Integrazione dei rivelatoriIntegrazione dei rivelatori
Dr. Emanuele Pace
Giugno 2006
Corso di Rivelatori per lo SpazioCorso di Rivelatori per lo Spazio
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 2
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 3
Obiettivi e specificheObiettivi e specifiche
Obiettivo della MissioneRichieste dello user
Limiti politiciLimiti economici
Richieste per la missionePrestazioni Affidabilità Copertura Costi
Durata
Ground segmentStazioni di terraData processing
Specifiche per la sondaOrbita PotenzaConfigurazione Massa
Operazioni
LanciatoreVolumeMassa
Environment
Specifiche per i sottosistemiTermico Potenza Comunicazioni
Struttura Elettronica Controllo d’assetto
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 4
SottosistemiSottosistemi
Space segment
BusPayload
Propulsione (1) (4)
Termico (1) (6)Controllo d’assetto e di orbita (1) (4)
Struttura (5)
Data handling (2)Telemetria (2) e comandi (3) Power (7)
Meccanismi (5)
I numeri tra parentesi sono riferiti ai requisiti di I numeri tra parentesi sono riferiti ai requisiti di funzionamento riportati nella diapositiva successivafunzionamento riportati nella diapositiva successiva
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 5
Sviluppo di un satelliteSviluppo di un satellite
Qualifica dei componenti
Electrical Model:
electrical tests
EMC tests
Procedure di check pre-lancio
Structural Model:
thermo-vacuum test
vibration tests
Flight Model
En
ginee
ring M
od
elE
ngin
eering
Mo
del
Pro
to-F
ligh
t Mod
el
Pro
to-F
ligh
t Mod
el
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Sottosistemi: telemetriaSottosistemi: telemetria
Esempi di telemetria:Esempi di telemetria:
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Sottosistemi: alimentazioneSottosistemi: alimentazione
Fornita da batterie:Fornita da batterie:
Nickel-cadmioNickel-cadmio
Zinco-ArgentoZinco-Argento
Erogano una tensione continua di 28 V Erogano una tensione continua di 28 V ± 2V± 2V
L’alimentazione deve anche provvedere aL’alimentazione deve anche provvedere a
RiscaldatoriRiscaldatori
MotorizzazioniMotorizzazioni
Funzioni pirotecnicheFunzioni pirotecniche
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Standard da applicare al bus PSStandard da applicare al bus PS
Bus di tensioni costanti giorno e notte:
28 V per potenze fino a 1,5 kW
50 V per potenze fino a 8 kW
100 V e 120 V per potenze maggiori
Valori nominali del regolatore principale in condizioni stazionarie entro ± 0,5 %
Per transienti di carico fino al 50 % del carico nominale i transienti sul bus non devono superare l’1 %, le tensioni del bus devono rimanere entro il 5 % del valore nominale. In caso di rottura del fusibile, il riavvio del sistema non deve provocare un overshoot maggiore del 5 % del valore nominale del bus.
Valore del ripple di tensione inferiore al 0,5 % picco-picco della tensione nominale del bus.
Spikes di tensione relativi alle commutazioni inferiori al 2 % picco-picco della tensione nominale del bus (misurata con un oscilloscopio analogico con banda-passante minima di 50 MHz minimum o con un oscilloscopio digitale che offra prestazioni equivalenti o migliori).
