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

Sintesi Tecnica: Effetti delle Radiazioni e Evoluzione del Rumore nei Sensori di Produzione di Volo NewAthena WFI

Definizione del Problema
Il Wide Field Imager (WFI) per l'osservatorio a raggi X NewAthena dell'ESA si affida a sensori DEPFET (transistor a effetto di campo a canale p depauperato) a retroilluminazione per ottenere un'elevata risoluzione energetica (vicina al limite di Fano) e un'elevata capacità di conteggio nell'intervallo 0,2–15 keV. Un requisito critico di prestazione è un rumore di lettura eccezionalmente basso, di circa 3 elettroni di Carica Equivalente di Rumore (ENC), all'Inizio della Vita (BOL). Tuttavia, questi sensori sono altamente sensibili al degrado indotto dalle radiazioni. Nell'ambiente spaziale, due meccanismi primari minacciano le prestazioni: il Danno Non Ionizzante Totale (TNID), che causa danni da spostamento reticolare portando a un aumento della corrente di buio, e la Dose Ionizzante Totale (TID), che influenza l'ossido di gate e la tensione di soglia. Sebbene studi precedenti avessero caratterizzato i sensori pre-volo, era necessario validare questi risultati utilizzando l'hardware di produzione di volo e distinguere i contributi specifici di TNID e TID al budget totale del rumore, in particolare riguardo alla loro dipendenza dalla temperatura e dall'evoluzione temporale.

Metodologia
Lo studio ha utilizzato due distinte campagne di irraggiamento su moduli di rilevatori contenenti sensori DEPFET da 64×64 pixel della prima wafer di produzione di volo di NewAthena.

1. Irraggiamento Protonico (TNID e Annealing a Breve Termine):

   • Struttura: Acceleratore MedAustron (Wiener Neustadt, Austria).
   • Condizioni: Due moduli sono stati irradiati con protoni da 62,4 MeV.
     • Modulo 1: Esposto a un flusso elevato e una durata breve (19 s) per studiare gli effetti transitori e l'annealing a breve termine alla temperatura operativa nominale di 213 K.
     • Modulo 2: Esposto a un irraggiamento a basso flusso e lunga durata (5,5 ore) per accumulare un danno da spostamento totale equivalente a $2,6 \cdot 10^9$ protoni/cm² da 10 MeV. Questo modulo è stato mantenuto a 213 K per 20 giorni dopo l'irraggiamento per monitorare l'annealing della corrente di buio.
   • Misurazione: I rilevatori sono stati completamente polarizzati e operati durante l'irraggiamento. Le componenti del rumore (corrente di buio, rumore intrinseco del DEPFET e rumore dell'ASIC) sono state separate variando i tempi di frame e le tensioni source-drain.

2. Irraggiamento a Raggi X (Isolamento TID):

   • Struttura: Tubo a raggi X analitico standard (sorgente Mo-K$\alpha$).
   • Condizioni: Un modulo di produzione di volo separato è stato irradiato con una TID totale di 15 Gy. Gli ASIC di lettura sono stati schermati per garantire che solo il sensore DEPFET ricevesse la radiazione ionizzante.
   • Misurazione: Lo studio ha monitorato lo spostamento medio della tensione di soglia e l'evoluzione delle componenti del rumore nel tempo, inclusi i passaggi di annealing a 242 K e 273 K.

Contributi Chiave e Risultati

• Danno da Spostamento (TNID) e Corrente di Buio:

  • L'irraggiamento protonico ha confermato che la corrente di buio indotta dalle radiazioni aumenta linearmente con la dose di danno da spostamento.
  • Alla dose prevista di Fine Vita (EOL) di $1,3 \cdot 10^9$ protoni/cm² da 10 MeV, la corrente di buio indotta dalle radiazioni è prevista essere di $3,0 \pm 0,6$ e⁻/(pix·ms). Questo risultato si allinea strettamente con i dati di produzione pre-volo ($2,5 \pm 0,4$ e⁻/(pix·ms)), confermando la tolleranza alle radiazioni dei sensori di volo.
  • Comportamento di Annealing: Un significativo annealing dei difetti reticolari avviene anche alla temperatura operativa nominale di 213 K. La corrente di buio diminuisce nel tempo con molteplici costanti di tempo che vanno da secondi a milioni di secondi.
  • Vincoli di Temperatura: Per mantenere il rumore della corrente di buio entro limiti accettabili a una frequenza di frame di 500 Hz, la temperatura del sensore deve rimanere al di sotto di $(208,9 \pm 1,6)$ K all'EOL.

• Danno Ionizzante (TID) e Rumore Intrinseco:

  • Un'esposizione TID di 15 Gy ha causato uno spostamento della tensione di soglia media di 50 mV.
  • Fondamentalmente, lo studio ha identificato che la TID induce una componente di rumore aggiuntiva nel DEPFET stesso, distinta dalla corrente di buio. Questo rumore si manifesta come un aumento del rumore intrinseco del DEFET (sia componenti white che 1/f) piuttosto che come un picco immediato nella corrente di buio.
  • Attivazione Termica: La crescita di questo rumore indotto da TID è termicamente attivata. Rimane minima a 213 K ma aumenta significativamente quando il sensore viene sottoposto ad annealing a temperature più elevate (ad esempio, 242 K o 273 K). Gli autori attribuiscono ciò alla diffusione di lacune/ioni intrappolati nell'ossido di gate che formano trappole d'interfaccia al confine Si/SiO₂.

• Evoluzione del Budget del Rumore:

  • Al di sotto di ~200 K, la riduzione del rumore della corrente di buio (dovuta alla temperatura più bassa) prevale sull'aumento del rumore intrinseco del DEFET.
  • Tuttavia, se il sensore viene riscaldato alla temperatura ambiente per l'annealing, il rumore intrinseco del DEFET aumenta misurabilmente e non recupera completamente, degradando potenzialmente il budget totale del rumore.

Significatività e Implicazioni Operative
L'articolo conclude che i sensori di produzione di volo sono coerenti con le generazioni pre-volo per quanto riguarda la tolleranza alle radiazioni. Il principale risultato operativo è la necessità di un profilo di temperatura specifico per bilanciare i rischi di contaminazione e il danno da radiazioni:

1. Fase Iniziale della Missione (Fase di Contaminazione): Il sensore dovrebbe operare a 213 K per minimizzare la contaminazione. A questa temperatura, la crescita del rumore indotto da TID è soppressa.
2. Fase Finale della Missione (Fase di Accumulo Radiazioni): Man mano che il danno da radiazioni si accumula, la temperatura dovrebbe essere gradualmente ridotta a 193 K. Questa temperatura più bassa è sufficiente per sopprimere la corrente di buio indotta dalle radiazioni a un livello trascurabile rispetto al budget totale del rumore.
3. Strategia di Annealing: Gli autori sconsigliano cicli dedicati di annealing ad alta temperatura durante la missione. Sebbene temperature più elevate ridurrebbero ulteriormente la corrente di buio, attiverebbero simultaneamente la diffusione dei difetti indotti dalle radiazioni nell'ossido di gate, portando a un aumento permanente del rumore intrinseco del DEFET che supererebbe i benefici ottenuti.

Lo studio fornisce un budget del rumore validato e un profilo di temperatura raccomandato (213 K con transizione a 193 K) per garantire che il WFI soddisfi i suoi requisiti di prestazione per l'intera durata della missione NewAthena.