Nanosatelliittiin soveltuvan säteilyinstrumentin piidiodi- ja tuikeilmaisinten valmistamiseen liittyviä valikoituja haasteita ja ratkaisuja
Peltola, Tatu (2023-05-19)
Nanosatelliittiin soveltuvan säteilyinstrumentin piidiodi- ja tuikeilmaisinten valmistamiseen liittyviä valikoituja haasteita ja ratkaisuja
(19.05.2023)
Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
avoin
Julkaisun pysyvä osoite on:
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023052548193
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023052548193
Tiivistelmä
Piensatelliitissa sovellettavaan säteilyä mittaavaan instrumenttiin kohdistuu useita rajoituksia laitteen pienen koon ja energiankulutuksen osalta. Säteilyinstrumenttien keskeisimpiin komponentteihin kuuluu säteilyanturi tai säteilyanturit, johon koko instrumentti perustuu. Erilaisia säteilyanturityyppejä on useita erilaisia. Tässä tutkielmassa perehdytään kahteen eri anturityyppiin, piidiodiin ja kidemäiseen tuikeilmaisimeen sekä niiden valmistamiseen.
Piidiodin toiminta perustuu diodin tyhjennysalueen ionisaatioon, kun anturiin osuu säteilyhiukkanen. Ionisaatiovuorovaikutusten määrä riippuu pääasiassa hiukkasen tyypistä ja energiasta, jolloin hiukkasen piihin jättämä kokonaisenergia voidaan mitata ionisaation synnyttämien varauksenkuljettajien tuottamasta diodin läpi kulkevasta virtapulssista. Tutkielmassa käytetyillä diodeilla ongelmana on reunojen suuri vuotovirta. Kokeellisella menetelmällä, jossa valmistettiin diodin reuna-alueelle kenttäelektrodi, saatiin pienennettyä ja stabiloitua reunojen vuotovirrat hyväksyttävälle tasolle. Kenttäelektrodi vaikuttaa diodin ja substraatin reunan välisen alueen pintaoksidin varaukseen, ja estää vuotovirtaa aiheuttavan tyhjennysalueen syntymisen piin ja oksidin rajapintaan.
Kidemäinen tuikeilmaisin muuttaa säteilyhiukkasen energian joukoksi alemman energian fotoneita, tyypillisesti näkyvän valon aallonpituudelle. Säteilyhiukkanen ionisoi tuikeaineen atomeja, jolloin hiukkasen energia vähenee jokaisessa ionisaatiossa kyseiseen vuorovaikutukseen kuluvan energian verran. Ionisaatioiden määrä siis riippuu hiukkasen energiasta sekä vuorovaikutustavoista tuikeaineen kanssa. Tuikeaine sisältää luminesenssikeskuksia, joissa rekombinoituvan varauksenkuljettajan energia tuottaa valokvantin. Siten hiukkasen aiheuttaman valopulssin suuruus on suoraan verrannollinen hiukkasen tuikekiteeseen jättämään energiaan. Tuikekiteen ja fotodiodin optiset ominaisuudet ovat oleellisia instrumentin valmistusta ajatellen, sillä mahdollisimman suuri osa kiteessä syntyvästä valosta täytyy päätyä fotodiodiin. Fotodiodin ja GAGG:Ce-tuikekiteen yhdistelmänä toteutetun tuikeilmaisimen kokonaishyötysuhdetta saatiin nostettua merkittävästi pinnoittamalla kide heijastavalla metallilla, jolloin kiteen reunoihin osuva valo heijastuu takaisin kiteeseen eikä karkaa ympäristöön.
Piidiodin toiminta perustuu diodin tyhjennysalueen ionisaatioon, kun anturiin osuu säteilyhiukkanen. Ionisaatiovuorovaikutusten määrä riippuu pääasiassa hiukkasen tyypistä ja energiasta, jolloin hiukkasen piihin jättämä kokonaisenergia voidaan mitata ionisaation synnyttämien varauksenkuljettajien tuottamasta diodin läpi kulkevasta virtapulssista. Tutkielmassa käytetyillä diodeilla ongelmana on reunojen suuri vuotovirta. Kokeellisella menetelmällä, jossa valmistettiin diodin reuna-alueelle kenttäelektrodi, saatiin pienennettyä ja stabiloitua reunojen vuotovirrat hyväksyttävälle tasolle. Kenttäelektrodi vaikuttaa diodin ja substraatin reunan välisen alueen pintaoksidin varaukseen, ja estää vuotovirtaa aiheuttavan tyhjennysalueen syntymisen piin ja oksidin rajapintaan.
Kidemäinen tuikeilmaisin muuttaa säteilyhiukkasen energian joukoksi alemman energian fotoneita, tyypillisesti näkyvän valon aallonpituudelle. Säteilyhiukkanen ionisoi tuikeaineen atomeja, jolloin hiukkasen energia vähenee jokaisessa ionisaatiossa kyseiseen vuorovaikutukseen kuluvan energian verran. Ionisaatioiden määrä siis riippuu hiukkasen energiasta sekä vuorovaikutustavoista tuikeaineen kanssa. Tuikeaine sisältää luminesenssikeskuksia, joissa rekombinoituvan varauksenkuljettajan energia tuottaa valokvantin. Siten hiukkasen aiheuttaman valopulssin suuruus on suoraan verrannollinen hiukkasen tuikekiteeseen jättämään energiaan. Tuikekiteen ja fotodiodin optiset ominaisuudet ovat oleellisia instrumentin valmistusta ajatellen, sillä mahdollisimman suuri osa kiteessä syntyvästä valosta täytyy päätyä fotodiodiin. Fotodiodin ja GAGG:Ce-tuikekiteen yhdistelmänä toteutetun tuikeilmaisimen kokonaishyötysuhdetta saatiin nostettua merkittävästi pinnoittamalla kide heijastavalla metallilla, jolloin kiteen reunoihin osuva valo heijastuu takaisin kiteeseen eikä karkaa ympäristöön.