Sviluppo del primo modello full scale del rivelatore criogenico di anticoincidenza per il telescopio spaziale Athena

Abstract

I rivelatori criogenici stanno diventando sempre più popolari in vari campi, dalla fisica delle astroparticelle alla scienza dei materiali e alla biologia. Il telescopio spaziale ATHENA utilizzerà due di questi rivelatori per studiare l '“universo caldo ed energetico” nella banda dei raggi X molli. Entrambi i rilevatori saranno utilizzati nello strumento di imaging spettroscopico a raggi X, l'Integral Field Unit (X-IFU), uno come array di microcalorimetri a dispersione di energia, che mostrerà una risoluzione di 2 eV nella rilevazione dei raggi X, e l'altro come suo anticoincidenza criogenica, un rilevatore di particelle cariche di area estremamente ampia. Il rilevatore di anticoincidenza sarà fondamentale poiché i raggi cosmici sono indistinguibili dai segnali fisici rilevati dall'array principale. Entrambi i chip stanno ora raggiungendo la loro configurazione finale.

Questa tesi illustra il lavoro svolto per superare alcune di queste sfide per l'Anticoincidenza Criogenica. Il problema principale affrontato è la produzione di un rilevatore con un'area attiva di circa 3 cm2 utilizzando la tecnologia Transition Edge Sensor, partendo da un prototipo con un'area attiva di 1 cm2. È stato fatto un grande lavoro per migliorare le fasi di produzione dei chip, aumentando l'area attiva ottenibile ma anche migliorando la riproducibilità di ogni processo. L'attenzione si è concentrata sulle fasi critiche, ovvero la deposizione del materiale del sensore utilizzando la tecnica Pulsed Laser Deposition e la sua incisione, ma anche sulla Deep Reactive Ion Etching necessaria per conferire al chip la forma e le caratteristiche geometriche corrette. Parallelamente ai miglioramenti nella produzione, sono state svolte attività di qualificazione spaziale. In particolare, questo lavoro presenterà i risultati della seconda campagna di test di vibrazione sul rivelatore, necessaria per capire se il chip resisterà alla fase di lancio, e della campagna di verifica della colla.

Cryogenic detectors are becoming increasingly popular in various fields, from astroparticle physics to material science and biology. The ATHENA space telescope will use two of such detectors in its focal plane to investigate the ‘hot and energetic universe,’ in the soft X-ray band. Both detectors will be used in the X-ray spectroscopic imaging instrument, the Integral Field Unit (X-IFU), one as Energy Dispersive Microcalorimeter Array, which will show 2 eV resolution in the X-ray detection, and the other as its Cryogenic Anticoincidence, an extremely large-area charged particle detector. The Anticoincidence detector will be crucial as cosmic rays are indistinguishable from the physical signals detected by the main array. Both chips are now reaching their final configuration.

This thesis illustrates the work done to overcome some of these challenges for the Cryogenic Anticoincidence. The main problem addressed is the production of a detector with an active area of approximately 3 cm2 using Transition Edge Sensor technology, starting from a prototype with an active area of 1 cm2. A great deal of work has been done to improve the chip production phases, increasing the obtainable active area but also improving the reproducibility of each process. Attention was focused on the critical stages, namely the deposition of the sensor material using the Pulsed Laser Deposition technique and its etching, but also on the Deep Reactive Ion Etching necessary to give the chip the correct shape and geometric characteristics. In parallel with the improvements in manufacturing, space qualification activities were carried out. In particular, this work will present the results of the second vibration test campaign on the detector, necessary to understand whether the chip will withstand the launch phase, and the glue verification campaign, necessary to to understand whether the chip will withstand the launch phase, and the glue verification campaign.