Valutare le prestazioni dei SiPM nello spazio per tre anni

Oggi, tanti piccoli satelliti, conosciuti come CubeSats, usano sensori speciali chiamati fotomoltiplicatori al silicio (SiPM) per rilevare la luce. Questi sensori sono fantastici a catturare piccole quantità di luce perché possono registrare singoli fotoni. Però c'è un problema: i SiPM possono rompersi a causa delle radiazioni nello spazio.

Con sempre più missioni spaziali che usano i SiPM, è super importante capire come si comportano in queste condizioni difficili. Questo articolo parla di uno studio che mostra come i SiPM si sono comportati durante oltre tre anni di volo nello spazio.

#Cosa Sono i SiPM?

I fotomoltiplicatori al silicio sono piccoli sensori che usano fotodiodi a valanga per trasformare la luce in segnali elettrici. Sono piccoli, richiedono poca energia e rispondono in fretta, il che li rende ottimi per le missioni spaziali. Ma lo spazio non è un posto facile per questi sensori.

Quando sono esposti a radiazioni dallo spazio esterno, possono danneggiarsi. Per questo, gli scienziati devono capire quanto bene funzionano questi sensori nel tempo in un ambiente spaziale.

#Uno Sguardo alle Missioni

Questo studio si concentra su due CubeSats: GRBAlpha e VZLUSAT-2. Il GRBAlpha è stato lanciato a marzo 2021, e il VZLUSAT-2 è seguito a gennaio 2022. Entrambi sono stati inviati in un'orbita polare sincrona con il sole, il che significa che passano sopra la stessa area della Terra alla stessa ora ogni giorno.

Il GRBAlpha trasporta un rivelatore di raggi gamma fatto di un materiale lucido chiamato CsI(Tl) ed è dotato di otto SiPM. Questo satellite rileva regolarmente forti esplosioni di raggi gamma, che accadono durante eventi come flare solari e esplosioni di raggi gamma. Allo stesso modo, il VZLUSAT-2 ha due rivelatori di raggi gamma, simili a quello del GRBAlpha.

#La Sfida delle Radiazioni

Lo spazio è pieno di radiazioni provenienti dal sole e raggi cosmici, e questo può realmente danneggiare l'elettronica. I sensori su GRBAlpha e VZLUSAT-2 sono protetti da uno scudo in leghe di piombo spesso circa 2,5 mm. Questo scudo aiuta a mantenere i SiPM al sicuro dai danni delle radiazioni che possono accumularsi nel tempo.

Attraverso questo studio, il team di ricerca è riuscito ad analizzare come i sensori invecchiavano mentre volavano in orbita bassa terrestre. Hanno raccolto dati per tre anni, rendendo questo studio unico per la sua durata e il suo focus.

#Cosa Hanno Fatto

I ricercatori hanno raccolto dati esaminando la performance dei SiPM a bordo di entrambi i CubeSats per un lungo periodo. Si sono concentrati su due aree chiave: la soglia di sensibilità a bassa energia e il tasso di conteggio al buio. La soglia di sensibilità è il livello minimo di energia necessario per il sensore per rilevare la luce, mentre il tasso di conteggio al buio si riferisce alla quantità di rumore che non è causato da luce reale, ma da fluttuazioni casuali.

Per misurare questi fattori, hanno regolarmente raccolto spettri di fondo, che aiutano a evidenziare i livelli di rumore e eventuali cambiamenti nelle prestazioni dei sensori. Facendo così, hanno potuto vedere quanto la Radiazione avesse influenzato i sensori nel tempo.

#Risultati sulle Prestazioni dei Sensori

Nel corso di tre anni, i risultati hanno mostrato che la soglia di sensibilità del sensore GRBAlpha è diminuita dal suo livello originale. Questo significa che il sensore è diventato meno capace di rilevare segnali di luce deboli. Per quanto riguarda il tasso di conteggio al buio, questo è aumentato, significando che il sensore ha iniziato a percepire più rumore.

Lo studio ha anche trovato che le condizioni nello spazio influenzavano le prestazioni dei sensori. L'aumento dei conteggi al buio suggeriva che i sensori stavano invecchiando a causa dell'esposizione alle radiazioni. Questo non è sorprendente, dato che molti dispositivi elettronici possono avere difficoltà a durare a lungo in condizioni difficili.

#La Temperatura Conta

Interessante, i ricercatori hanno anche notato come la temperatura influenzasse i sensori. Hanno capito che in diversi momenti, quando la temperatura variava, anche la performance dei SiPM cambiava.

Per esempio, quando la temperatura sui sensori a bordo aumentava, la soglia di sensibilità aumentava anch'essa. Questo significa che i sensori potrebbero comportarsi diversamente a seconda della loro temperatura.

I ricercatori avevano tre termometri sulla scheda del rivelatore del satellite GRBAlpha, che permetteva loro di tenere traccia di questa variazione di temperatura durante la missione.

#Gli Effetti dell’Attività Solare

Un altro fattore considerato è stato l'attività solare, che tende a cambiare nel corso dell'anno. Quando il sole è più attivo, può emettere esplosioni di radiazione che potrebbero influenzare le prestazioni dei dispositivi elettronici nei satelliti.

Tuttavia, i ricercatori non hanno trovato un legame diretto tra l'attività solare e i cambiamenti osservati nelle prestazioni dei sensori. Questo è un po' sorprendente, poiché si potrebbe pensare che i sensori siano più influenzati quando il sole emette più energia.

#Cosa Aspettarci per i SiPM?

Date le scoperte di questo studio, i ricercatori sono ottimisti riguardo all'uso dei SiPM nelle future missioni spaziali. Lo studio ha dimostrato con successo che con una protezione adeguata, questi sensori possono funzionare nello spazio per oltre tre anni, aprendo possibilità per missioni più complesse. Possiamo certamente aspettarci di vedere più CubeSats utilizzare i SiPM per rilevare raggi gamma in missioni di astrofisica ad alta energia.

#Conclusione

In sintesi, la ricerca ha valutato le prestazioni dei fotomoltiplicatori al silicio nello spazio per un lungo periodo.

• Hanno scoperto che le radiazioni possono davvero danneggiare questi sensori, rendendoli meno sensibili alla luce nel tempo.
• L'aumento dei conteggi al buio è stato anche un chiaro indicatore di invecchiamento.
• Le variazioni di temperatura hanno influenzato il funzionamento dei sensori.
• Anche se non è stato trovato un legame chiaro tra l'attività solare e le prestazioni dei sensori, lo studio ha comunque dimostrato il potenziale per i SiPM nelle future missioni spaziali.

Quindi, mentre lo spazio può essere l'ultima frontiera, è anche un campo di gioco difficile per l'elettronica. Con la ricerca e lo sviluppo in corso, possiamo attenderci scoperte entusiasmanti nel mondo dell'esplorazione spaziale. Chi lo sa? Magari un giorno avremo CubeSats che possono dirci quando gli alieni ci mandano un segnale!