Radiation effects and noise evolution in NewAthena WFI flight-production sensors

Resumen Técnico: Efectos de la Radiación y Evolución del Ruido en Sensores de Producción de Vuelo NewAthena WFI

Planteamiento del Problema
El Wide Field Imager (WFI) para el observatorio de rayos X NewAthena de la ESA depende de sensores DEPFET (transistor de efecto de campo de canal p agotado) de retroiluminación para lograr una alta resolución de energía (cercana al límite de Fano) y una alta capacidad de tasa de conteo en el rango de 0.2–15 keV. Un requisito de rendimiento crítico es un ruido de lectura excepcionalmente bajo de aproximadamente 3 electrones de Carga de Ruido Equivalente (ENC) al Inicio de la Vida (BOL, por sus siglas en inglés). Sin embargo, estos sensores son altamente sensibles a la degradación inducida por la radiación. En el entorno espacial, dos mecanismos primarios amenazan el rendimiento: la Dosis de No Ionizante Total (TNID), que causa daños por desplazamiento en la red cristalina provocando un aumento de la corriente oscura, y la Dosis Ionizante Total (TID), que afecta al óxido de puerta y al voltaje de umbral. Si bien estudios previos caracterizaron los sensores de pre-vuelo, existía la necesidad de validar estos hallazgos utilizando hardware de producción de vuelo y de desentrañar las contribuciones específicas de la TNID y la TID al presupuesto total de ruido, particularmente en cuanto a su dependencia de la temperatura y su evolución temporal.

Metodología
El estudio utilizó dos campañas de irradiación distintas en módulos de detectores que contienen sensores DEPFET de 64×64 píxeles de la primera oblea de producción de vuelo de NewAthena.

1. Irradiación con Protones (TNID y Recocido a Corto Plazo):

   • Instalación: Acelerador MedAustron (Wiener Neustadt, Austria).
   • Condiciones: Dos módulos fueron irradiados con protones de 62.4 MeV.
     • Módulo 1: Expuesto a un flujo alto y de corta duración (19 s) para estudiar efectos transitorios y el recocido a corto plazo a la temperatura operativa nominal de 213 K.
     • Módulo 2: Expuesto a una irradiación de flujo bajo y larga duración (5.5 horas) para acumular una dosis de daño por desplazamiento total equivalente a $2.6 \cdot 10^9$ protones/cm² de 10 MeV. Este módulo se mantuvo a 213 K durante 20 días post-irradiación para monitorear el recocido de la corriente oscura.
   • Medición: Los detectores fueron totalmente polarizados y operados durante la irradiación. Los componentes de ruido (corriente oscura, ruido intrínseco del DEPFET y ruido del ASIC) se separaron variando los tiempos de cuadro y los voltajes de fuente-drenaje.

2. Irradiación con Rayos X (Aislamiento de TID):

   • Instalación: Tubo de rayos X analítico estándar (fuente Mo-K$\alpha$).
   • Condiciones: Un módulo de producción de vuelo separado fue irradiado a una TID total de 15 Gy. Los ASICs de lectura fueron blindados para asegurar que solo el sensor DEPFET recibiera la radiación ionizante.
   • Medición: El estudio monitoreó el desplazamiento medio del voltaje de umbral y la evolución de los componentes de ruido a lo largo del tiempo, incluyendo pasos de recocido a 242 K y 273 K.

Contribuciones Clave y Resultados

• Daño por Desplazamiento (TNID) y Corriente Oscura:

  • La irradiación con protones confirmó que la corriente oscura inducida por radiación aumenta linealmente con la dosis de daño por desplazamiento.
  • Al alcanzar la dosis esperada de Fin de Vida (EOL) de $1.3 \cdot 10^9$ protones/cm² de 10 MeV, se predice que la corriente oscura inducida por radiación será de $3.0 \pm 0.6$ e⁻/(píxel·ms). Este resultado concuerda estrechamente con los datos de producción de pre-vuelo ($2.5 \pm 0.4$ e⁻/(píxel·ms)), confirmando la tolerancia a la radiación de los sensores de vuelo.
  • Comportamiento de Recocido: Ocurre un recocido significativo de los defectos de la red incluso a la temperatura operativa nominal de 213 K. La corriente oscura disminuye con el tiempo con múltiples constantes de tiempo que van desde segundos hasta millones de segundos.
  • Restricciones de Temperatura: Para mantener el ruido de corriente oscura dentro de límites aceptables a una tasa de cuadro de 500 Hz, la temperatura del sensor debe permanecer por debajo de $(208.9 \pm 1.6)$ K al EOL.

• Daño Ionizante (TID) y Ruido Intrínseco:

  • Una exposición de 15 Gy de TID resultó en un desplazamiento medio del voltaje de umbral de 50 mV.
  • Crucialmente, el estudio identificó que la TID induce un componente de ruido adicional en el propio DEPFET, distinto de la corriente oscura. Este ruido se manifiesta como un aumento en el ruido intrínseco del DEFET (tanto componentes blancos como 1/f) en lugar de un pico inmediato en la corriente oscura.
  • Activación Térmica: El crecimiento de este ruido inducido por TID está térmicamente activado. Permanece mínimo a 213 K, pero aumenta significativamente cuando el sensor se somete a recocido a temperaturas más altas (por ejemplo, 242 K o 273 K). Los autores atribuyen esto a la difusión de huecos/iones atrapados en el óxido de puerta, formando trampas de interfaz en el límite Si/SiO₂.

• Evolución del Presupuesto de Ruido:

  • Por debajo de ~200 K, la reducción en el ruido de corriente oscura (debido a la menor temperatura) compensa el aumento en el ruido intrínseco del DEFET.
  • Sin embargo, si el sensor se calienta a temperatura ambiente para recocido, el ruido intrínseco del DEFET aumenta de forma medible y no se recupera totalmente, lo que podría degradar el presupuesto total de ruido.

Significancia e Implicaciones Operativas
El artículo concluye que los sensores de producción de vuelo se comportan consistentemente con las generaciones de pre-vuelo en cuanto a la tolerancia a la radiación. El principal hallazgo operativo es la necesidad de un perfil de temperatura específico para equilibrar los riesgos de contaminación y el daño por radiación:

1. Fase Temprana de la Misión (Fase de Contaminación): El sensor debe operar a 213 K para minimizar la contaminación. A esta temperatura, el crecimiento del ruido inducido por TID se ve suprimido.
2. Fase Tardía de la Misión (Fase de Acumulación de Radiación): A medida que el daño por radiación se acumula, la temperatura debe reducirse gradualmente a 193 K. Esta temperatura más baja es suficiente para suprimir la corriente oscura inducida por radiación a un nivel insignificante en relación con el presupuesto total de ruido.
3. Estrategia de Recocido: Los autores aconsejan evitar ciclos de recocido de alta temperatura dedicados durante la misión. Aunque las temperaturas más altas reducirían aún más la corriente oscura, simultáneamente activarían la difusión de los defectos inducidos por radiación en el óxido de puerta, provocando un aumento permanente en el ruido intrínseco del DEFET que superaría los beneficios obtenidos.

El estudio proporciona un presupuesto de ruido validado y un perfil de temperatura recomendado (transición de 213 K a 193 K) para asegurar que el WFI cumpla con sus requisitos de rendimiento durante toda la vida útil de la misión NewAthena.