to theindefinite layoff.(f) In the event that probationary employees are to becontinued at work during a layoff carried out under section 15.33,the company shall give consideration to retaining the probationaryemployees having the greatest amount of service within thedepartment, plant or bargaining unit, depending on the type oflayoff involved.(9) A probationary employee whose employment isbeing terminated by the company when a layoff is being carriedout shall be informed at the time of separation from the payroll thathidher employment with the company has been terminated andthat he/she will not be given consideration in any recall to work.The committeeperson concerned shall also be informed.(h) The parties subscribe to the principle that so far asconsistent with the company's production requirements, anindefinite layoff affecting Oakville employees with seniority shallnot, so far as reasonably possible, take place until the hours ofwork have been reduced to forty (40) hours per week, and subjectto the same considerations that on recall to work after a layoff ofsuch employees with seniority, the hours of work shall not beincreased to over forty (40) hours per week until the companyrequires more production than can be reasonably anticipated toresult from operations at 40 hours per week.15.34 (a) Oakville employees will be recalled from atemporary layoff of not more than fourteen (14) calendar days inaccordance with their seniority within the department concernedor, in the case of a layoff of fourteen (14) to twenty-four (24)calendar days, in accordance with their seniority in the plantconcerned, provided they are able and willing to perform the workrequired of them.(b) (i) Oakville employees will be recalled from anindefinite layoff in accordance with their seniority within thebargaining unit, provided they are able and willing to perform thework required of them.(ii) On a recall from an indefinite layoff, anOakville employee who has been working in a department otherthan hidher base department, as defined in section 17.09, must60

DisplacementSi ha quando particellepenetrano nei materialicausando danni al reticolocristallino. Si generano statienergetici nella bandaproibita che causano perditadi efficienza di elettronica erivelatori oppure dark current.• Non-ionising energy loss (NIEL) include gli effetti deldanneggiamento di eventi nucleari elastici o non elastici• Charge Transfer Efficiency (CTE) misura l’efficienza ditrasferimento di un pacchetto di carica nei rivelatoriLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 61

Effetti del displacementLa variazione di CTE attesa in orbita per un sensore,tipo un CCD, è calcolata come segue. Si definisce lacostante di danneggiamento K(E) come:∆CTE = K(E) φ(E)dove Phi(E) è il flusso di particelle di energia E, eK(E) = C NIEL(E)Lo spettro differenziale dei protoni mediato su unorbita e attenuato da un dato schermo di alluminio èusato per calcolare l’ammontare del danno causatoad ogni energia del protone. Il danno totale seguedall’integrazione del danno su tutto l’intervallo dienergie:Legnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 62

Single Event Effect (SEE)Il SEE risulta dall’azione di una singola particella energeticaSEESingle event upsetSEU(soft error)Single event latchupSEL(soft or hard error)Single event burnoutSEB(hard failure)Legnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 63

SEUDefinito dalla NASA“radiation-induced errors in microelectroniccircuits caused whencharged particles…lose energy byionizing the medium through whichthey pass, leaving behind a wake ofelectron-hole pairs.”• Provocano errori transienti non distruttivi. Un reset o una riscritturadel componente (memorie) riattivano la normale funzionalità.• Un SEU appare tipicamente come un impulso transiente nellacircuiteria di supporto o logica, o come un ‘bit flip’ nelle celle dimemoria o nei registri.• Un SEU grave si definisce ‘single-event functional interrupt’ (SEFI).Blocca le normali operazioni e richiede un reset di potenza perrecuperare le normali funzioni operative.Legnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 64

Effetto di SEU protoniciI protoni possono• Ionizzare• Provocare ‘spallazione’Legnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 65

SEL• Condizione che genera il malfunzionamento di un dispositivo acausa di una elevata corrente indotta da un singolo evento.• I SEL sono potenzialmente distruttivi e causa di danni permanenti• La condizione ‘latched’ può distruggere il dispositivo, ridurre latensione sul bus, o danneggiare il power supply.• Un SEL può essere rimosso da un power off-on or power strobingdel dispositivo. Se la potenza non viene rimossa rapidamente, puòaccadere un danno irreversibile dovuto a eccesso di riscaldamento,o rottura delle metallizzazioni o dei bonding.• Il SEL dipende fortemente dalla temperatura: la soglia di latchupdecresce ad alta temperatura e la sezione d’urto cresce.Legnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 66

SEB• Condizione che può causare la distruzione del dispositivo a seguitodi 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(alta tensione di drain-source) quando uno ione pesante passandodeposita una carica sufficiente ad attivare il dispositivo.• La suscettibilità ai SEB decresce al crescere della temperatura.Legnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 67

