Danno statico da irradiazione spaziale

Fotoni, elettroni, protoni ed ioni pesanti sono tutti capaci di produrre ionizzazione quando attraversano la materia. I fotoni hanno una trattazione del fenomeno a parte poiché essi hanno proprietà uniche e differenti rispetto alle altre particelle. Per una trattazione più chiara, invece, definiremo particelle ionizzanti (o ionizzate) gli elettroni, i protoni e gli ioni pesanti.

L’energia persa da una particella ionizzata (quindi avente una configurazione elettronica che permette di individuarne una carica non più neutrale) quando viaggia attraverso la materia può essere divisa in due componenti: energia elettronica persa ed energia nucleare persa.

L’energia elettronica persa è prodotta dalle interazioni con gli elettroni degli atomi del mezzo, mentre l’energia nucleare persa è il risultato delle interazioni con i nuclei negli atomi del mezzo in questione.

Le ultime interazioni solitamente avvengono tramite forze di tipo coulombiano. Una particolare collisione prende il nome di “hard collision” ed è prodotta da protoni e neutroni (che non sono ovviamente classificate come particelle ionizzate!) che occasionalmente possono interagire con i nuclei attraverso forze nucleari, questa collisione è relativamente rara e non rientra completamente in questa sezione dedicata ai danni da ionizzazione.

Nella maggior parte delle applicazioni pratiche l’energia totale persa è quasi tutta di tipo elettronica e solitamente viene misurata come energia totale persa per unità di distanza percorsa ed è chiamata “the Linear Energy Transfer”, o LET.

Considerando la varietà di mezzi di differenti materiali, l’incidenza delle varie tipologie di particelle e le rispettive energie, è utile normalizzare il LET dividendo per la densità del mezzo; come risultato si ottiene l’unità di misura in MeV-cm2/mg. Quando si diagrammano i profili di LET è solitamente molto interessante vederne l’andamento in funzione dell’energia (basse-alte energie) mantenendo inalterati tutti gli altri parametri.

Parte dell’energia elettronica persa in un semiconduttore o isolante, quindi provocandone la ionizzazione, può creare delle coppie di “electron-hole” (e-h). Molte di queste coppie di e-h sono create nella seconda fase di un processo a due step. La prima fase consiste nel trasferimento di energia dalla particella incidente all’energia primaria imbattuta negli elettroni chiamata raggio delta.

Questa prima fase controlla la perdita di energia (LET) delle particelle incidenti, mentre la seconda fase è quella che influenza più duramente la ionizzazione finale. Nella seconda fase, i raggi delta, i quali sono essi stessi delle particelle ionizzate, depositano la loro energia in una varietà di modi, includendo i fononi (calore), eccitazione elettronica e la creazione di molte coppie di e-h da ogni raggio delta.

Benché i dettagli siano abbastanza complessi, c’è un semplice risultato finale a questo processo e cioè che il numero di e-h create è proporzionale all’energia elettronica persa dalle particelle incidenti. Ad esempio per il silicio, la costante di proporzionalità è 1/3,6 eV, cioè il numero di e-h liberati è pari all’energia elettronica depositata divisa per 3,6 eV (escludendo eventuali altre dissipazioni).

Questa è la stessa conversione che dovrebbe essere usata per il caso ipotetico in cui tutta l’energia depositata è convertita in e-h, tenendo sempre in considerazione che l’energia richiesta per creare una coppia di e-h è pari a 3,6 eV. Considerazioni simili si possono applicare per esempio anche al SiO2, ad eccezione del fatto che questa volta dobbiamo usare 18 eV al posto di 3,6 eV.