Testando CCDs Skipper para futuros telescópios espaciais

Os CCDs skipper são detectores especiais que estão sendo considerados para os futuros telescópios espaciais. Esses detectores conseguem capturar luz de comprimentos de onda perto do ultravioleta até o infravermelho e são projetados para ter um nível de ruído muito baixo ao ler sinais. Esse nível baixo de ruído é importante para estudar fontes fracas, como galáxias distantes e exoplanetas. Embora esses detectores tenham sido desenvolvidos a partir de tecnologias mais antigas que suportam Radiação, o desempenho deles sob altos níveis de radiação, como os que podem ser encontrados no espaço, ainda não foi testado completamente.

Testes recentes envolveram expor CCDs skipper de p-channel a Prótons de alta energia no Northwestern Medicine Proton Center. O objetivo era ver como esses detectores se comportam após serem irradiados. Os níveis de radiação que os detectores enfrentaram nesses testes foram projetados para simular anos de exposição no espaço. Os resultados mostraram que o amplificador skipper, uma parte essencial desses detectores, continuou funcionando bem após a exposição aos prótons.

Com baixo ruído de leitura, os CCDs skipper podem ser testados em condições controladas onde são intencionalmente expostos à radiação. Essa abordagem permite um exame detalhado de como a eficiência no transporte de carga, Corrente Escura e a presença de armadilhas de carga mudam em resposta à exposição à radiação. Esse estudo inicial também prepara o caminho para futuros testes desses detectores em diferentes instalações.

#Visão Geral dos CCDs Skipper

Dispositivos de carga acoplada (CCDs) são amplamente usados para detectar luz em vários comprimentos de onda. Com o passar dos anos, esses dispositivos foram melhorados para aumentar seu desempenho em várias áreas, como eficiência quântica, capacidade de armazenar carga e níveis de ruído durante a leitura. Entre esses fatores, o ruído de leitura é particularmente importante para observações astronômicas, já que pode mascarar sinais fracos. Os CCDs tradicionais apresentam ruído que pode atrapalhar a detecção de fontes fracas de luz, dificultando a análise desses dados.

Os CCDs skipper foram inventados no início dos anos 1990 como uma solução para os altos níveis de ruído dos CCDs convencionais. O design único dos CCDs skipper permite várias medições da carga em cada pixel sem danificar os dados. Isso é alcançado por meio de um tipo especial de amplificador que possibilita medições repetidas. Se a carga de um pixel for amostrada várias vezes, a quantidade final de ruído pode ser significativamente reduzida após a média das medições.

Os sensores usados nesses testes são baseados em tecnologia avançada de p-channel, desenvolvida para várias aplicações científicas. Esses CCDs skipper de p-channel têm vários benefícios para uso potencial em telescópios espaciais. Eles podem operar em temperaturas mais altas em comparação com outros detectores sensíveis, o que simplifica o design da espaçonave. Além disso, proporcionam boa eficiência para a detecção de luz em uma ampla faixa de comprimentos de onda e são mais resistentes a danos causados por radiação do que seus equivalentes de n-channel.

#Importância do Teste de Resistência à Radiação

Testar como esses CCDs skipper resistem à radiação é crucial para suas futuras aplicações no espaço. Quando detectores de silício são expostos à radiação, vários tipos de danos podem ocorrer. A radiação ionizante pode causar carga no dielétrico do gate e criar armadilhas de energia indesejadas na superfície do material. A perda de energia não ionizante (NIEL) também leva ao deslocamento de átomos de silício, criando armadilhas que podem afetar a eficiência do detector. Além disso, efeitos de evento único podem causar problemas imediatos, como erros de memória ou falhas no dispositivo.

Este estudo foca em testes iniciais com o objetivo de avaliar a resistência à radiação desses CCDs skipper de p-channel. O setup experimental no Northwestern Medicine Proton Center usou um ciclotron para bombardear os detectores com prótons. Os experimentos visavam determinar como o desempenho dos detectores mudava devido à exposição, incluindo a análise de como ainda conseguiam capturar e transmitir dados após serem submetidos à radiação.

