Materiale delle lezioni. parte 3B

Radiation from Space and in Atmosphere:
where to test (and work) in Europe?
Andrea Candelori
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare , Sezione di Padova
[email protected]
1
Outline: some European irradiation facilities
1) European Space Agency (ESA)
-RADEF (Finland)
-HIF (Belgium)
-PIF (Switzerland)
2) Chipir at ISIS (UK)
3) Charm at CERN (Switzerland)
2
Space Radiation Environment
Solar cosmic rays
Galactic cosmic rays
Le principali caratteristiche dei raggi cosmici galattici sono sintetizzate, per confronto,
nella seguente tabella.
3
Space Radiation Environment
Van Allen Belts
Which is the value of L for the maximum proton fluence?
Which is the value of L for the maximum electron fluence?
Which is the L vales for the vacuum region?
4
Space Radiation Environment
Solar Cosmic Rays and Van Allen Belts
Solar Cosmic Rays and Van Allen Belts
(2 m: 52 s)
https://www.youtube.com/watch?v=zsieKt3DI0A
Solar Cosmic Rays and Van Allen Belts
(4 m: 27 s)
https://www.youtube.com/watch?v=P5KKHzWafDg
Solar Cosmic Rays and Van Allen Belts
(9 m: 27s)
https://www.youtube.com/watch?v=qyWntl87HoQ
5
Radiation Effects
Total Ionizing Dose (TID): charge trapping in SiO2 and at the SiO2O/Si interface
MOSFET, CMOS, SOI
Displacement Damage (DD): point defects and cluster in Si
solar cells, BJT, detectors, photodiodes, LED,
laser, CCD
Single Event Effects: Destructive: SES (MOSFET), SEL (CMOS), SEB and SEGR
(Power MOSFET), SHA or Stuck-bit (in DRAM)
Soft Error: SEU and MBU (in SRAM), SEFI (in FPGA),
SET (in analog electronics), SED (in digital electronics)
6
Radiation Effects
7
European Space Agency: irradiation facilities (RADEF, Finland)
RADEF Video (3 m : 00 s)
https://m3.jyu.fi/jyumv/Members/arjavana-40jyu.fi/409504
8
European Space Agency: irradiation facilities (HIF, Belgium)
HIF Web site:
http://www.cyc.ucl.ac.be/if.php
9
European Space Agency: irradiation facilities (HIF, Belgium)
10
European Space Agency: irradiation facilities (PIF, Switzerland)
Proton energies: 235, 200, 150, 100, 70 MeV, down to 10 MeV with degraders
PIF Web site
http://pifg.web.psi.ch/
11
European Space Agency: irradiation facilities (PIF, Switzerland)
PIF Video (5 m : 01 s)
https://www.youtube.com/watch?v=eImXwAXcb44
12
ESA Recruitment and Training Programs
http://www.esa.int/About_Us/Careers_at_ESA
13
ESA
ESA, The Space Agency for Europe:
https://www.youtube.com/watch?v=cKb5H5zjyKo&index=2&list=PL6B0AB88FA7B63660
ESA, Radiation Testing for Space:
https://www.youtube.com/watch?v=xySwrn32GTY
ESA, Students & Young Graduates:
https://www.youtube.com/watch?v=-2FLuLwjxOk&index=1&list=PL6B0AB88FA7B63660
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Particle showers induced by Cosmic rays
1 TeV proton shower at 20 km altitude
(0 m: 39 s)
https://www.youtube.com/watch?v=i1sQuVmBXb8
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L’ambiente atmosferico: gli sciami di particelle
La particella primaria (ione) urta con un nucleo d'ossigeno o di azoto dell'alta
atmosfera. Da questa collisione vengono generati neutroni, protoni, π0, π+, π-. I π0
decadono elettromagneticamente in due γ e questi ultimi possono materializzarsi in
coppie e+-e-. Gli elettroni irradiano energia sotto forma di raggi γ (radiazione di
frenamento).
I pioni carichi possono decadere in muoni μ e neutrini ν, oppure interagire con altri
nuclei presenti nell'atmosfera.
Le linee tratteggiate indicano che altre reazioni possono avvenire.
Ione
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I neutroni atmosferici: dipendenza del flusso dall’altitudine
Il massimo flusso (particelle/(cm2s)) dei neutroni atmosferici con energie tra 1 MeV e 10
MeV si ha ad un’altitudine di 60000 piedi (18 km) e viene detto massimo di Pfotzer.
Latitudine 45
Flusso di neutroni (particelle/cm2s) con energia tra 1 MeV e 10 MeV al
variare dell’altitudine in migliaia di piedi
17
I neutroni atmosferici: spettro energetico del flusso
Differential flux
neurtrons/(cm2s MeV)
-L’energia dei neutroni atmosferici può raggiungere valori di 1000 MeV.
-Lo spettro energetico del flusso dei neutroni atmosferici non varia sensibilmente
al variare dell’altitudine e della longitudine ma dipende dalla latitudine.
Spettro energetico del flusso di neutroni atmosferici
all’altitudine di 12000 m e alla latitudine di 45° (PADOVA!).
