Yer gözlem uydularındaki dedektörlerde radyasyon hasarının benzetişiminin yapılması
Simulation of radiation damage in detectors on earth observation satellites
Yazar: ÖMERALİ YAĞCIOĞLU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BURÇİN DÖNMEZ
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uzay Bilimleri ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Astronomi ve Uzay Bilimleri = Astronomy and Space Sciences ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering
Dizin: Elektronik dedektör = Electronic detector ; Fotodedektörler = Photodetectors ; Landsat uyduları = Landsat satellite ; Optik dedektör = Optical dedector ; Radyasyon etkileri = Radiation effects ; Radyasyondan korunma = Radiation-protection

Özet:
Bu çalışma, GEANT4 simülasyonları kullanarak SiPIN ve MCT dedektörlerinin radyasyon zararına karşı dayanıklılığını incelemektedir. Çalışmanın amacı, yeryüzü gözlem uydularında kullanılan dedektörlerin uzun vadeli radyasyon direncini değerlendirmektir. Simülasyonlar, Landsat-8 ve GOES uydularından elde edilen veriler kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Dedektör boyutları ve geometrileri GEANT4 ile tanımlanmış ve dedektör hacmi bir bütün olarak ele alınmıştır. Enerji birikimi, doz, Frenkel çiftleri ve Atom Başına Yer Değiştirmeler (DPA) hesaplanmıştır. NIEL (Non-Ionizing Energy Loss) kullanılarak, 1 MeV nötron eşdeğer akıları belirlenmiştir. Her bir enerji seviyesi ayrı ayrı değerlendirilmiş, ardından genel bir değerlendirme yapılmıştır. Dedektörler, Kapton, Dacron ve alüminyum katmanlarından oluşan çok katmanlı izolasyon (MLI) içinde yerleştirilmiştir. Sonuçlar, 10 MeV'nin altındaki protonların ve 40 MeV'nin altındaki alfa parçacıklarının MLI katmanlarını geçemediğini göstermiştir. GOES uydusundan alınan elektron ve fotonlar için enerji aralığı da MLI katmanlarını geçmek için yetersiz kalmıştır. GOES uydusu nötron verisi sağlamadığından, bu veriler STS-36 görevinden elde edilmiş ve 7 yıllık bir süreye projeksiyon yapılmıştır. Bu veriler, dedektörlerin maruz kalacağı radyasyon zararının bir tahminini sunmaktadır.
Ayrıca, GOES uydusundan elde edilen veriler, güneş döngüsünün parçacık akısını önemli ölçüde etkilediğini göstermektedir. Güneş minimumu dönemlerinde, 50 MeV'nin üzerindeki enerjilere sahip parçacıkların sayısı artma eğilimindedir ve bu parçacıkların güneş döngüsü ile uyumlu olmadıkları için kozmik ışınlar olabileceği düşünülmektedir. 50 MeV'nin altındaki parçacıklar ise güneş döngüsünün değişiklikleri ile tutarlılık göstermektedir.
Veri analizi ayrıca radyasyona bağlı hasarın mevcut olduğunu ancak henüz ölçülebilir seviyelere ulaşmadığını göstermektedir. Hartmann'ın (2017) bulgularına göre, 1 MeV nötron akısında radyasyon zararları genellikle $10^{14}$ veya daha yüksek akı seviyeleri gerektirmektedir. Çalışmamızda, yaklaşık $10^{11}$ (100 milyar) seviyelerinde çok daha düşük akılar gözlemlenmiştir, bu da belli bir hasarın meydana geldiğini ancak henüz tespit edilebilir eşiğin altında kaldığını göstermektedir.
Sonuç olarak, bu çalışma yeryüzü gözlem uyduları için dedektörlerin radyasyon zararına dayanıklılığının kapsamlı bir analizini sunmakta ve gelecekteki uydu görevleri için önemli bilgiler sağlamaktadır.

Abstract:
This study investigates the radiation damage hardness of SiPIN and MCT detectors using GEANT4 simulations. The aim is to evaluate the long-term radiation resistance of detectors in Earth observation satellites. Simulations were carried out using data from the Landsat-8 and GOES satellites.
Detector dimensions and geometries were defined in GEANT4, treating the detector volume as a whole. Energy deposition, dose, Frenkel pairs, and Displacements Per Atom (DPA) values were calculated. Using NIEL (Non-Ionizing Energy Loss), 1 MeV neutron equivalent fluxes were determined. Each energy level was considered separately, followed by an overall evaluation. The detectors were positioned within multilayer insulation (MLI) made of Kapton, Dacron, and aluminum layers. The results showed that protons with energies below 10 MeV and alpha particles with energies below 40 MeV could not penetrate the MLI layers. The energy range for electrons and photons from the GOES satellite was insufficient to penetrate the MLI layers. Since GOES did not provide neutron data, estimates were derived from the STS-36 mission and projected over 7 years. These data offer an estimate of the radiation damage to which the detectors will be exposed.
Moreover, data from the GOES satellite indicated that the solar cycle significantly affects particle flux. During periods of solar minimum, the number of particles with energies above 50 MeV tends to increase, potentially due to cosmic rays, as these particles do not show coherence with the solar cycle. Particles below 50 MeV, however, remain consistent with the solar cycle's variations.
Furthermore, data analysis reveals that, while radiation-induced damage is present, it has not reached measurable levels. According to findings from Hartmann (2017), measurable radiation damage, such as from 1 MeV neutron fluxes, generally requires flux levels of $10^{14}$ or higher. In our study, we observed fluxes at a much lower level, approximately $10^{11}$ (100 billion), indicating that while damage is occurring, it remains below the threshold of detectability.
In conclusion, this study provides a comprehensive analysis of radiation damage hardness in detectors for Earth observation satellites, with significant insights for future satellite missions.