RIVELATORI A STATO SOLIDO A GUADAGNO INTERNO

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Annalisa Salvi
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1 RIVELATORI A STATO SOLIDO A GUADAGNO INTERNO Gabriele Chiodini Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Sezione di Lecce Corso di Laurea Magistrale in Fisica dell Università del Salento Anno accademico II Semestre (49 ore, 7 CFU) 1

2 Sensore di fotoni di luce In Fisica delle alte energie per sensori di fotoni di luce si intende un dispositivo capace di rilevare da uno (singolo fotone) a qualche decina a centinaia (non sono fotosensori) 1. Effetto PE esterno: Rivelatori a gas : senza emissione in vuoto Rivelatori in vacuum : con emissione in vuoto Vantaggio : basso conteggio di buio Svantaggio: bassa efficienza (~20%) 2. Effetto PE interno: Rilevatori a stato solido a moltiplicazione interna Vantaggio : alta efficienza (50-80%) Svantaggio: alto conteggio di buio, alta fluttuazione in ampiezza e tempo Metodi Sperimentali di Fisica Nucleare e Subnucleare 2 /12

APD: Avalanche Photo Diode Diodo PIN (P-Intrinsic-N) Strato p molto sottile perchè la luce è subito assorbita dal Silicio Guadagno = 1 Alta efficienza quantistica QE=80% (λ=700nm) APD Alta tensione

3 APD: Avalanche Photo Diode Diodo PIN (P-Intrinsic-N) Strato p molto sottile perchè la luce è subito assorbita dal Silicio Guadagno = 1 Alta efficienza quantistica QE=80% (λ=700nm) APD Alta tensione di svuotamento = 100 V Drogaggio p con un profilo particolare per ottenere un elevato campo elettrico E>10 5 V/cm e ottenere la moltiplicazione a valanga Guadagno ~ 100 Elevata fluttuazione del guadagno evento per evento. Alta sensibilità a bias dg/dv = 3.1%/V e temperatura dg/dt=-2.4%/k Metodi Sperimentali di Fisica Nucleare e Subnucleare 3 /12

4 Excess Noise Factor=ENF Il noise è dominato dalla fluttuazione del guadagno perchè la moltiplicazione a valanga è di per se un processo statistico e la situazione peggiore se la moltiplicazione coinvolge portatori che si muovono in direzioni opposte. Nella referenza [R.J. McIntyre, IEEE Tr. ED-13 (1972) 164] si dimostra che ENF = k G+(1-k)(2-1/G) dove G=coefficente di moltiplicazione media k-factor= βh/αe < 1 Coeff. di ionizzazione secondaria elettroni = αe > βh = Coeff. di ionizzazione secondaria lacune per k=0 EFN=2-1/G 2 per G Basso guadagno G<1/k Alto guadagno G>1/k Metodi Sperimentali di Fisica Nucleare e Subnucleare 4 /12

Geiger Mode APD=GM-APD Non è possibile raggiungere la sensibilità di singolo fotone con un guadagno inferiore a qualche migliaio (è necessario un segnale di diverse migliaia per poterlo rilevare con

5 Geiger Mode APD=GM-APD Non è possibile raggiungere la sensibilità di singolo fotone con un guadagno inferiore a qualche migliaio (è necessario un segnale di diverse migliaia per poterlo rilevare con un amplificatore). Un aumento del guadagno comporta un aumento di ENF al punto tale di rendere il dispositivo inutilizzabile. La rivelazione di singolo fotone si raggiunge operando l APD in Geiger Mode. Cioè si aumenta la tensione di bias al punto tale che le valanghe secondarie (dovute ai fotoni emessi dalle valanghe primarie) determinino un guadagno infinito (valanga Geiger). Questo fenomeno è simile alla scarica che si verifica nei rivelatori gas a filo (meccanismo di generazione di Townsend) ed analogamente a questi è necessario un meccanismo di QUENCHING della scarica. Il QUENCHING è determinato dalla resistenza di bias RQ che riduce la tensione di bias non appena avviene la scarica azzerando il guadagno. Il dispositivo funziona come un interruttore ON-OFF e qualsiasi informazione relativa al numero di fotoni è perso. Ciclo ON-OFF: fotone triggera la valanga Geiger, la resistenza di quenching azzera il guadagno, la tensione di bias viene ripristinata ed il dispositivo è di nuovo attivo valanga veloce perchè confinata ps=τGeiger << τquenching ~ RQCD determinato dal circuito elettrico Metodi Sperimentali di Fisica Nucleare e Subnucleare 5 /12

6 Caratteristiche del segnale di un GM-APD Segnale della valanga veloce perchè confinata in un piccolo spazio τgeiger=10-100ps Costante di tempo di decadimento del segnale più lento e determinato dal circuito τquenching ~ RQCD Guadagno in termini di carica nel circuito esterno è determinato dall overvoltage e dalla capacità del rivelatore CD. G ~ a bias voltage <100 V Dipendenza dg/dt e dg/dv simile e critica come per APD. Metodi Sperimentali di Fisica Nucleare e Subnucleare 6 /12

