Évaluation de la performance des SiPM dans l'espace sur trois ans

Aujourd'hui, plein de petits satellites, appelés CubeSats, utilisent des capteurs spéciaux appelés Photomultiplicateurs en silicium (SiPMs) pour détecter la lumière. Ces capteurs sont super efficaces pour capter des petites quantités de lumière car ils peuvent enregistrer des photons individuels. Mais il y a un hic : les SiPMs peuvent être endommagés par le rayonnement dans l'espace.

Avec de plus en plus de missions spatiales qui utilisent des SiPMs, il est vraiment important de comprendre comment ils tiennent le coup dans ces conditions difficiles. Cet article parle d'une étude montrant comment les SiPMs se comportaient pendant plus de trois ans de vol dans l'espace.

#Qu'est-ce que les SiPMs ?

Les photomultiplicateurs en silicium sont des petits capteurs qui utilisent des photodiodes à avalanche pour convertir la lumière en signaux électriques. Ils sont compacts, consomment peu d'énergie et réagissent vite, ce qui en fait des partenaires idéaux pour les missions spatiales. Cependant, l'espace n'est pas un endroit de tout repos pour ces capteurs.

Quand ils sont exposés au rayonnement de l'espace, ils peuvent être abîmés. De ce fait, les scientifiques doivent déterminer combien de temps ces capteurs fonctionnent correctement dans un environnement spatial.

#Un aperçu des missions

Cette étude se concentre sur deux CubeSats : GRBAlpha et VZLUSAT-2. Le GRBAlpha a été lancé en mars 2021, et le VZLUSAT-2 a suivi en janvier 2022. Les deux ont été envoyés en orbite polaire synchrone au soleil, ce qui signifie qu'ils passent au-dessus de la même zone de la Terre à la même heure chaque jour.

Le GRBAlpha transporte un détecteur de rayons gamma composé d'un matériau brillant appelé CsI(Tl) et est équipé de huit SiPMs. Ce satellite détecte régulièrement de fortes explosions de rayons gamma, qui se produisent lors d'événements comme des éruptions solaires et des sursauts gamma. De même, le VZLUSAT-2 a deux détecteurs de rayons gamma, très similaires à celui du GRBAlpha.

#Le défi du rayonnement

L'espace est rempli de rayonnements provenant du soleil et des rayons cosmiques, ce qui peut vraiment endommager l'électronique. Les capteurs sur le GRBAlpha et le VZLUSAT-2 sont protégés par un bouclier en alliage de plomb d'environ 2,5 mm d'épaisseur. Ce bouclier aide à protéger les SiPMs des dommages causés par le rayonnement au fil du temps.

Grâce à cette étude, l'équipe de recherche a pu analyser comment les capteurs vieillissaient en vol dans l'orbite terrestre basse. Ils ont recueilli des données pendant trois ans, ce qui rend cette étude unique par sa durée et son focus.

#Ce qu'ils ont fait

Les chercheurs ont collecté des données en examinant les performances des SiPMs à bord des deux CubeSats pendant une longue période. Ils ont particulièrement surveillé des changements dans deux domaines clés : le seuil de sensibilité à basse énergie et le Taux de comptage noir. Le seuil de sensibilité est le niveau d'énergie minimum nécessaire pour que le capteur détecte la lumière, tandis que le taux de comptage noir fait référence à la quantité de bruit qui n'est pas causée par de la vraie lumière, mais plutôt par des fluctuations aléatoires.

Pour mesurer ces facteurs, ils ont régulièrement collecté des spectres de fond, qui aident à mettre en évidence les niveaux de bruit et tout changement dans les performances des capteurs. En procédant ainsi, ils pouvaient voir dans quelle mesure le rayonnement avait affecté les capteurs au fil du temps.

#Résultats sur la performance des capteurs

En trois ans, les résultats ont montré que le seuil de sensibilité du capteur GRBAlpha a diminué par rapport à son niveau d'origine. Ça veut dire que le capteur est devenu moins capable de détecter des signaux lumineux faibles. Quant au taux de comptage noir, il a augmenté, ce qui signifie que le capteur a commencé à capturer plus de bruit.

L'étude a également révélé que les conditions dans l'espace affectaient les performances des capteurs. L'augmentation des comptages noirs a suggéré que les capteurs vieillissaient à cause de l'exposition au rayonnement. Ce n'est pas étonnant, car beaucoup d'appareils électroniques peuvent avoir du mal à durer dans des conditions difficiles.

#La température a son mot à dire

C'est intéressant, les chercheurs ont aussi remarqué comment la température influençait les capteurs. Ils ont pu voir qu'à différents moments, quand la température variait, les performances des SiPMs changeaient aussi.

Par exemple, quand la température sur les capteurs à bord augmentait, le seuil de sensibilité augmentait également. Ça veut dire que les capteurs pourraient agir différemment selon leur température.

Les chercheurs avaient trois thermomètres sur le panneau de détecteurs du satellite GRBAlpha, ce qui leur a permis de suivre cette variation de température pendant sa mission.

#Les effets de l'activité solaire

Un autre facteur pris en compte était l'activité solaire, qui change au fil de l'année. Quand le soleil est plus actif, il peut envoyer des rafales de rayonnement qui pourraient impacter les performances des appareils électroniques sur les satellites.

Cependant, les chercheurs n'ont pas trouvé de lien direct entre l'activité solaire et les changements observés dans les performances des capteurs. C'est un peu surprenant, car on pourrait penser que les capteurs seraient plus affectés quand le soleil envoie plus d'énergie.

#Quelle est la suite pour les SiPMs ?

Vu les résultats de cette étude, les chercheurs sont optimistes sur l'utilisation des SiPMs dans les futures missions spatiales. L'étude a montré avec succès qu'avec une bonne protection, ces capteurs peuvent fonctionner dans l'espace pendant plus de trois ans, ce qui ouvre la voie à des missions plus complexes. On peut certainement s'attendre à voir plus de CubeSats utilisant des SiPMs pour détecter des rayons gamma dans des missions d'astrophysique à haute énergie.

#Conclusion

En résumé, la recherche a évalué les performances des photomultiplicateurs en silicium dans l'espace sur une longue période.

• Ils ont découvert que le rayonnement peut effectivement endommager ces capteurs, les rendant moins sensibles à la lumière avec le temps.
• L'augmentation des comptages noirs était aussi un indicateur clair de vieillissement.
• Les variations de température ont joué un rôle dans les performances des capteurs.
• Bien qu'aucun lien clair n'ait été trouvé entre l'activité solaire et la performance des capteurs, l'étude a tout de même démontré le potentiel des SiPMs dans les missions spatiales à venir.

Alors, même si l'espace est la dernière frontière, c'est aussi un terrain de jeu tricky pour l'électronique. Avec la recherche et le développement en cours, on peut s'attendre à des découvertes excitantes dans le monde de l'exploration spatiale. Qui sait ? Peut-être qu'un jour, on aura des CubeSats capables de nous dire quand des extraterrestres nous envoient un signal !