Detectors ideali per lo spazioRadiation hardnessHigh sensitivityREQUESTSVery low noiseLarge areaSolar blindnessChemical inertnessLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 68

CMOS - APSLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 69

Limiti dei CMOS - APS• Formati ancora ridotti rispetto ai CCD• Readout noise elevato• Bassa efficienza quantica (< 50%)• Basso filling factor (circa 50%)• Limitato range dinamico (12 bits in analog mode)• Range spettrale limitato al visibileRef. N. Waltham, RAL, UKLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 70

CMOS APS back illuminated @ RALSviluppo di rivelatori CMOSUV sensitive and rad hard4k x 3k CMOS APS (sinistra) e laversione back-thinned (destra).Legnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 71

SOLAR ORBITERLancio: maggio 2015Orbita: Ellittica intorno al Solecon inclinazione crescente finoad un massimo di 35°rispettoall’equatore solare.Obiettivi: fare immagini adaltissima risoluzione e misurein-situ ravvicinateLa missione: avvicinandosi a45 raggi solari, il Solar Orbiteresaminerà l’atmosfera solarecon risoluzione spaziale dicirca 100 km per pixel. Sullungo periodo, il Solar Orbiterinvierà immagini e dati sulleregioni polari e 3D del globo.Legnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 72

MCP – principio di funzionamentoMicro-tubo (diam. Tip. 10 µm)Vetro piombatoAlimentazione di 1 kV ai capiEfficienza typ. < 10%Legnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 73

MCP – strutturaLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 74

MCP readout overviewCourtesy of Michela Uslenghi, IASF MilanoMCP+phosphorscreen+imaging sensorBest spatial resolutionHigh GDR (> MHz)Limited LDR ≤ 100 ct/s(XMM OM, SWIFT UVOT,ASTROSAT UVIT, …)Warning: FEEcomplex, needASICsWarning: geometricdistortions, count ratedependentLow GDR(~10 KHz)FUSEHST STISGDR ~1 MHzSOHO, IMAGE,COS, CHIPS,GALEXGDR < 200 KHzLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 75

FotocatodiLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 76

AnodiDelay linesWedge and stripsLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 77

MCP e anodi di letturaLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 78

MCP e anodi: montaggioLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 79

ICCD – principio difunzionamentoLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 80

Intensified CCDLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 81

MCP: vantaggi1. Lavora in photon counting mode; il “readout noise” è virtualmente nullo2. Low background noise: dark counts < 5 counts/cm 2 s @20°C nell’NUV,assumendo un pixel quadrato di15 µm si hanno < 1.1⋅10 -5 counts/pixel⋅s3. Queste caratteristiche non si degradano con il radiation damage4. Lunghe tempi di osservazione di oggetti deboli senza interruzione (don’tneed multiple exposures for cosmic ray rejection)5. Photon time tag mode, risoluzione temporale al µs (dipende dal sistemadi readout)6. Disponibili solar blind photocathodes e non servono filtri per i red-leaks.Inoltre, è possibile fare misure senza filtri fotometrici, usando le bandedefinite dai fotocatodi7. Non richiede sistemi di raffreddamentoLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 82

DLL/MCP ALICE Detector AssemblyLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 83

GALEXLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 84

FUSELegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 85

Indagare sulle possibili alternativeWide bandgap materialsLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 86

GaN / AlGaNE. Monroy, F. Calle, J. L. Pau,and E. MuñozDpto. Ingeniería Electrónica, Univ.Politécnica de Madrid, SpainF. Omnès, B. Beaumont, and P. GibartCRHEA-CNRS, Valbonne, FranceLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 87

SiC128 x 128 pixel arraypixel size of 25 µm x 25 µmLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 88

DiamondAppealing materials for XUV photon detection.The main properties are hereafter summarized : E g = 5.5 eV dark current < 1 pA visible rejection (ratio 10 -7 ) high XUV sensitivity Highly radiation hard Chemical inert Mechanically robust High electric charge mobility = fast response time Low dielectric constant = low capacitanceLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 89

Why diamondMATERIALPROPERTYHigher performancesNo coolingLess optics & no filtersLow young'smodulusNo coatingsNo Small radiation band gapshieldingMechanical hardnessReactivesurfaceWeak BondingIMAGERPROBLEMDifficult to tothinDark currentVisible lightresponseUnstable UVresponseBulk radiationdamageSYSTEMSOLUTIONBack supportCoolingMore opticsPhosphor,coatingShieldingHybridLow powerLight systemSPACE SYSTEM IMPROVEMENTSYSTEMPENALTYSeverecleanlinessRequirementsLong durabilityPower hungryClean environmentHeavyVibrationproblemsMagnetictorque on onspacecraftLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 90

