Siamo soli nell’universo? Questa domanda secolare ha ispirato l’esplorazione scientifica per secoli. Se la vita su altri pianeti si evolve in modo simile alla vita sulla Terra, può imprimere la sua presenza in caratteristiche spettrali atmosferiche note come biofirme. Queste includono linee di assorbimento ed emissione nello spettro prodotte da ossigeno, anidride carbonica, metano e altre molecole che potrebbero indicare condizioni favorevoli alla vita. Una futura missione astrofisica della NASA, l’Habitable Worlds Observatory (HWO), cercherà di trovare biofirme negli spettri ultravioletti, ottici e del vicino infrarosso (NIR) delle atmosfere degli esopianeti per cercare prove che la vita possa esistere altrove nell’universo.
HWO avrà bisogno di una tecnologia di rilevamento ad alta sensibilità per rilevare queste deboli biofirme su esopianeti distanti. Il sensore di immagine SPSCMOS (Single-Photon Sensing Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) è una tecnologia promettente per questa applicazione. Questi sensori al silicio possono rilevare e risolvere singoli fotoni a lunghezza d’onda ottica utilizzando un nodo di rilevamento a diffusione flottante a bassa capacità e alto guadagno. Funzionano efficacemente in un ampio intervallo di temperatura, anche a temperatura ambiente. Hanno un rumore di lettura prossimo allo zero, sono tolleranti alle radiazioni e generano pochissimi segnali indesiderati, come la corrente di buio. Raffreddata a 250 K, la corrente di buio scende a un solo elettrone ogni mezz’ora. Se il rumore di lettura o la corrente di buio sono troppo elevati, il sensore non riuscirà a rilevare i deboli segnali prodotti dalle biofirme. Un team di ricerca del Center for Detectors (CfD) del Rochester Institute of Technology (RIT) sta accelerando la preparazione di questi sensori SPSCMOS per l’impiego nelle missioni spaziali attraverso programmi di sviluppo tecnologico dei rivelatori finanziati dai bandi Strategic Astrophysics Technology e Early Stage Innovations della NASA. Questi programmi di sviluppo includono diversi obiettivi chiave:
- Caratterizzare parametri critici delle prestazioni del rilevatore come corrente oscura, efficienza quantistica e rumore di lettura prima, durante e dopo l’esposizione a radiazioni ad alta energia
- Sviluppare nuove modalità di lettura per questi sensori per mitigare gli effetti dei danni da radiazioni a breve e lungo termine
- Progettare una nuova versione NIR del sensore utilizzando il software Technology Computer-Aided Design (TCAD)
I sensori SPSCMOS funzionano in modo simile ai tradizionali sensori di immagine CMOS, ma sono ottimizzati per rilevare singoli fotoni, una capacità essenziale per osservazioni spaziali ultrasensibili, come la misurazione dei gas nelle atmosfere degli esopianeti. I fotoni in arrivo entrano nel sensore e generano cariche libere (elettroni) nel materiale del sensore. Queste cariche si accumulano nel pozzo di accumulo di un pixel e alla fine si trasferiscono a un componente a bassa capacità chiamato nodo di rilevamento a diffusione flottante (FD), dove ogni carica libera provoca una variazione di tensione ampia e risolta. Questa variazione di tensione viene quindi digitalizzata per leggere il segnale.
Gli esperimenti che misurano le prestazioni dei sensori in un ambiente spaziale utilizzano un Dewar sotto vuoto e un supporto a controllo termico per consentire una regolazione precisa della temperatura dei sensori. Il Dewar consente di effettuare test in condizioni che corrispondono all’ambiente termico previsto per lo strumento HWO e può persino raffreddare il sensore e i suoi circuiti integrati a temperature più basse rispetto a qualsiasi test precedente riportato per questa famiglia di rivelatori. Questi test sono fondamentali per rivelare i limiti prestazionali relativi a parametri del rivelatore come la corrente di buio, l’efficienza quantistica e il rumore di lettura. Al variare della temperatura, anche le proprietà elettriche dei circuiti integrati possono variare, il che influisce sulla lettura della carica in un pixel.
L’ambiente ricco di radiazioni per l’HWO causerà effetti temporanei e permanenti sul sensore. Questi effetti possono corrompere il segnale misurato in un pixel, interrompere il clocking del sensore e la logica digitale e causare danni cumulativi che degradano gradualmente le prestazioni del sensore. Per mitigare la perdita di sensibilità del rivelatore durante l’intera durata della missione, il team del RIT sta sviluppando nuove modalità di lettura non disponibili nei sensori CMOS commerciali. Queste modalità personalizzate campionano il segnale nel tempo (un’acquisizione “a rampa”) per consentire il rilevamento e la rimozione di artefatti da raggi cosmici. In una modalità, quando il sistema identifica un artefatto, segmenta la rampa del segnale e calcola selettivamente la media dei segmenti per ricostruire il segnale originale, preservando i dati scientifici che altrimenti andrebbero persi. Inoltre, un sistema di acquisizione dati in tempo reale monitora il consumo energetico del rivelatore, che può variare a causa dell’accumulo di danni durante una missione. Il sistema di acquisizione registra queste variazioni e comunica con l’elettronica del rivelatore per regolare le tensioni e mantenere il funzionamento nominale. Queste strategie di mitigazione dei danni da radiazioni saranno valutate durante una serie di programmi di test presso strutture di radiologia a terra. I test aiuteranno a identificare i meccanismi di guasto unici che hanno un impatto sulla tecnologia SPSCMOS quando viene esposta a radiazioni equivalenti alla dose prevista per HWO.
Mentre i sensori SPSCMOS esistenti sono limitati alla rilevazione della luce visibile a causa del loro design basato sul silicio, il team del RIT sta sviluppando il primo fotodiodo a singolo fotone NIR al mondo basato sull’architettura utilizzata nei sensori ottici. Il progetto del fotodiodo inizia con una simulazione nel software TCAD per modellare le proprietà ottiche ed elettriche dell’architettura CMOS a bassa capacità. Il modello simula circuiti fotosensibili utilizzando sia silicio che tellururo di mercurio e cadmio (HgCdTe o MCT) per determinare l’accuratezza con cui il pixel misurerebbe la carica fotogenerata se fosse fabbricato fisicamente da una fonderia di semiconduttori. Il modello presenta strutture di dispositivi 2D e 3D che convertono la luce in carica elettrica e circuiti per controllare il trasferimento di carica e la lettura del segnale con sonde virtuali in grado di misurare il flusso di corrente e il potenziale elettrico. Queste simulazioni aiutano a valutare i meccanismi chiave come la conversione della luce in elettroni, l’immagazzinamento e il trasferimento degli elettroni e la tensione di uscita del circuito di campionamento del fotodiodo.
Oltre ai test di laboratorio, il progetto include valutazioni delle prestazioni con un telescopio terrestre. Questi test consentono al sensore di osservare obiettivi astronomici che non possono essere replicati completamente in laboratorio. Campi stellari e nebulose diffuse mettono alla prova l’intera catena del segnale del rivelatore in condizioni di cielo reale con deboli livelli di flusso, aberrazioni dipendenti dal campo e condizioni di seeing variabili. Queste osservazioni aiutano a identificare limiti prestazionali che potrebbero non essere evidenti nelle misurazioni di laboratorio controllate.
Nel gennaio 2025, un team di ricercatori guidato dal dottorando Edwin Alexani ha utilizzato una fotocamera basata su SPSCMOS presso l’Osservatorio CEK Mees nella contea di Ontario, New York. Hanno osservato l’ammasso stellare M36 per valutare la precisione fotometrica del sensore e la Nebulosa Bolla in un filtro H-alfa a banda stretta. La corrente oscura e il rumore di lettura misurati erano coerenti con i risultati di laboratorio. Il team ha osservato stelle di riferimento fotometriche per stimare l’efficienza quantica (QE), ovvero la capacità del rivelatore di convertire i fotoni in segnale. La QE calcolata è risultata in linea con le misurazioni di laboratorio, nonostante le differenze nei metodi di calibrazione.
Il team ha anche osservato il satellite STARLINK-32727 mentre attraversava il campo visivo del telescopio e ha misurato una carica persistente trascurabile, ovvero un segnale residuo che può rimanere nei pixel del rilevatore dopo l’esposizione a una sorgente luminosa. Sebbene il satellite abbia brevemente prodotto una striscia luminosa su diversi pixel a causa della luce solare riflessa, la carica latente media nei pixel interessati era di soli 0,03 e – /pix, ben al di sotto sia del rumore di fondo cielo che del rumore di lettura del sensore.
Con l’avanzare e il perfezionamento della missione HWO da parte della NASA, la tecnologia SPSCMOS promette di rivoluzionare la ricerca sugli esopianeti e l’astrofisica in generale. Questi sensori miglioreranno la nostra capacità di rilevare e analizzare mondi lontani, avvicinandoci di un passo alla risposta a una delle domande più profonde dell’umanità: siamo soli? Per ulteriori dettagli, vedere la voce relativa a questo progetto su NASA TechPort .
