Команда, підтримувана NASA, розвиває технологію детекторів на основі комплементарних металокислотних напівпровідників (CMOS) для сенсування окремих фотонів, що дозволить майбутнім космічним місіям NASA в галузі астрофізики шукати життя на інших планетах. У рамках програми вдосконалення детекторів команда проводить характеристику сенсорів до, під час та після впливу високоенергетичного випромінювання; розробляє нові режими зчитування для зменшення радіаційного пошкодження; а також симулює прототип пікселя CMOS в ближньому інфрачервоному діапазоні, здатного виявляти окремі фотони.
Чи ми самотні у Всесвіті? Це древнє питання надихає наукові дослідження протягом багатьох століть. Якщо життя на інших планетах розвивається подібно до земного, воно може залишити свій слід у спектральних характеристиках атмосфери, відомих як біосигнатури. До них належать абсорбційні та емісійні лінії в спектрі, створені такими молекулами, як кисень, вуглекислий газ, метан та інші, які можуть свідчити про умови, що підтримують життя. Подальша місія NASA в галузі астрофізики — Обсерваторія Придатних для Життя Світів (HWO) — прагне знайти біосигнатури в ультрафіолетовому, оптичному та ближньому інфрачервоному спектрах атмосфери екзопланет, щоб шукати доказів існування життя в інших частинах Всесвіту.
HWO потребує высокочутливої детекторної технології для виявлення цих слабких біосигнатур на віддалених екзопланетах. Сенсор з сенсуванням одиночних фотонів (SPSCMOS) є обіцяючою технологією для цієї мети. Ці кремнієві сенсори здатні виявляти та розрізняти окремі фотони оптичної довжини хвилі, використовуючи вузькокапаситний, високогейнний пліваючий дифузійний вузол. Вони ефективно працюють в широкому діапазоні температур, включаючи кімнатну температуру. Сенсори мають майже нульовий рівень шуму при зчитуванні, толерантні до радіації та генерують дуже мало небажаних сигналів, таких як темний струм. При охолодженні до 250K темний струм знижується до всього лише одного електрона за півгодини. Якщо рівень шуму при зчитуванні або темний струм занадто високий, сенсор не зможе виявити слабкі сигнали, які з’являються в результаті біосигнатур.
Дослідницька група в Центрі детекторів Університету Рочестера (RIT) прискорює готовність цих сенсорів SPSCMOS для використання в космічних місіях через програми удосконалення детекторної технології, профінансовані за рахунок стратегічної астрофізичної технології NASA та програм ранніх інновацій. Ці програми розвитку мають кілька ключових завдань:
- Характеризувати основні показники продуктивності детекторів, такі як темний струм, квантова ефективність і шум при зчитуванні до, під час і після впливу високоенергетичного випромінювання.
- Розробити нові режими зчитування для цих сенсорів для зменшення впливу короткочасного та довгострокового радіаційного пошкодження.
- Розробити нову версію сенсора для ближнього інфрачервоного діапазону за допомогою програмного забезпечення для проектування технологій (TCAD).
Сенсори SPSCMOS працюють подібно до традиційних сенсорів CMOS, але оптимізовані для виявлення окремих фотонів — важливої можливості для надчутливих спостережень у космосі, таких як вимірювання газів в атмосферах екзопланет. Вхідні фотони потрапляють до сенсора та генерують вільні заряди (електрони) в матеріалі сенсора. Ці заряди накопичуються в резервуарі пікселя і зрештою передаються до низькокупного компонента, відомого як пліваючий дифузійний (FD) сенсорний вузол, де кожен вільний заряд викликає велике і чітке зміщення напруги. Це зміщення напруги потім оцифровується для зчитування сигналу.
Експерименти, які вимірюють продуктивність сенсора в умовах космосу, використовують вакуумний дегідратор і термокеровану підставку, що дозволяє точно налаштувати температуру сенсора. Дегідратор забезпечує тестування в умовах, що відповідають очікуваному термічному середовищу інструменту HWO, і навіть може охолодити сенсор та його вбудовані схеми до температур, нижчих за будь-які попередні тестування тієї ж категорії детекторів. Ці випробування є критично важливими для виявлення обмежень продуктивності щодо показників детекторів, таких як темний струм, квантова ефективність і шум при зчитуванні. Зміна температур також може впливати на електричні властивості вбудованих схем, що позначається на зчитуванні заряду в пікселі.
