NASA destekli bir ekip, gelecekteki NASA astrofizik uzay görevlerinin diğer gezegenlerde yaşam aramasını sağlayacak olan tamamlayıcı metal oksit-sememüktör (CMOS) dedektör teknolojisini ilerletiyor. Dedektör olgunlaşma programının bir parçası olarak, ekip yüksek enerjili radyasyon maruziyetinden önce, sırasında ve sonrasında sensörleri karakterize ediyor; radyasyona bağlı hasarı azaltmak için yeni okuma modlarının geliştirilmesi; ve bireysel fotonları tespit edebilen kızılötesine yakın bir CMOS piksel prototipini simüle etmek.
Evrende yalnız mıyız? Bu asırlık soru yüzyıllardır bilimsel keşiflere ilham verdi. Diğer gezegenlerde yaşam, dünyadaki yaşamla benzer şekilde gelişirse, asbiosignatürlerin bilinen atmosferik spektral özelliklerindeki varlığını izleyebilir. Bunlar, oksijen, karbondioksit, metan ve yaşamı destekleyebilecek koşulları gösterebilecek diğer moleküller tarafından üretilen spektrumda emilim ve emisyon hatları içerir. Gelecekteki bir NASA astrofizik misyonu, yaşanabilir dünyalar Gözlemevi (HWO), yaşamın başka yerlerde var olabileceğine dair kanıt aramak için dış gezegen atmosferlerinin ultraviyole, optik ve yakın kızılötesi (NIR) spektrumlarında biyosignatürler bulmaya çalışacaktır.
HWO, uzak dış gezegenlerde bu hafif biyosignatürleri tespit etmek için son derece hassas dedektör teknolojisine ihtiyaç duyacaktır. Tek foton algılama tamamlayıcı metal-oksit-sememdüktör (SPSCMOS) görüntü sensörü bu uygulama için umut verici bir teknolojidir. Bu silikon bazlı sensörler, düşük kapasiteli, yüksek kazançlı yüzer difüzyon duyusu düğümü kullanarak bireysel optik dalga boyu fotonları tespit edebilir ve çözebilir. Oda sıcaklığı da dahil olmak üzere geniş bir sıcaklık aralığında etkili bir şekilde çalışırlar. Sıfıra yakın okuma gürültüsü vardır, radyasyona toleranslıdırlar ve karanlık akım gibi çok az istenmeyen sinyal üretirler. 250 K’ya kadar soğutulduğunda, karanlık akım yarım saatte bir sadece bir elektrona düşer. Okuma gürültüsü veya karanlık akım çok yüksekse, sensör biyosignatürlerin ürettiği zayıf sinyalleri algılayamaz.
Rochester Teknoloji Enstitüsü (RIT) Dedektörler Merkezi’ndeki (CFD) bir araştırma ekibi, NASA’nın stratejik astrofizik teknolojisi ve erken aşama yenilikleri kararları tarafından finanse edilen dedektör teknoloji olgunlaşma programları aracılığıyla bu SPSCMOS sensörlerinin uzay görevlerinde kullanılmak üzere hazır olmasını hızlandırıyor. Bu geliştirme programları çeşitli temel hedefler içerir:
- Karanlık akım, kuantum verimliliği ve yüksek enerjili radyasyona maruz kalmadan önce, sırasında ve sonrasında gürültü gibi kritik dedektör performans metriklerini karakterize edin
- Kısa ve uzun süreli radyasyon hasarından etkileri azaltmak için bu sensörlerin yeni okuma modları geliştirin
- Teknoloji Bilgisayar Destekli Tasarım (TCAD) yazılımını kullanarak sensörün yeni bir NIR sürümü tasarlayın
SPSCMOS sensörleri, geleneksel CMOS görüntü sensörlerine benzer şekilde çalışır, ancak bireysel fotonları tespit etmek için optimize edilir-bu, dış gezegenlerin atmosferlerindeki gazların ölçülmesi gibi ultra duyarlı alan tabanlı gözlemler için temel bir kapasite. Gelen fotonlar sensöre girer ve sensör malzemesinde serbest yükler (elektronlar) üretir. Bu yükler bir pikselin depolama kuyusunu toplar ve sonunda, her bir serbest yükün büyük ve çözülmüş voltaj kaymasına neden olduğu yüzen difüzyon (FD) duyu düğümü adı verilen düşük kapasiteli bir bileşene aktarılır. Bu voltaj kayması daha sonra sinyali okumak için sayısallaştırılır.
Alanla ilgili bir ortamda sensör performansını ölçen deneyler, sensör sıcaklığının hassas ayarlanmasına izin vermek için bir vakum dewar ve termal olarak kontrol edilen bir montaj kullanır. Dewar, HWO cihazının beklenen termal ortamıyla eşleşen koşullarda test yapılmasını sağlar ve sensörü ve çip üzerindeki devrelerini bile bu dedektör ailesi için bildirilen önceki testlerden daha soğuk sıcaklıklara kadar soğutabilir. Bu testler, karanlık akım, kuantum verimliliği ve okuma gürültüsü gibi dedektör metriklerine göre performans sınırlamalarını ortaya çıkarmak için kritiktir. Sıcaklıklar değiştikçe, çip üzerindeki devrelerin elektriksel özellikleri de değişebilir, bu da bir pikseldeki okumayı etkiler.
