宇宙でのSiPMの性能評価を3年間行った

最近、多くの小型衛星、つまりキューブサットは、シリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）という特別なセンサーを使って光を検出してるんだ。このセンサーは、個々の光子を登録できるから、ほんの少しの光をキャッチするのが得意なんだ。でも、問題があって、SiPMは宇宙の放射線で壊れちゃうことがあるんだ。

もっと多くの宇宙ミッションがSiPMを使うようになってきてるから、こういう厳しい条件下での耐久性を学ぶのがめっちゃ大事なんだよね。この記事では、SiPMが宇宙を3年以上飛び回ったときの挙動についての研究を紹介するよ。

#SiPMって何？

シリコンフォトマルチプライヤーは、小さいセンサーで、アバランシェフォトダイオードを使って光を電気信号に変換するんだ。小さくて、低電力でちゃんと反応するから、宇宙ミッションにぴったりなんだ。でも、宇宙はこのセンサーにとって簡単な場所じゃないんだよね。

外宇宙の放射線にさらされると、壊れちゃうことがあるんだ。だから、科学者たちはこれらのセンサーが宇宙環境でどれくらいの間働くのかを調べる必要があるんだ。

#ミッションの概要

この研究は、GRBAlphaとVZLUSAT-2の2つのキューブサットに焦点を当てているよ。GRBAlphaは2021年3月に打ち上げられ、VZLUSAT-2は2022年1月に続いたんだ。どちらも、太陽同期極軌道に送られていて、毎日同じ時間に地球の同じエリアを通るんだ。

GRBAlphaにはCsI(Tl)という光沢のある材料でできたガンマ線検出器が搭載されていて、8つのSiPMが装備されているよ。この衛星は、太陽フレアやガンマ線バーストのようなイベント中に発生する強力なガンマ線バーストを定期的に検出してるんだ。同様に、VZLUSAT-2にもGRBAlphaに似た2つのガンマ線検出器があるよ。

#放射線の課題

宇宙は太陽や宇宙線の放射線でいっぱいで、これが電子機器にかなりの影響を与えるんだ。GRBAlphaとVZLUSAT-2のセンサーは、約2.5mmの厚さの鉛合金シールドで保護されていて、このシールドが時間が経つにつれて放射線によるダメージからSiPMを守ってるんだ。

この研究を通じて、研究チームは低地球軌道を飛んでいる間にセンサーがどのように劣化するかを分析できたんだ。3年間のデータを集めたから、研究の長さと焦点がユニークなんだよ。

#彼らの行ったこと

研究者たちは、両方のキューブサットに搭載されているSiPMの性能を長期間にわたって調査してデータを集めたよ。特に、低エネルギー感度閾値とダークカウント率の2つの重要な領域の変化を探してたんだ。感度閾値は、センサーが光を検出するために必要な最小エネルギーレベルで、ダークカウント率は実際の光によるものでなく、ランダムな変動によるノイズの量を指すんだ。

これらの要素を測定するために、彼らは定期的にバックグラウンドスペクトルを収集して、ノイズレベルやセンサーの性能の変化を強調する助けにしてる。これによって、時間が経つにつれて放射線がセンサーにどれだけ影響を与えたかを見ることができたんだ。

#センサー性能に関する発見

3年間の結果として、GRBAlphaのセンサーの感度閾値が元のレベルから下がったことが分かったんだ。つまり、センサーが微弱な光信号を検出する能力が低下したってことだよ。ダークカウント率も上がったから、センサーがより多くのノイズを拾うようになってきたんだ。

研究では、宇宙の条件がセンサーの性能に影響を与えていることも分かったんだ。ダークカウントの増加は、放射線の影響でセンサーが劣化していることを示唆しているよ。これは驚くことじゃなくて、多くの電子機器は厳しい条件の下で長持ちしづらいからね。

#温度の影響

面白いことに、研究者たちは温度がセンサーに与える影響にも気づいたんだ。温度が変わると、SiPMの性能も変わるのが分かったんだよ。

例えば、搭載センサーの温度が上がると、感度閾値も上がるんだ。つまり、温度によってセンサーの性能が変わる可能性があるってことだね。

研究者たちは、GRBAlpha衛星の検出器ボードに3つの温度計を取り付けて、ミッション中のこの温度の変動を追跡できたよ。

#太陽活動の影響

もう一つ考慮された要因は太陽活動で、これは年間を通じて変化するんだ。太陽がより活発なときには放射線のバーストを送り出すことがあって、これが衛星の電子機器の性能に影響を与える可能性があるんだ。

でも、研究者たちは太陽活動とセンサーの性能の変化との直接的な関連性は見つけられなかったんだ。これはちょっと驚きだけど、もっとエネルギーを放出しているときにセンサーが影響を受けやすいと思う人もいるかもしれないからね。

#SiPMの今後は？

この研究の結果を受けて、研究者たちは未来の宇宙ミッションでのSiPMの使用に楽観的なんだ。研究では、適切なシールドがあれば、これらのセンサーが3年以上宇宙で動作できることが示されたから、もっと複雑なミッションのチャンスが広がるんだ。将来的には、エネルギーの高い天体物理学ミッションでガンマ線を検出するためにSiPMを使用するキューブサットがもっと増えるのを期待できるよ。

#まとめ

要するに、この研究は宇宙におけるシリコンフォトマルチプライヤーの性能を長期間にわたって評価したんだ。

• 放射線が確かにこれらのセンサーを損傷させ、時間が経つにつれて光に対する感度が低下することが分かったよ。
• ダークカウントの増加も劣化の明らかな指標だったんだ。
• 温度の変化はセンサーの性能にも影響を与えたんだ。
• 太陽活動とセンサー性能の間に直接的な関連性は見つからなかったけど、研究は未来の宇宙ミッションにおけるSiPMの可能性を示したんだ。

だから、宇宙は確かに最終的なフロンティアだけど、電子機器にとっては難しい遊び場でもあるんだ。研究と開発が進む中で、宇宙探査の世界でのエキサイティングな発見を楽しみにできるよ。もしかしたら、いつかキューブサットがエイリアンからの信号を教えてくれる日が来るかもね！