Limita il peso Limita il peso dei cavidei cavi
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Power SupplyPower Supply
Low VoltageLow VoltageHigh VoltageHigh Voltage BatteriesBatteries
LIDAR & LIDAR &
IR cameraIR camera
CCUCCU
TCUTCU
Thermal controlThermal control
Lid mechanismLid mechanism
PS controlPS control
TelemetryTelemetry
EmergencyEmergency
ActuatorsActuators
Focal SurfaceFocal Surface
CalibrationCalibration
DetectorsDetectors
MARS - ASICMARS - ASIC
ElectronicsElectronics
SourcesSources
DetectorsDetectors
Trigger & DHTrigger & DH
Esempio: EUSO Esempio: EUSO
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 10
CAEN S9030 PS ModuleCAEN S9030 PS Module
Input Voltage +15 V ÷ +20 V
Output VoltagesHVOUT: -900 V HV AUXOUT: +3.5 V ÷ +13 V (referred to HVOUT)
Output Current 8 mA maximum
Output Power 7 W maximum
Output Ripple (Differential Mode)
200 mVpp (100 Hz to 15 MHz)
Input Ripple200 mVpp (input filtered by a 22 µH series inductor); measured according to MIL-STD-461 specifications
Switching Frequency
140 KHz ÷ 160 KHz
Sync Frequency 170 KHz ÷ 220 KHz
Line Regulation 500 mV maximum
Load Regulation 10 V maximum
HV OUT Temperature Drift
100 ppm/°C
Radiation tolerance 30 Krad
Operating Temperature
-20 ÷ +60 °C nominal
Packaging Polyamide PCB (135.3 mm X 56.5 mm X 15 mm)
Weight 100 g
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BatterieBatterie
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CablaggioCablaggio
Anche il cablaggio del sistema PS deve soddisfare una serie di condizioni e di specifiche
Nessuna parte del cablaggio deve essere usata come supporto meccanico.
La trasmissione di potenza deve avvenire mediante cavi “twisted” con il proprio ritorno per minimizzare l’area dei loop di corrente e l’induttanza parassita dei cablaggi. Nel caso che il ritorno avvenga attraverso la struttura, i cavi di tensione devono passare in prossimità dei piani di massa.
La distribuzione di potenza deve essere protetta in modo che sovra-correnti nei cavi non posano provocare interruzioni su altri cavi.
L’induttanza dei cavi per un bus regolato, dal nodo di distribuzione al carico deve essere tale che la frequenza di taglio sia almeno 5 kHz:
L < R/ 2f L induttanza dei cavi in HR resistenza dei cavi in Ωf frequenza di taglio in Hz
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DB: form & contentsDB: form & contents
• Which information do we want to store?
– Which parameters do we need to get for reconstruction?
• I/F with end-to-end simulation and reconstruction
• Accessing different types of info with single tool (external
DB)
• Probably Several DB (info inter-relation, common
interface)
• Which type of DB ? Which SW and access tools?
• Organisation/inter-relations are crucial point! And highy
dependent on contents specification
Questions for the time being...
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Detector calibration DBDetector calibration DB
Data contents Detector: basic scheme and main parameters
Which calibration information will we have?– Collected information – Information to be used on reconstruction– Information used to generate configuration parameter
for uploading
Requires some basic assumptions...
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CalibrationCalibration
detef l T TT k
det
Gains (G) and pedestals (p)Single p.e. peak
One complete FS threshold scan every 2 months
Illumination of the FS daily?
peThr
Pre-flight absolute calibration
On-board: relative calibration (stability)
– Stable illumination of full FS (~1s, daily basis )
– Threshold scan => p.e. signal discriminator level
– Separate monitoring of the OM?
Qr
S 2efl
4
ATTTTk
@ 3 different wavelengths
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Calibration design in the Red BookCalibration design in the Red Book
Flux on FS = 5 x 109 ph/s= 950 ph on FS = 0.2 ph / MAPMT~10-2 ph / px
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Multiple-LED sourceMultiple-LED source
Electronics box
50 mm50 mm
30 m
m30
mm
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 18
Lab for testingLab for testing
8 mm
0.5 mm
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 19SO
UR
CE
: OG
SE
SO
UR
CE
: OG
SE
UV facility
X-ray facility
IR f
acili
ty
Large beamline facility
DAFNE-L: synchrotron beam facility for optical calibration from MIR to X-rays. Optical systems up to 4 m.