HWO için radyasyon açısından zengin ortam, sensörde geçici ve kalıcı etkilere neden olacaktır. Bu etkiler, bir pikselde ölçülen sinyali bozabilir, kesme sensörü tıkanması ve dijital mantık olabilir ve sensör performansını kademeli olarak bozan kümülatif hasara neden olabilir. Bir görev yaşamı boyunca dedektör hassasiyetinin kaybını azaltmak için RIT ekibi, ticari CMOS sensörlerinde bulunmayan yeni okuma modları geliştiriyor. Bu özel modlar, kozmik ışın eserlerinin algılanmasını ve çıkarılmasını sağlamak için zaman içinde sinyali (bir “rampa” edinimi) örnekler. Bir modda, sistem bir artefaktı tanımladığında, sinyal rampasını ayırır ve orijinal sinyali yeniden yapılandırmak için segmentleri seçici olarak ortalamalar – aksi takdirde kaybolacak bilimsel verileri korur. Buna ek olarak, gerçek zamanlı bir veri toplama sistemi, dedektörün güç tüketimini izler, bu da bir görev boyunca hasar birikiminden değişebilir. Edinme sistemi bu değişimleri kaydeder ve voltajları ayarlamak ve nominal işlemi sürdürmek için dedektör elektronikleri ile iletişim kurar. Bu radyasyon hasarı azaltma stratejileri, yer tabanlı radyasyon tesislerindeki bir dizi test programı sırasında değerlendirilecektir. Testler, HWO için beklenen doza eşdeğer radyasyona maruz kaldığında SPSCMOS teknolojisini etkileyen benzersiz arıza mekanizmalarının belirlenmesine yardımcı olacaktır.
Mevcut SPSCMOS sensörleri, silikon tabanlı tasarımları nedeniyle görünür ışığı tespit etmekle sınırlı olsa da, RIT ekibi optik sensörlerde kullanılan mimariye dayanarak dünyanın ilk NIR tek foton fotodiyotunu geliştiriyor. Fotodiyot tasarımı, TCAD yazılımında bir simülasyon olarak başlar düşük kapasiteli CMOS mimarisinin optik ve elektriksel özelliklerini modelleyin. Model, pikselin fiziksel olarak üretilmesi durumunda pikselin foto oluşturulmuş yükü ne kadar iyi ölçeceğini belirlemek için hem silikon hem de cıva kadmiyum tellurid (HGCDTE veya MCT) malzemesi kullanarak hafif duyarlı devreleri simüle eder. Işığı elektrik yüküne dönüştüren 2D ve 3D cihaz yapılarına ve mevcut akış ve elektrik potansiyelini ölçebilen sanal problarla yük transferini ve sinyal okumasını kontrol etmek için devrelere sahiptir. Bu simülasyonlar, ışığın elektronlara dönüştürülmesi, elektronların depolanması ve aktarılması ve fotodiyot örnekleme devresinin çıkış voltajı gibi anahtar mekanizmaları değerlendirmeye yardımcı olur.
Laboratuar testine ek olarak, proje yer tabanlı bir teleskopta performans değerlendirmelerini içermektedir. Bu testler, sensörün laboratuvarda tam olarak çoğaltılamayan astronomik hedefleri gözlemlemesine izin verir. Yıldız tarlaları ve dağınık bulutsular, dedektörün tam sinyal zincirine zayıf akı seviyeleri, alana bağlı sapmalar ve değişen görme koşulları ile gerçek gökyüzü arka planları altında meydan okur. Bu gözlemler, kontrollü laboratuvar ölçümlerinde görülmeyebilecek performans sınırlamalarının belirlenmesine yardımcı olur.
Ocak 2025’te, doktora öğrencisi Edwin Alexani liderliğindeki bir araştırmacı ekibi, New York’taki Ontario İlçesi’ndeki CEK MEES Gözlemevi’nde SPSCMOS tabanlı bir kamera kullandı. Sensörün fotometrik hassasiyetini ve dar bant H-alfa filtresindeki kabarcık bulutsusunu değerlendirmek için yıldız kümesi M36’yı gözlemlediler. Ölçülen karanlık akım ve okuma gürültüsü laboratuvar sonuçlarıyla tutarlıydı.
Ekip, kuantum verimliliğini (QE) veya dedektörün fotonları sinyale dönüştürme yeteneğini tahmin etmek için fotometrik referans yıldızları gözlemledi. Hesaplanan QE, kalibrasyon yöntemlerindeki farklılıklara rağmen laboratuvar ölçümleri ile anlaştı.
Ekip ayrıca, teleskopun görüş alanından geçerken uydu Starlink-32727’yi gözlemledi ve parlak bir kaynağa maruz kaldıktan sonra dedektör piksellerinde kalabilen ihmal edilebilir kalıcı yükü ölçtü. Uydu, yansıyan güneş ışığı nedeniyle birkaç piksel arasında kısa bir süre parlak bir çizgi üretse de, etkilenen piksellerde ortalama gizli yük sadece 0.03 e idi.–/PIX-Hem gökyüzü sırtında hem de sensörün okuma gürültüsünün çok altında.
NASA HWO misyonunu ilerletir ve olgunlaştırdıkça, SPSCMOS teknolojisi dış gezegen ve genel astrofizik araştırmaları için bir oyun değiştirici olmaya söz verir. Bu sensörler, uzak dünyaları tespit etme ve analiz etme yeteneğimizi geliştirecek ve bizi insanlığın en derin sorularından birini cevaplamaya bir adım daha yaklaştıracak: Yalnız mıyız?
Ek ayrıntılar için, NASA Techport’ta bu projenin girişine bakın.
Proje Kurşun (lar): Dr. Donald F. Figer, Mühendis Justin Gallagher ve bir öğrenci ekibi tarafından desteklenen Rochester Teknoloji Enstitüsü (RIT) Dedektörler Merkezi, Dedektörler Merkezi.
Sponsor Organizasyon (lar): NASA Astrofizik Bölümü, Stratejik Astrofizik Teknolojisi (SAT) Programı ve NASA Uzay Teknolojisi Misyon Müdürlüğü (STMD), Erken Aşama Yenilikleri (ESI) Programı
Source link
