Ativação e Degradação da Resposta de um Instrumento de CdTe em Condições de Voo para um Telescópio Espacial de Raios Gama

Abstract

A preparação de futuras missões espaciais para a observação do Universo em altas energias requer uma análise dos efeitos da radiação do ambiente orbital na ativação radioativa e nos danos provocados pela radiação nos instrumentos principais. Um telescópio de raios X e raios gama instalado num satélite numa órbita terrestre baixa (LEO) com 550 km de altitude e 30º de inclinação é exposto a um ambiente de radiação hostil, sobretudo de partículas carregadas, que afetam o desempenho dos detetores de radiação constituintes do plano focal durante o tempo de vida da missão. A esta altitude os protões capturados geomagneticamente pela Terra com energias entre 10 e 400 MeV, na Cintura de Van Allen, interagem com os materiais dos detetores e com os materiais passivos dos módulos circundantes, principalmente durante as sucessivas passagens diárias pela anomalia do Atlântico Sul. Estes protões provocam ativação dos materiais dos detetores gerando um ruído de fundo dos fotões com altas energias emitidos no decaimento dos produtos da ativação, no entanto, os resultados sugerem que a ativação do detetor CdTe numa órbita LEO é relativamente baixa. Todavia, o desempenho do detetor, como por exemplo em termos da resolução em energia, pode ser seriamente afetado pelos danos da radiação. Analisando a resolução em energia em função do fluxo acumulado de protões, observou-se uma degradação da resolução em energia, para uma dose acumulada correspondente a 15 anos em orbita, de 5% para 122 keV, e de 0.6% e 0.5% para de 511 e 1275 keV respetivamente. Com o intuito de otimizar o desempenho operacional de futuros telescópios para altas energias baseados em detetores CdTe, quando expostos ao ambiente de radiação orbital, analisámos os efeitos de um feixe de protões sobre detetor CdTe da ACRORAD pixelizado com 88 pixéis. Para realizar este estudo foram realizadas varias medições com um feixe de protões de 14 MeV no ciclotrão do ICNAS (Instituto de Ciências Nucleares Aplicadas à Saúde) da Universidade de Coimbra.

High-energy space telescopes based future missions require further analysis of orbital environment radiation induced activation and radiation damage on main instruments. Such kind of studies are being performed by our research center in the framework of the selected Horizon 2020 AHEAD (Activities in the High Energy Astrophysics Domain) project. A X- and gamma-ray telescope onboard a satellite in a low earth orbit (LEO) of  550 km altitude and 30º inclination, is exposed to the harsh space radiation environment, mainly to charged particles that may affect the detetor performance during the mission time-frame. At this altitude the geo-magnetically trapped protons with energies between 10 and 400 MeV, in the Van Allen Belt, will interact with the detetors and payload materials, mainly during the daily successive crossings of the South Atlantic Anomaly. These protons induce the activation of the detetor materials generating a high-energy photon background noise from activation products decay; however the results suggest that the activation of CdTe detetor in an LEO is relatively low. Furthermore, the detetor performance, such as example in terms the energy resolution, could be seriously affected by the radiation damage. Analyzing the detetor energy resolution after a accumulated flow of protons, it was observed the energy resolution degradation corresponding to a cumulative dose of 15 years in orbit of 5% at 122 keV, and of 0.6% and 0.5% at 511 keV and 1275 keV and 511, respectively. In order to optimize the operational performance of future CdTe detetors based high-energy space telescopes, when exposed to orbital radiation environment, we analysed the proton beam effects on a pixelated CdTe ACRORAD detetor with 88 pixels. To carry-out this study several sets of measurements with a 14 MeV proton beam were performed at the ICNAS (Instituto de Ciências Nucleares Aplicadas à Saúde) cyclotron of Coimbra University.