18
L’ambiente di radiazione sulla Terra
Spettro del flusso di radiazione espresso in particelle/(cm2sMeV), presente al
livello del suolo a New York. Tale flusso di radiazione è dovuto ai raggi cosmici
secondari.
19
La spallazione nucleare
Per energie del neutrone incidente superiori a 100 MeV, il nucleo composto eccitato si
disintegra con emissione di frammenti e vari tipi di radiazione (protoni, neutroni, raggi γ)
nel cosiddetto sciame di particelle: spallazione nucleare
 danno da spostamento ed effetti da evento singolo
La spallazione nucleare può essere indotta anche da protoni di alta energia: ad esempio
nelle sorgenti di neutroni per spallazione si utilizza il processo di spallazione nucleare
indotta da protoni su un bersaglio per ottenere una sorgente di neutroni. Come abbiamo già
visto anche i raggi cosmici interagendo con i nuclei di ossigeno e azoto dell’atmosfera
provocano il fenomeno della spallazione nucleare con sciami di particelle.
X 0 n 
A
Z
1

Z
X

A1 *
Schema della spallazione nucleare con emissione di protoni, neutroni e raggi γ,
non sono evidenziati i frammenti della disintegrazione del nucleo
20
Accelerator‐Based Pulsed Neutron Source
21
ISIS Pulsed Spallation Source
WEB site: http://www.isis.stfc.ac.uk
The ISIS pulsed neutron and muon source at the Rutherford Appleton Laboratory in
Oxfordshire is a world-leading centre for research in the physical and life sciences.
It is owned and operated by the Science and Technology Facilities Council.
22
ISIS Pulsed Spallation Source: Target Station 1
23
ISIS Pulsed Spallation Source: Target Station 1 &2
ISIS Video:
https://www.youtube.com/watch?v=qB8Yhp2XojA
24
ISIS Pulsed Spallation Source: Chipir at Target Station 2
Beam
25
ISIS Pulsed Spallation Source: Chipir at Target Station 2
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L’ambiente di radiazione sulla Terra
Spettro del flusso di radiazione espresso in particelle/(cm2sMeV), presente al
livello del suolo a New York. Tale flusso di radiazione è dovuto ai raggi cosmici
secondari.
27
L’ambiente atmosferico: gli sciami
Il flusso dei raggi cosmici e delle particelle solari incidenti sulla terra e che riescono
a penetrare la magnetosfera terrestre viene attenuato nell’attraversare l’atmosfera
terrestre a causa dell’interazione con gli atomi di ossigeno e di azoto.
L’interazione dei raggi cosmici e delle particelle solari con gli atomi di ossigeno e di
azoto dell’atmosfera provoca delle cascate (showers) o sciami di particelle
secondarie e di interazioni create attraverso tali processi di attenuazione.
Le particelle secondarie prodotte nelle cascate sono principalmente:
-protoni;
-elettroni;
-neutroni;
-muoni;
-pioni.
Che cosa sono?
Al fine degli effetti della radiazione sui componenti elettronici la componente più
importante nelle cascate di particelle secondarie sono i neutroni.
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Cenni alla Fisica delle particelle elementari
Secondo il Modello Standard la materia è costituita da particelle elementari
dette fermioni che interagiscono fra loro grazie alle interazioni
fondamentali (forte, elettromagnetica, debole, gravitazionale) mediate da
altre particelle elementari dette bosoni (gluone, fotone, bosoni, gravitone).
I fermioni sono raggruppati in tre famiglie.
1) La prima famiglia contiene:
l’elettrone (e-)
(m = 511 keV/c2, q = -1)
il neutrino elettronico (e) (m < 2 eV/c2, q = 0)
il quark up (U)
(m  3 MeV/c2, q = +2/3)
il quark down (D)
(m  6 MeV/c2, q = -1/3)
le corrispondenti antiparticelle (positrone, antineutrino elettronico, antiqark up,
antiquark down), che si indicano con il medesimo simbolo barrato.
29
Cenni alla Fisica delle particelle elementari
2) La seconda contiene:
il muone (-)
(m = 106 MeV/c2, q = -1)
il neutrino muonico ()
(m < 2 eV/c2, q=0)
il quark charm (C)
(m  1.3 GeV/c2, q = +2/3)
il quark strange (S)
(m  100 MeV/c2, q = -1/3)
le corrispondenti antiparticelle (antimuone, antiqark charm, antiquark strange)
che si indicano con il medesimo simbolo barrato.
3) La terza contiene:
il tau ()
(m  1.78 GeV/c2,q = -1)
il neutrino tauonico ( )
(m < 2 eV/c2,
q = 0)
il quark top (T)
(m  173 GeV/c2, q = +2/3)
il quark bottom (B)
(m  4.2 GeV/c2, q = -1/3)
le corrispondenti antiparticelle (antimuone, antineutrino muonico, antiqark top,
antiquark bottom) che si indicano con il medesimo simbolo barrato.
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Cenni alla Fisica delle particelle elementari
I quark up e down e le loro antiparticelle si combinano tra loro:
-in gruppi di due per formare i mesoni che comprendono anche i pioni ().
