12.5.2023: Säteily voi vahingoittaa tietokoneen muistiin tallennettuja tietoja (Söderström)
Elektronisäteily voi aiheuttaa tuhoa avaruusaluksissa – ja pelastaa ihmishenkiä sädehoidossa
Auringosta säteilevät elektronit voivat seurata avaruudessa monimutkaisia ratoja, joita ohjaavat planeettojen magneettikentät. Tämä ilmiö luo säteilyvyöhykkeitä Maan ja erityisesti Jupiterin ympärille. Jupiterin magneettikenttä on voimakas, ja se luo säteily-ympäristön, joka sisältää suuria määriä hiukkasia erittäin korkeilla energioilla.
Tämä asettaa haasteita Jupiteria kohti suuntautuville avaruuslennoille, kuten Euroopan avaruusjärjestön (ESA) Jupiter Icy Moons Explorer -lennolle (JUICE), joka laukaistiin 14. huhtikuuta 2023. Säteily voi aiheuttaa vikoja elektronisissa laitteissa, vaurioittaa materiaaleja ja saada aikaan myös muita ei-toivottuja vaikutuksia esimerkiksi tieteellisiin mittauksiin. Erilaiset hiukkaset voivat massastaan, varauksestaan ja energiastaan riippuen aiheuttaa monenlaisia ongelmia erilaisissa laitteissa. Testaaminen on avainasemassa, kun halutaan varautua ja valita parhaat komponentit tehtävää varten.
Elektroniikkakomponenttien säteilytestaus suoritetaan yleensä hiukkaskiihdyttimillä. Tätä tehdään rutiininomaisesti JYU:n säteilyvaikutusten testauslaitoksessa (RADEF), jossa on protoni ja raskasionitestausasemien lisäksi Clinac elektronikiihdytin. Clinac pystyy tuottamaan elektroneja, joiden energia on jopa 20 MeV. Sitä käytettiin tässä väitöskirjahankkeessa yhdessä CERN:issä sijaitsevan VESPER-elektronitestausaseman kanssa tutkimaan, millaisia vaikutuksia suurienergiset elektronit voivat aiheuttaa nykyaikaisissa muistilaitteissa, joita mahdollisesti käytetään JUICE:n kaltaisissa avaruuslennoissa. Tutkimuksissa havaittiin, että yksittäiset suurienergiset elektronit voivat aiheuttaa bittien kääntymistä ja jumittumista testatuissa muisteissa. Tämäntyyppisiä vaikutuksia on havaittu aiemminkin raskaampien hiukkasten, kuten protonien, kohdalla, mutta ei elektronisäteilyn aiheuttamana.
Nämä vaikutukset voivat vahingoittaa muistiin tallennettuja tietoja. Bittiflipillä (engl. bit-flip) tarkoitetaan tallennetun bitin arvon muuttumista 1:stä 0:ksi tai päinvastoin. Toisaalta jumittuneessa bitissä (engl. stuck bit) muistisolun tila luetaan ulos samalla data-arvolla (joko '1' tai '0') riippumatta siitä, mikä data-arvo sinne todellisuudessa kirjoitettiin. Elektronien elektronisissa komponenteissa aiheuttamat yksittäistapahtumat (engl. Single Event Effects, SEE) voivat yleistyä, kun laitteet ja integroidut piirit ja käyttöjännitteet pienenevät, jolloin pienemmät häiriöt ja pienemmät varauskertymät voivat johtaa laitteen toimintahäiriöihin.
RADEF:lla nyt käytettävä Clinac oli alun perin käytössä sairaalassa sädehoitolaitteena. Tässä väitöskirjahankkeessa tutkittiin paitsi mahdollisia säteilyvaikutuksia elektroniikkaan avaruustutkimuslaitteissa myös tapoja valvoa tällaisten sädehoitokiihdyttimien antamaa säteilyannosta. Tätä tarkoitusta varten tutkitut annosmittausjärjestelmät perustuivat optisiin kuituihin, joissa säteilyindusoitua luminesenssia (RIL) tuottavia doupattuja kvartsilasikuituja kiinnitettiin optisiin kuituihin tuotetun valon ohjaamiseksi keräystä ja analysointia varten
Näiden annosmittausjärjestelmien etuna on, että niiden aktiivinen tilavuus voi olla hyvin pieni, alle kuutiomillimetrin luokkaa ja että niissä ei ole sähköisesti aktiivisia komponentteja anturialueella, eivätkä sähkö- ja magneettikentät juurikaan vaikuta niihin. Tässä työssä tutkittiin kolmea erilaista kvartsilasinäytettä, jotka oli doupattu Ce3+, Cu+ ja Gd3+ -ioneilla. Todettiin, että näitä näytetyyppejä voitiin käyttää Clinacin pulssitetun elektronisuihkun antaman ionisoivan annoksen tarkkaan seurantaan, annoksen vaihdellessa yli kolme kertaluokkaa yksittäistä pulssia kohden.
Näiden testattujen järjestelmien haittapuolena on se, että RIL:n lisäksi voi syntyä loisvaloa. Yksi tällainen häiriövalo on Cherenkovin säteily, joka voi häiritä RIL:n havaitsemista. Tässä työssä kahdenlaiset valonsäteilyt (Cherenkov- ja RIL-säteily) erotettiin toisistaan käyttämällä niiden erilaisia emissio-ominaisuuksia aallonpituuden suhteen sekä RIL:n pidempää fluoresenssiaikaa.
Tämä väitöskirja on edistysaskel tämäntyyppisten optisiin kuituihin perustuvien dosimetristen järjestelmien ominaisuuksien ymmärtämisessä ja niiden kliinisen käytön mahdollistamisessa.
Tämä väitöskirja on ollut osa RADSAGA-hanketta, jota Euroopan komissio rahoittaa Horizon 2020 -tutkimus- ja innovaatio-ohjelmasta Marie Skłodowska-Curie -apurahasopimuksella nro 721624.
M.Sc. Daniel Söderströmin väitöskirja ”Radiation effects on SDRAMs and optical-fiber based dosimetry of high-energy electrons” tarkastetaan 12.5.2023 klo 12 fysiikan laitoksen luentosalissa FYS1. Vastaväittäjänä toimii Dr. Philippe Paillet (CEA, Ranska) ja kustoksena tutkimusinsinööri, FT Heikki Kettunen (Jyväskylän yliopisto). Väitöstilaisuuden kieli on englanti.
Väitöstilaisuutta on mahdollista seurata myös suorana verkkolähetyksenä:
