μDose @ FemtoSat

Motivation

Im Weltraum sind wir ständig der kosmischen Strahlung ausgesetzt. Kosmische Strahlung besteht aus hochenergetischen Teilchen, die aus dem Weltraum auf einen Satelliten oder die Erdatmosphäre treffen. Diese Teilchen stammen von der Sonne, von anderen Sternen und sogar von fernen Galaxien. Sie bestehen hauptsächlich aus Protonen (ca. 90 %) und anderer ionisierender Strahlung, wobei der Beitrag der freien Elektronen im Erdnahfeld einen wichtigen Beitrag darstellt. Der größte Anteil stammt vom Sonnenwind (Protonen, Heliumkerne und Elektronen) und hängt stark von der Sonnenaktivität ab. Die kosmische Strahlung führt zu verschiedenen Effekten wie Aufladung, Materialveränderung, Veränderung der elektrischen Eigenschaften von Elektronik und Erzeugung von Sekundärstrahlung. Für Satelliten und Raumfahrzeuge sind daher die kosmische Strahlung und das damit verbundene Weltraumwetter von Bedeutung, da sie die elektronischen Systeme beeinträchtigen können. Die hochenergetischen Teilchen der kosmischen Strahlung können einzelne elektronische Komponenten auf Satelliten beschädigen oder zu Fehlfunktionen führen. Bei Sonnenstürmen können geladene Teilchen das Magnetfeld der Erde beeinflussen, was wiederum die Elektronik von Satelliten stören kann. Das Weltraumwetter und die Sonnenaktivität werden daher mit verschiedenen Messungen und Konzepten kontinuierlich überwacht.

Hierfür wird ein eigenes kompaktes Dosimeterkonzept entwickelt, welches die Zählrate der ionisierenden Strahlung und die Dosisleistung (deponierte Energie der Strahlung pro Zeitintervall) misst und diese als Parameter für einfache Funktionsanalysen bzw. Ausfallraten von Elektronikkomponenten, z.B. Mikrocontroller, verwendet. Darüber hinaus kann das entwickelte Konzept als autarkes batteriebetriebenes Dosimeter eingesetzt werden.

Operating Principle and Design

Halbleiterdosimeter: Halbleiterdosimeter sind wichtige Instrumente zur Überwachung und Messung der Exposition gegenüber ionisierender Strahlung. Ihre Fähigkeit, verschiedene Arten von Strahlung zu erkennen, zwischen Energieniveaus zu unterscheiden, genaue Dosismessungen zu liefern und Echtzeitüberwachung zu bieten, macht sie zu wertvollen Instrumenten für die überwachung der Strahlungsumbegung. Die wichtigsten Funktionalitäten von Halbleiterdosimetern umfassen:

1. Detektion ionisierender Strahlung: Halbleiterdosimeter sind empfindlich für verschiedene Arten ionisierender Strahlung wie Alpha-, Beta-  und Gammastrahlung. Sie können die Strahlenexposition effizient nachweisen und quantifizieren.
2. Energieunterscheidung: Die in den Dosimetern verwendeten Halbleitermaterialien ermöglichen eine Energieunterscheidung. Das bedeutet, dass sie zwischen verschiedenen Energieeintrag der Strahlung unterscheiden können. Diese Funktion ist wichtig für die Beurteilung der möglichen biologischen Wirkung bestimmter Strahlungsarten.
3. Dosismessung: Halbleiterdosimeter liefern genaue Messungen der absorbierten Strahlendosis. Sie wandeln die durch die Strahlung verursachte Ladung im Halbleitermaterial in ein elektrisches Signal um, das dann mit der absorbierten Dosis korreliert wird.
4. Echtzeitüberwachung: Halbleiterdosimeter bieten eine Überwachung in Echtzeit, mit denen die Strahlungswerte kontinuierlich überwacht werden können. Dies ist besonders wertvoll in Umgebungen, in denen die Strahlenexposition im Laufe der Zeit schwanken kann.
5. Kompaktes und tragbares Design: Halbleiterdosimeter sind oft kompakt und tragbar, wodurch sie sich in unterschiedlichen Systemen leicht integrieren lassen.
6. Langzeitstabilität: Halbleiterdosimeter weisen in der Regel eine Langzeitstabilität auf, um eine zuverlässige und konstante Leistung über einen längeren Zeitraum zu gewährleisten. Diese Eigenschaft ist wichtig, um genaue Aufzeichnungen über die Strahlenexposition im Laufe der Zeit zuführen.
7. Speicherung von Dosisdaten: Viele Halbleiterdosimeter sind mit Datenspeicherfunktionen ausgestattet, um die kumulative Strahlenexposition über bestimmte Zeiträume aufzuzeichnen.

Die Detektion kleiner, aber schneller Ladungsimpulse, die durch Strahlung in einem Halbleiter (z. B. einer Siliziumdiode) verursacht werden, beruht im Allgemeinen auf einer Schaltung mit Verstärkerstufen und der Erfassung der maximalen Impulsamplitude durch eine Sample-and-Hold-Stufe, die die maximale Amplitude hält, bis sie von einem Analog-Digital-Wandler bestimmt und dann z. B. von einem Mikroprozessor weiterverarbeitet wird. Zur Bestimmung der Dosisleistung wird in der Regel eine vorherige Energiekalibrierung durchgeführt und ein Histogramm der gemessenen Amplituden bzw. Energieeinträge über ein Zeitintervall aufgenommen. Mit Hilfe der Kalibrierung kann auf die Gesamtenergie pro gemessenem Zeitintervall und damit auf die Dosisleistung geschlossen werden.

Femtosatellit: Ein Femtosatellit wiegt in der Regel nicht mehr als 100 Gramm, und enthält daher oft nur die notwendigsten Funktionen bzw. Subsysteme eines Satelliten. Das für das vorliegende Mikrodosimeterkonzept verwendete Konzept basiert auf dem Femtosatelliten-Design der Firma AmbaSat Ltd., das im Wesentlichen auf einem Mikrocontroller (Atmega328p) und einem Platinendesign (3,5 x 3,5 x 0,37 cm3) basiert, auf dem die Stromversorgung über Solarzellen geregelt wird, die Kommunikation über ein Long Range (LoRa) Modul (RFM95) mit dem Long Range Wide Area Network (LoRaWAN) erfolgt und Platz für eine Nutzlast in Form verschiedener Umweltsensoren bietet, die von uns für das Dosimeter genutzt wurde.
Darüber hinaus will das Unternehmen das Konzept in der Lehre verbreiten und mit einem 3U Cubesat als Trägersatellit bis zu 200 Femtosatelliten in den Weltraum bringen, so dass jeder seinen eigenen Kleinstsatelliten betreiben kann.

Ziele des Projekts

Ubergeordnetes Ziel ist die Entwicklung eines eigenständigen Kompaktdosimeterkonzeptes, das durch die Kommunikation mit LoRAWAN in unterschiedlichen Umgebungen und Projekten eingesetzt werden kann. Dieser Schritt ist weitgehend abgeschlossen und muss noch verfeinert werden. Das spezifische Ziel von μDose @ FemtoSat ist die Messung der Strahlendosis im Weltraum und der Nachweis der Machbarkeit. Als weiterführendes Ziel wird ein eigenständiges Konzept zur Bestimmung von Strahlungsschäden an Elektronik unter realen Weltraumbedingungen (im Orbit) auf Basis kommerziell verfügbarer Komponenten im Sinne des NesSpace-Ansatzes angestrebt, wo das Dosimeterkonzept in einem CubeSat-Konzept zur überwachung eingesetzt werden soll.

3D Ansicht der Platinenkonstruktion

Erster Prototyp eines Femtosatelliten und des Dosimeter unter Einsatz einer großflächigen Siliziumdiode.