Bewertung der SiPM-Leistung im Weltraum über drei Jahre

Heutzutage nutzen viele kleine Satelliten, die CubeSats genannt werden, spezielle Sensoren namens Silizium-Photomultiplier (SiPMs), um Licht zu erkennen. Diese Sensoren sind super darin, winzige Lichtmengen wahrzunehmen, weil sie einzelne Photonen registrieren können. Aber es gibt einen Haken: SiPMs können durch Strahlung im Weltraum beschädigt werden.

Da immer mehr Weltraummissionen SiPMs verwenden, ist es mega wichtig herauszufinden, wie gut sie unter diesen harten Bedingungen funktionieren. In diesem Artikel wird eine Studie vorgestellt, die zeigt, wie sich SiPMs während über drei Jahren im Weltraum verhalten haben.

#Was sind SiPMs?

Silizium-Photomultiplier sind winzige Sensoren, die Lawinen-Photodioden nutzen, um Licht in elektrische Signale umzuwandeln. Sie sind klein, brauchen wenig Strom und reagieren schnell, was sie grossartig für den Einsatz in Weltraummissionen macht. Aber der Weltraum ist kein einfacher Ort für diese Sensoren.

Wenn sie der Strahlung aus dem All ausgesetzt sind, können sie beschädigt werden. Deshalb müssen Wissenschaftler herausfinden, wie gut diese Sensoren im Laufe der Zeit in einer Weltraumumgebung funktionieren.

#Ein Blick auf die Missionen

Diese Studie konzentriert sich auf zwei CubeSats: GRBAlpha und VZLUSAT-2. GRBAlpha wurde im März 2021 gestartet, und VZLUSAT-2 folgte im Januar 2022. Beide wurden in eine sonnensynchrone polare Umlaufbahn geschickt, was bedeutet, dass sie jeden Tag zur gleichen Zeit über denselben Bereich der Erde fliegen.

GRBAlpha trägt einen Gammastrahlendetektor aus einem glänzenden Material namens CsI(Tl) und ist mit acht SiPMs ausgestattet. Dieser Satellit erkennt regelmässig starke Gammastrahlenausbrüche, die bei Ereignissen wie Sonnenflecken und Gammastrahlenausbrüchen entstehen. Ähnlich hat der VZLUSAT-2 zwei Gammastrahlendetektoren, die dem auf GRBAlpha sehr ähnlich sind.

#Die Herausforderung der Strahlung

Der Weltraum ist voller Strahlung von der Sonne und kosmischen Strahlen, und das kann echt hart für Elektronik sein. Die Sensoren auf GRBAlpha und VZLUSAT-2 sind durch einen Bleilegierungsschutzschirm geschützt, der ungefähr 2,5 mm dick ist. Dieser Schutz hilft, die SiPMs vor Strahlenschäden zu bewahren, die mit der Zeit auftreten können.

Durch diese Studie konnte das Forschungsteam analysieren, wie die Sensoren im niedrigen Erdorbit gealtert sind. Sie haben drei Jahre Daten gesammelt, was diese Studie in ihrer Länge und ihrem Fokus einzigartig macht.

#Was sie gemacht haben

Die Forscher haben Daten gesammelt, indem sie die Leistung der SiPMs an Bord beider CubeSats über einen längeren Zeitraum untersucht haben. Sie haben besonders nach Änderungen in zwei wichtigen Bereichen gesucht: der Empfindlichkeitsschwelle für niedrige Energien und der Dunkelzählrate. Die Empfindlichkeitsschwelle ist das minimale Energieniveau, das der Sensor benötigt, um Licht zu erkennen, während die Dunkelzählrate die Menge an Rauschen beschreibt, die nicht durch echtes Licht verursacht wird, sondern durch zufällige Schwankungen.

Um diese Faktoren zu messen, haben sie regelmässig Hintergrundspektren gesammelt, die helfen, die Rauschpegel und Änderungen in der Leistung der Sensoren hervorzuheben. So konnten sie sehen, wie sehr die Strahlung die Sensoren über die Zeit beeinflusst hat.