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Test di vibrazioneTest di vibrazione
Table 2. Random Vibration
Frequency (Hz) ADS (g2/Hz)
20 0.026
20-50 + 6 dB/Oct
50-800 0.16
800-2000 - 6 dB/Oct
2000 0.026
Overall 14.1 g RMS
Duration 1 min
Table 1. Sine Sweep (Normal mode search)
Frequency range (Hz) 20 – 2000
Scan velocity (Oct./min) 2
Amplitude (g) 0.5
Table 3. Sine Burst
Tests level (g) 12.5
Frequency (Hz) 80
Duration (sec) 1
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 21
Test di vibrazioneTest di vibrazione
Sine sweep z (vertical) directionSine sweep x direction
Random vibration x directionRandom vibration z (vertical) direction
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Laboratori di supportoLaboratori di supporto
XUVLab -DASS INOA INFN
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Esempio: HERSCHELEsempio: HERSCHEL
Missione solare HElium Resonant Scattering from HELiosphere
Immagini del sole nell’EUV
Coronografo nel VIS/EUV
Volo previsto per il 2007 da White Sands
Obiettivo principale della missione:Obiettivo principale della missione:
Osservare il Sole alla riga di emissione dell’He Osservare il Sole alla riga di emissione dell’He ionizzato (30.4 nm), in particolare nella corona fino a 2 ionizzato (30.4 nm), in particolare nella corona fino a 2 raggi solariraggi solari
SommarioSommario
Primi passi…Primi passi…
Sonde per superare Sonde per superare l’atmosferal’atmosfera
Palloni stratosfericiPalloni stratosferici
Strumenti su Strumenti su aereoplanoaereoplano
SOFIASOFIA
KAOKAO
Razzi sondaRazzi sonda
HERSCHELHERSCHEL
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Predicted Intensity in the UVCPredicted Intensity in the UVC HI, Visible-light Channels HI, Visible-light Channels
The HI 121.6 nm curves are actual data from UVCS/SOHO. Visible light intensity is derived from averaged electron density and temperatures. Also shown is the HI geocoronal emission.
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HERSCHEL RequirementsHERSCHEL Requirements
Maximum quantum efficiency
Large sensitive area
Very low noise
Fast pixel rate (> 1 MHz)
High dynamic range (16 bits A/D conversion)
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E. Pace - Rivelatori per lo spazio 27
Esempio: HERSCHELEsempio: HERSCHEL
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 28
Esempio: HERSCHELEsempio: HERSCHEL
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 29
Esempio HERSCHELEsempio HERSCHEL
VISIBLEVISIBLE
UVUV
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Camera overviewCamera overview
CDSADC
CDSADC
CCDPeltier
Preamplifier
CCDPeltier
Preamplifier
SequencerClock Driver
SequencerClock Driver
Space WireSpace Wire
Peltier Power SuppliesPeltier Power Supplies
Power SuppliesBias generator
Power SuppliesBias generator
LCVR controllerLCVR controller
Rocket Battery
Start & control signals
Trigger & Control signals
Read-out clocks
Video signal
image
Biases
Voltages
Voltages
Temperature slopecontrol
Polarimeter LCVRControl signals
Temperature control
On-board PC
16 bits
Encoded data
CCD camera case
16 bits
Peltier Voltage
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Camera overviewCamera overview
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 32
PCBs developmentPCBs development
CDS & ADCCDS & ADC
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 33
PCBs developmentPCBs development
CCD & PreampCCD & Preamp
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Camera sensorCamera sensor
CCD 47-20
Frame size 1024 x 1024
Pixel size 13 micron
Frame transfer
Front or back illuminated
Inverted or non-inverted mode
Read-out noise 2 e-
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= 330 = 330 ÷ 400 nm÷ 400 nmEUSOEUSO
E. Pace - Rivelatori per lo spazio 36
Il piano focale (r,Il piano focale (r,))
MAPMT
MicrocellaMacrocella
PDM
Il piano focale (x,y)Il piano focale (x,y)
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R8900-M36R7400-M256
Phase-A ResultsPhase-A Results
+Optical Adaptor
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Optical adapters: coatingsOptical adapters: coatings
210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 5400
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 Trasmittance coating+BG3
Trasmittance coating
Trasmittance BG3
Weight of single lens Total Weight
3.74 g 20.7 kg
(nm)Geometric
Efficiency (%)Radiometric
Efficiency (%)
337 99.5 94.7
357 99.5 95.6
391 99.5 94.4
WindowMAPMT
mirror
BG3
PMMA
27.0 mm
24
.0 m
m