#Configuração Experimental

Os testes envolveram vários CCDs skipper de p-channel grossos que foram desenvolvidos com foco em sua adequação para diferentes experiências científicas. Os sensores faziam parte de vários projetos protótipos para experiências com matéria escura. Cada sensor continha múltiplos amplificadores de leitura para facilitar a captura de dados.

Durante o processo de irradiação, os sensores foram posicionados de forma controlada para garantir que parte de cada detector não fosse exposta ao feixe de prótons. Essa parte serviu como controle para comparar quaisquer mudanças de desempenho devido à radiação. Após a irradiação, os sensores foram mantidos em um ambiente seguro para análise.

O feixe de prótons usado nesses testes era uniforme e calibrado para garantir resultados precisos. Ao manipular a intensidade do feixe e o tempo de exposição, os pesquisadores conseguiram controlar a quantidade de radiação que os sensores recebiam. Esse método permitiu uma simulação realista de quanto de radiação os detectores enfrentariam ao longo de um período prolongado no espaço.

#Análise de Dados

Após o bombardeio de prótons, os cientistas analisaram o desempenho dos sensores para avaliar os efeitos da exposição à radiação. Eles se concentraram em garantir que os detectores ainda funcionassem efetivamente e que qualquer dano pudesse ser quantificado com base na quantidade de radiação que cada sensor recebeu.

Um aspecto crucial da análise foi confirmar que a capacidade de medição repetida dos detectores permaneceu intacta. Os pesquisadores descobriram que enquanto alguns amplificadores funcionavam normalmente, outros não mostraram os resultados esperados. No entanto, esse comportamento não parecia estar diretamente ligado a danos por radiação, sugerindo que problemas inerentes existiam antes do teste.

Os resultados dos amplificadores funcionais indicaram que os níveis de ruído esperados eram consistentes com métricas de desempenho anteriores de CCDs skipper não irradiados. A capacidade de amostragem repetida e não destrutiva foi preservada, confirmando que os detectores ainda poderiam operar efetivamente após serem expostos à radiação.

#Explorando Armadilhas de Carga

Para investigar como as armadilhas de carga se comportam após irradiação, os pesquisadores usaram uma técnica chamada "pocket pumping". Esse método envolve iluminar os CCDs com luz para acumular carga e, em seguida, manipular a sequência de clock para observar como os pacotes de carga interagem com as armadilhas.

A análise mostrou que as seções dos CCDs que foram irradiadas tinham uma densidade maior de armadilhas em comparação com as áreas que não foram expostas. No entanto, havia diferenças em como as armadilhas se comportavam com base na quantidade de radiação recebida por cada sensor. Essa percepção é crítica para entender como o desempenho dos CCDs pode se degradar ao longo do tempo.

#Conclusões e Direções Futuras

Os testes iniciais dos CCDs skipper de p-channel expostos a prótons de alta energia geraram resultados promissores. Os detectores conseguiram manter a funcionalidade após a exposição à radiação, e a capacidade de realizar medições repetidas e não destrutivas permaneceu intacta. O trabalho futuro envolverá mais testes em diferentes instalações e sob várias condições para avaliar o desempenho e a estabilidade a longo prazo desses detectores em ambientes mais realistas.

Os próximos experimentos buscarão simular condições operacionais reais, permitindo uma melhor compreensão de como esses detectores se comportam no espaço. Modificações no setup existente estão previstas para aumentar a precisão dos testes. Os pesquisadores esperam ter uma nova câmara de vácuo pronta para realizar esses testes futuros, permitindo um melhor controle sobre temperatura e outros fatores durante a irradiação.

No geral, esse trabalho representa um passo significativo para garantir que os CCDs skipper estejam prontos para uso em telescópios espaciais avançados, contribuindo para a contínua exploração do universo.