MultiCell-GM-APD=SiliconPM=SiPM I SiPMis sono una matrice di tanti piccoli GM-APD connessi in parallelo su un subtrato comune Ogni cella ha una resistenza di

7 MultiCell-GM-APD=SiliconPM=SiPM I SiPMis sono una matrice di tanti piccoli GM-APD connessi in parallelo su un subtrato comune Ogni cella ha una resistenza di quenching indipendente (da 100kΩ a qualche MΩ) Una tensione di bias comune è applicata a tutte le celle con una valore circa il 10-20% sopra la tensione di breakdown voltage. Le celle sono triggerate da fotoni indipendentemente L impulso di uscita è proporzionale alla somma analogica degli impulsi prodotti dalle celle individualmente Per impulsi di luce non troppo intensi (Nγ<<Npixels) il SiPM lavora come un ottimo rivelatore di fotoni analogico. Metodi Sperimentali di Fisica Nucleare e Subnucleare 7 /12

8 SiPm Ogni produttore ha dato un nome diverso ai vari APD e SiPm: MRS APD, MAPD, SiPM, SSPM, MPPC, SPM, DAPD, PPD Metodi Sperimentali di Fisica Nucleare e Subnucleare 8 /12

9 Proprietà dei SiPm ENF=1+σG/G per V-Vb>>1V σg/g~10% ENF=1.1 ma il cross-talk ottico può far si che ENF>>1 Uniformità di guadagno pixel-to-pixel Pixel cross-talk ottico contribuisce alle fluttuazioni del guadagno e quindi al ENF After-pulse dovuto a cariche intrappolato durante la scarica e rilasciate dopo il ripristino della tensione di bias (dopo circa 100 ns) contribuisce al noise e quindi al ENF Efficienza di rivelazione del singolo fotone (PDE) Geometric factor o fill factor Probabilità di triggerare una valanga Geiger (sempre maggiore per elettroni rispetto alle lacune) Conteggi di buio o Noise Rate dovuto all agitazione termica dei portatori: G=10 6 e THRpixel=1 Noise Rate=1MHz G=10 6 e THRpixel=10 Noise Rate=100Hz Eccezionale risoluzione temporale fino a 20 ps. Linearità e range dinamico Metodi Sperimentali di Fisica Nucleare e Subnucleare 9 /12

10 Efficienza e linearità dei SiPm Efficienza di rivelazione di un fotone è determinato da diversi parametri: PDE (λ, V,T) =<Npe>/ <Nγ>= QE(λ, T) Gf Pb(λ,U,T) V = tensione di over breakdown o overvoltage QE = Quantum efficiency Gf = Geometric factor Pb = Probabilità di triggerare una valanga Geiger da parte di un fotoelettrone La linearità del SiPm per una illuminazione uniforme è data da: Nphoton = numero di fotoni incidenti sul SiPm Ntotal = numero di celle esposte alla illuminazione uniforme Nfirecells = numero di celle che hanno avuto una scarica Geiger Compito per casa: dimostrare questa formula Metodi Sperimentali di Fisica Nucleare e Subnucleare 10/12

11 Applicazioni in HEP La tecnologia SiPM non era abbastanza matura per LHC ( cioe anni fa). Comunque i SiPM fanno parte del R&D per l upgrade di LHC. Le applicazioni più ovvie sono per la lettura di scintillatori e fibre scintillanti ma è stata dimostrata anche la capacità di rilevare luce Cherenkov. Il primo e grande esperimento è T2K (scintillator tracker + ECAL) ~ 65k SiPMs. CMS li vuole impiegare nell upgrade di HCAL barrel (SiPMs rimpiazzano i HPDs). LHCb sta studiando un SciFi tracker per rimpiazzare le strip di silicio e le straw tubes ~ 300k SiPMs La collaborazione CALICE di ILC (International Linear Collider) vuole costruire un prototipo di HCAL e ECAL basato su piccole piastrelle di scintillatore (~8k SiPMs). La collaborazione del rivelatore per CLIC studia unecal W/scint (~100k SiPMs). Metodi Sperimentali di Fisica Nucleare e Subnucleare 11/12

Low Gain Avalanche Diode=LGAD Rivelatori al Silicio con elevata rioluzione temporale per MIP (Particelle al minimo di ionizzazione): - Sottili veloce tempo di raccolta τ = spessore/velocità di

12 Low Gain Avalanche Diode=LGAD Rivelatori al Silicio con elevata rioluzione temporale per MIP (Particelle al minimo di ionizzazione): - Sottili veloce tempo di raccolta τ = spessore/velocità di saturazione lacune = 10um / 80 (um/ns)=125ps - Quadagno moderato Trascurabile ENF Ottimo Rapporto Segnale/Rumore - Risoluzione temporale 10 ps Rapporto Segnale/Rumore=12.5 Apparentemente simile a APD ma molto diverso: No rivelatore di fotoni ma di MIP No separazione in celle della zona attiva fill factor=1 Spessore del catodo non critico Usati nell upgrade di ATLAS di Fase II come rivelatore di timing ad alta granularità in avanti per separare i vertici primari delle interazioni mediante il TOF delle tracce Metodi Sperimentali di Fisica Nucleare e Subnucleare 12/12

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