Development of a directionality detector and radiation hardness assurance for RADEM, the ESA JUICE mission radiation monitor

Marco Gui Alves Pinto

Key information

Authors:

Marco Gui Alves Pinto (Marco Gui Alves Pinto)

Supervisors:

Patrícia Carla Serrano Gonçalves (Patrícia Carla Serrano Gonçalves)

Published in

07/25/2019

Abstract

A ’’Exploradora das Luas Geladas de Júpiter”, JUICE, é a próxima missão de classe L da Agência Espacial Europeia (ESA) ao sistema Joviano. Vai orbitar Júpiter e três das suas luas, Europa, Calisto e Ganimedes enfrentando um ambiente de radiação altamente variável e intenso, com uma grande população de electrões de energias elevadas, que podem levar à acumulação de doses de radiação ionizante significativas induzindo falhas no funcionamento de instrumentos. A maior parte das missões que visitaram este planeta, fizeram-no por curtos períodos de tempo, usando-o para manobras assistidas por gravidade no seu caminho para o sistema solar exterior. As únicas excepções até agora foram a missão Galileo e mais recentemente a missão Juno, ambas da NASA. O ambiente de radiação em Júpiter apenas foi medido durante um longo período de tempo pelo ’’Detector de Partículas Energético”, EPD, a bordo da nave Galileo. A missão Juno não inclui nenhum monitor de radiação. A missão JUICE incorporará o ’’Monitor de Electrões Resistente a Radiação”, RADEM, que tem estado a ser desenvolvido no âmbito desta tese. O RADEM é um instrumento de baixa massa e baixa potência que contém quatro detectores: um detector de electrões; um detector de protões; um detector de iões pesados; e um detector de direcionalidade. Os três primeiros vão medir o espectro de energias da população de electrões, (Detector de Stack de Electrões - EDH), protões (Detector de Stack de Protões - PDH) e iões ((Detector de Stack de Iões - HIDH)). Estes são baseados em detetores de ’’stack” de Sílicio padrão adaptados para as energias das partículas existentes em Júpiter. Para complementar estes detetores, o Detector de Direcionalidade (DDH) vai medir a dependência angular dos fluxos de electrões existentes em Júpiter, permitindo assim evitar que se subestimem ou sobrestimem as doses de radiação durante a missão assim como melhorar os modelos do ambiente de radiação do sistema Joviano, com base nos dados da missão JUICE. Nesta tese foram analisados quase todos os aspectos do processo de ’’Radiation Hardness Assurance” do RADEM. A tese envolveu o desenvolvimento do Detector de Direcionalidade, incluindo a sua caracterização e testes em feixe, que permitirá especificar modelos de radiação mais precisos para futuras missões. Também envolveu a análise de radiação e optimização da blindagem do RADEM à radiação, da qual resultou a criação de um programa ’’open-source”, GUIMesh, que permite converter geometrias STEP em GDML, um formato compatível com Geant4. As aplicações deste programa extendem-se à física nuclear, física de partículas e física médica. No âmbito desta tese, também foi realizada a verificação da validade dos testes de 60Co para componentes electrónicos utilizados em Júpiter. Estes testes mostraram que os efeitos do 60Co em tecnologias de semicondutores usadas em aplicações espaciais são equivalentes aos efeitos de feixes de electrões com energias de 12 e 20 MeV de intensidades comparáveis. As implicações deste estudo na missão JUICE são são de extrema importância pois permitem manter as margens de radiação estabelecidas para a missão, evitando aumentar a quantidade de material (blindagem) e limitando a dose de radiação até à qual os testes de componentes são efectuados. The JUpiter ICy moons Explorer (JUICE), ESAs next L-class mission to the Jovian system, will orbit the Jovian system for 3.5 years and study three of its moons, Europa, Callisto and Ganymede. It will face a highly variable and hazardous radiation environment, composed of a large electron population with energies much higher than those found in the Van Allen belts, that can lead to high cumulative ionizing doses in Electric, Electronic and Electromechanical (EEE) components and eventually cause instruments malfunction. The environment is related to the large complex magnetosphere of Jupiter, far extending into the orbit of Saturn. The majority of missions that visited the planet, have done so briefly, using it for gravity assist maneuvers in their way to the outer solar system. The only exceptions so far were the Galileo spacecraft, and most recently the Juno mission both by NASA. Long-term observation of the radiation environment in Jupiter has been done mostly by the Energetic Particle Detector (EPD) in the Galileo spacecraft. Juno does not have any radiation monitor. JUICE will carry the Radiation Hard Electron Monitor (RADEM) which is currently under development and is the main focus of this thesis. RADEM is a low power, low mass instrument that has four detectors: the Electron Detector Head; the Proton Detector Head; the Ion Detector Head; and the Directionality Detector Head. The first three will perform spectral measurements of the electron, proton and to some extent ion populations. They are all based on standard silicon stack detectors space technologies, extended to the higher particle energies. To complement these detectors, the Directionality Detector will measure the electron flux angular variability known to exist in Jupiter, avoiding in-situ under or overestimation of radiation doses as well contributing to the development of radiation environment models based on JUICE mission data. In this thesis, most aspects of the Radiation Hardness Assurance for RADEM were addressed. It covers the full development of the Directional Detector, including Geant4 simulations and beam tests, to optimize its design and to verify its performance. It also covers the radiation analysis and shielding optimization of RADEM, which resulted in the creation of the first open-source software, GUIMesh, to convert STEP geometries to GDML, a Geant4 readable format. This tool can also be used in a broad range of applications such as medical, nuclear and high energy physics. The verification of 60Co testing representativeness for EEE components flown to Jupiter was also assessed in the framework of this thesis. It was proved that 60Co has similar effects on common semiconductor technologies used in space applications, as 12 and 20 MeV electrons of equivalent intensity. This result had major implications for the JUICE mission since it allowed to maintain the mission Radiation Design Margins and avoid over-testing and/or over-shielding.