Diamond detectorshνhνCoplanargeometryTransversegeometryLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 91

Detector technologyInterdigitated electrodesDiamond layerLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 92

Dark current10pCVD2005100Current (fA)0-5Current (fA)0-100-10scCVD-2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5Electric field (V / µ m)-200-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5Electric Field (V/ µ m)Legnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 93

Tempi di risposta1,01,0Normalized photocurrent (a.u.)0,90,80,70,60,50,40,30,20,10,050 kV/cm10 kV/cm0,90,80,70,60,50,40,30,20,10,050 kV/cm10 kV/cm100 150 200Time (s)425 450 475 500 525 550Legnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 94

Tempi di rispostaTransitori @ 10keV (@ 1.37E12 ph/s)Transitori @ 10keV (@ 1.37E12 ph/s)Corrente (nA)1E-81E-9rise time222msrise time170 msrise time130 msCorrente (nA)7.0x10 -96.0x10 -95.0x10 -94.0x10 -93.0x10 -92.0x10 -9rise time222msrise time170 msrise time130 ms1E-10fall time200ms1.0x10 -90.08.0x10 -9 fall time200ms-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110Tempo (s)-1.0x10 -90 20 40 60 80 100Tempo (s)Legnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 95

Electro-optical performanceEQE=IPfotth νq=µτ EηL=η GE. Pace et al., Diam. Rel. Mater. 9 (2000) 987-993. pCVDExternal quantum efficiency1001010,10,011E-31E-41E-51E-61E-71E-8E = 2.8 V/µmUV/VIS > 10 8200 400 600 800 1000Wavelength (nm)Legnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 96

Quantum efficiencypCVDscCVD100100EQE (e - / ph)101EQE (electrons/photon)1010,10,11.2 V / µ m0,015 V/ mm1 V/ mm140 160 180 200 220 240140 160 180 200 220 240Wavelength (nm)Wavelength (nm)Legnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 97

Comparison10 3 EQE CVD Diamond[1] Naletto, Pace et al, 1994[2] Wilhelm et al.,1995EQE (e - / ph)10 210 110 010 -110 -210 -310 -410 -510 -610 -710 -8[1]EQE UV enhanced CCDEQE MCP + KBr100 120 140 160 180 200 220 240 260Wavelength (nm)[2]Legnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 98

Minimum detectivityNEPλ = 210 nm ; EQE = 300NEP = 5 x 10 -11 erg s -1 cm -2 nm -1Legnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 99

Fluxes & SensitivityNEP = 5 x 10 -11 erg s -1 cm -2 nm -1Legnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 100

Electronic structuresDM17250 µm(8,4 ± 0,4) µm(15 ± 1)µm(52,9 ±0,4) µm (6,8 ± 5) µm (18 ± 1) µm(8,4 ± 0,4) µm(54 ± 1) µm650 µmDP129Legnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 101

PrestazioniLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 102

XUV spectral responseLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 103

Strutture MIS-20V @160nm-20V @210nm2.0x10 -12i-DiamAlPhotoCurrent (A)1.0x10 -12p-Diam0.00 100 200 300 400 500 600 700 800Time (s)-50 V PC 160nm-50 V PC 210nmHPHT DiamSubstrateElectricconnectionPhotoCurrent (A)6.0x10 -123.0x10 -120.0100 200 300 400 500 600 700Time (s)Legnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 104

Strutture a pixel su MISLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 105

Proposed devicesE. Pace et al., ESA Proceedings, SP-493 (2001) 311-314.E. Pace et al., SPIE Proc. 4498 (2001) 121-130.Grounded MeshIncident radiationDiamond layerBack electrodesLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 106

Conclusioni• La rivelazione di fotoni nello spazio è dominata dadispositivi tipo CCD• La tecnologia dei CCD si spinge verso:– Low signal detection (L3 CCD)– Mosaici– Miniaturizzazione dell’elettronica di read-out• La sensibilità nell’UV è molto bassa• Uso di rivelatori alternativi: MCP o CMOS-APS• Ricerca di dispositivi alternativi basati su materialiinnovativi: GaN, SiC, diamante.• Lo sviluppo è a livello di ricerca e si avviata la fasesperimentale su satelliti tecnologiciLegnaro, 28 marzo 2007E. Pace, Rivelatori per lo spazio dall'IR all'UV 107