Середовище з високим рівнем радіації для HWO призводитиме до тимчасових та постійних ефектів у сенсорах. Ці ефекти можуть спотворювати сигнал, виміряний у пікселі, переривати годинник сенсора та цифрову логіку, а також викликати накопичувальні пошкодження, що поступово погіршують продуктивність сенсора. Щоб зменшити втрату чутливості детектора протягом терміну служби місії, команда RIT розробляє нові режими зчитування, які недоступні в комерційних CMOS сенсорах. Ці спеціалізовані режими зчитують сигнал протягом часу (аквізиція «г ramp») для виявлення та видалення артефактів космічних променів. У одному з режимів, коли система виявляє артефакт, вона сегментує раптовий сигнал і вибірково здійснює усереднення сегментів для відновлення оригінального сигналу, зберігаючи наукові дані, які інакше б були втрачені. Крім того, система збору даних в реальному часі моніторить споживання енергії детектора, яке може змінюватись внаслідок накопичення пошкоджень протягом місії. Система збору даних реєструє ці зміни та спілкується з електронікою детектора для корекції напруги та підтримання нормальної роботи. Ці стратегії зменшення радіаційного пошкодження оцінюватимуться під час ряду тестових програм на наземних радіаційних об’єктах. Тести допоможуть виявити унікальні механізми відмов, що впливають на технологію SPSCMOS під час впливу радіації, еквівалентної дозі, очікуваній для HWO.
Хоча наявні сенсори SPSCMOS обмежені виявленням видимого світла через їх кремнієвий дизайн, команда RIT розробляє перший у світі фотодіод для ближнього інфрачервоного діапазону на основі архітектури, що використовується в оптичних сенсорах. Дизайн фотодіода починається з симуляції в програмному забезпеченні TCAD, щоб змоделювати оптичні та електричні властивості низькокапаситного CMOS-архітектури. Модель симулює світлочутливі схеми, використовуючи як кремній, так і ртутно-кадмієвий телурид (HgCdTe або MCT), щоб визначити, наскільки добре піксель виміряв би фото-генерований заряд, якби його фізично виготовила напівпровідникова фабрика. Вона має 2D та 3D структури пристроїв, які перетворюють світло на електричний заряд, а також схеми для контролю передачі заряду та зчитування сигналу з віртуальними зондами, які можуть вимірювати потік струму та електричний потенціал. Ці симуляції допомагають оцінити ключові механізми, такі як перетворення світла на електрони, зберігання та передачу електронів, а також вихідну напругу схеми вибірки фотодіода.
Окрім лабораторних випробувань, проект включає оцінку продуктивності в наземному телескопі. Ці тести дозволяють сенсору спостерігати астрономічні об’єкти, які не можна повністю відтворити в лабораторії. Поля зірок та дифузні туманності ставлять перед детектором завдання в повному ланцюзі сигналу в умовах реального неба з низькими потоками, залежними від полів абераціями та змінними умовами спостереження. Ці спостереження допомагають виявити обмеження продуктивності, які можуть бути непомітні під час вимірювань у контрольованих лабораторних умовах.
У січні 2025 року команда дослідників на чолі з аспірантом Едвіним Алексані використала камеру на основі SPSCMOS в обсерваторії C.E.K. Mees в окрузі Онтаріо, Нью-Йорк. Вони спостерігали за зоряним кластером M36 для оцінки фотометричної точності сенсора, а також за Туманністю Пухирця через вузькосмуговий H-alpha фільтр. Виміряний темний струм і шум під час зчитування відповідали лабораторним результатам.
Команда спостерігала фотометричні референсні зірки для оцінки квантової ефективності (QE) або здатності детектора перетворювати фотони на сигнал. Обчислена QE відповідала лабораторним вимірюванням, незважаючи на різницю в методах калібрування.
Команда також спостерігала супутник STARLINK-32727, коли він проходив через поле зору телескопа, вимірюючи незначний залишковий заряд — залишковий сигнал, що може залишатися в пікселях детектора після впливу яскравого джерела. Хоча супутник короткочасно утворив яскраву смугу через відбиття сонячного світла, середній залишковий заряд в постраждалих пікселях становив лише 0.03 e—/pix — набагато нижче, ніж фоновий рівень неба та шум зчитування сенсора.
Як NASA просуває та вдосконалює місію HWO, технологія SPSCMOS обіцяє стати поворотним моментом для досліджень екзопланет та загальної астрофізики. Ці сенсори покращать нашу можливість виявляти та аналізувати віддалені світи, наближаючи нас до відповіді на одне з найглибших питань людства: чи ми самотні?
Більш детальну інформацію можна знайти в запису цього проекту на NASA TechPort.
Керівник проекту: д-р Дональд Ф. Фігер, Ініціатива майбутнього фотона та Центр детекторів, Університет Рочестера (RIT), за підтримки інженера Джастіна Геллахера та команди студентів.
Спонсоруючі організації: Астрономічне управління NASA, Програма стратегічної астрофізичної технології (SAT) та Дирекція з технологій космосу NASA (STMD), Програма ранніх інновацій (ESI).