#Ergebnisse zur Sensorleistung

Über drei Jahre zeigte sich, dass die Empfindlichkeitsschwelle des GRBAlpha-Sensors von ihrem ursprünglichen Niveau gesenkt wurde. Das bedeutet, dass der Sensor weniger fähig wurde, schwache Lichtsignale zu erkennen. Was die Dunkelzählrate betrifft, so nahm diese zu, was bedeutet, dass der Sensor mehr Rauschen erfasste.

Die Studie fand auch heraus, dass die Bedingungen im Weltraum die Leistung der Sensoren beeinflussten. Der Anstieg der Dunkelzählungen deutete darauf hin, dass die Sensoren aufgrund der Strahlung alterten. Das ist nicht überraschend, da viele elektronische Geräte Schwierigkeiten haben, unter harten Bedingungen langlebig zu sein.

#Temperatur spielt eine Rolle

Interessanterweise bemerkten die Forscher auch, wie die Temperatur die Sensoren beeinflusste. Sie konnten feststellen, dass sich bei unterschiedlichen Temperaturen die Leistung der SiPMs ebenfalls änderte.

Zum Beispiel, wenn die Temperatur der onboard Sensoren anstieg, stieg auch die Empfindlichkeitsschwelle. Das bedeutet, dass die Sensoren je nach Temperatur unterschiedlich reagieren könnten.

Die Forscher hatten drei Thermometer auf der Detektorplatine des GRBAlpha-Satelliten, die es ihnen ermöglichten, diese Temperaturveränderungen während seiner Mission zu verfolgen.

#Die Auswirkungen der Sonnenaktivität

Ein weiterer Faktor, der berücksichtigt wurde, war die Sonnenaktivität, die im Laufe des Jahres schwankt. Wenn die Sonne aktiver ist, kann sie Strahlungsausbrüche senden, die die Leistung elektronischer Geräte auf Satelliten beeinflussen könnten.

Allerdings fanden die Forscher keinen direkten Zusammenhang zwischen der Sonnenaktivität und den Veränderungen, die sie bei der Leistung der Sensoren beobachteten. Das ist ein bisschen überraschend, da man denken könnte, dass die Sensoren stärker betroffen sind, wenn die Sonne mehr Energie ausstrahlt.

#Was steht als Nächstes für SiPMs an?

Angesichts der Ergebnisse dieser Studie sind die Forscher optimistisch bezüglich des Einsatzes von SiPMs in zukünftigen Weltraummissionen. Die Studie zeigte erfolgreich, dass diese Sensoren mit ordnungsgemässem Schutz über drei Jahre im Weltraum betrieben werden können, was Möglichkeiten für komplexere Missionen eröffnet. Man kann sicher erwarten, dass in Zukunft mehr CubeSats SiPMs zur Detektion von Gammastrahlen in hochenergetischen Astrophysikmissionen verwenden werden.

#Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Forschung die Leistung von Silizium-Photomultiplikatoren im Weltraum über einen längeren Zeitraum bewertet hat.

• Sie fanden heraus, dass Strahlung diese Sensoren tatsächlich schädigen kann, was dazu führt, dass sie im Laufe der Zeit weniger empfindlich auf Licht reagieren.
• Der Anstieg der Dunkelzählungen war ebenfalls ein klares Indiz für das Altern.
• Temperaturveränderungen spielten eine Rolle dabei, wie gut die Sensoren funktionierten.
• Obwohl kein klarer Zusammenhang zwischen Sonnenaktivität und Sensorleistung gefunden wurde, demonstrierte die Studie dennoch das Potenzial für SiPMs in zukünftigen Weltraummissionen.

Also, während der Weltraum vielleicht die letzte Grenzen ist, ist er auch ein kniffliger Spielplatz für Elektronik. Mit fortlaufender Forschung und Entwicklung können wir spannende Erkenntnisse in der Welt der Raumfahrt erwarten. Wer weiss? Vielleicht haben wir eines Tages CubeSats, die uns sagen können, wenn Aliens uns ein Signal senden!