Ad esempio il pione carico positivamente (+) è costituito da 1 quark UP e da un
antiquark DOWN (+ = UD), esso ha carica q = +1 e massa m=139.6 MeV/c2. Il suo
tempo di vita media è 26 ns. Esso decade al 99,9877% in un antimuone e nel
corrispondente neutrino muonico: +  + +  e allo 0,0123% in un positrone e nel
corrispondete antineutrino elettronico +  e+ + e.
La sua antiparticella è il pione carico negativamente (-), formato da 1 antiquark UP e da
un quark DOWN (- = UD), avente carica q = -1 e massa m=139.6 MeV/c2. Esso decade
al
99,9877%
in
un
muone
e
nel
corrispondente
antineutrino:
-  - +  e allo 0,0123% in un elettrone e nel corrispondente antineutrino
-  e + e.
Il pione neutro (0), che ha struttura (UU+DD)/2, ha massa m=135 MeV/c2. Il suo tempo
di vita media è 8.4×10-17 s. Esso decade al 98,798% in due fotoni: 0   +  e all’1,198%
in
un
fotone
con
una
coppia
elettrone-positrone
0   + e- + e+.
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SEU induced muons
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Introduzione agli Effetti da Evento Singolo
-La possibilità di SEU indotti da raggi cosmici viene predetta da
J. T. Wallkmark and S.M. Marcus nel 1962.
4 SEU in J-K Flip-Flop bipolari in
17 anni di operatività di un satellite
per comunicazioni dovuta ai raggi
cosmici nel gruppo del Ferro.
Spettro dei raggi cosmici
rispetto al LET
SEU in DRAM (Intel) indotta da
particelle
alfa,
dovuta
alla
contaminazione di Uranio e Torio
del package ceramico a causa
dell’acqua
utilizzata
nella
lavorazione dalla fabbrica posta a
valle di una miniera di Uranio.
Cambio del package ceramico.
-1990s: smaller IC, higher speeds, complex circuitry and increasing sensitivity to
SEE.
-Late 1990s: memory soft error "controllable" (SOI, B-free materials error
detection and correction techniques), moving to combinational (or core) logic.
SEU in DRAM dovuti a protoni per
spallazione nucleare: fascie di Van
Allen e SAA, eventi solari.
Nello stesso anno:
-C. S. Guenzer et al. evidenziano
SEU in DRAM dovuti a neutroni per
spallazione nucleare: ambiente
atmosferico;
-A. Kolasinski individua il SEL in
DRAM.
33
CERN (Geneva, Switzerland)
CERN Video (4 m: 00s)
http://cds.cern.ch/record/1495143
34
High Energy Physics and Astrophysics experiment requirements
Silicon detectors
Read-out electronics channels
The Compact Muon Solenoid (CMS) tracker will require
250 m2 silicon detectors and more than 107 read-out channels
35
High Energy Physics and Astrophysics: silicon vs read-out
After H. F.-W. Sadrozinski, IEEE TNS vol.48, pp.933-940, 2001
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The Compact Muon Solenoid (CMS) experiment at LHC
37
The radiation levels for the CMS tracker
10 Mrad(Si)
Pixel sensors:
5 cm<R< 20 cm => 1014 cm-2 << 1015 cm-2
Microstrip sensors: 25 cm<R<110 cm => 1013 cm-2 << 1014 cm-2
38
Super-LHC
M. Hutinen: "Radiation issues for Super-LHC", Super-LHC Electronics Workshop, 26/2/04, CERN
O. Bruning: "Accelerator upgrades for Super-LHC", Super-LHC Electronics Workshop, 26/2/04, CERN
LHC (2007)
Proton Energy:
7 TeV
Collision rate:
40 MHz
Peak luminosity:
1034 cm-2s-1
Integrated luminosity: 500 fb-1
=>
=>
=>
=>
Super-LHC (201?)
15 TeV
80 MHz
1035 cm-2s-1
2500 fb-1
TID: 1000 Mrad = 1 Grad!
=1.61016
39
cm-2
at r=4 cm
39
Super-LHC
40
(CHARM) Cern High energy AcceleRator Mixed field facility
Protons 24 GeV/c impinging on:
-Al target
-Cu target
-Al target with hole
-Cu target with hole
(only part of the primary beam interacts in the target to reduce the radiation field)
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(CHARM) Cern High energy AcceleRator Mixed field facility
-4 mobile shielding plates to modulate and
reproduce the radiation field that objects (e.g.
electronics cards, crates of even racks) would
receive at specific locations inside the LHC
tunnel, adjacent shielded areas or its injector
chain.
-1 year of exposure in the LHC => only a few
days of irradiation at CHARM.
-Large objects can be irradiated and ultimately
even objects in operation with complex
services (power, cooling, etc.) be connected.
-Additional testing stations can be easily
configured which are then representative for
space, aeronautic and surface applications.
-Two dedicated conveyer systems allow moving
samples into or out of the test position. test
box of maximum size 30x30x20 cm3 and
maximum weight 10 kg.
42
CERN recruitments
CERN Recruitmets
Web site: http://jobs.web.cern.ch/
Video: https://www.youtube.com/user/CERNJOBSTV/videos
43