Caratterizzazione di rivelatori di radiazione a semiconduttore. Monica Scaringella

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1 Caratterizzazione di rivelatori di radiazione a semiconduttore Monica Scaringella

2 SOMMARIO Principio di funzionamento di un rivelatore Applicazioni e ambiente di lavoro: Rivelatori di particelle a silicio per Fisica delle alte energie Rivelatori di radiazione a diamante sintetico per dosimetria clinica e radioprotezione Tecniche di caratterizzazione dei materiali: Misure di difetti Misure di efficienza di raccolta di carica (cce) Misure di risposta dosimetrica

3 Principio di funzionamento di un rivelatore Spessore della regione svuotata Tensione di svuotamento: x d = ( V + V qn bi eff )2ε V dep = q N 2ε eff w

4 Rivelatori di particelle a silicio AMBIENTE DI LAVORO: LARGE HADRON COLLIDER (LHC) CERN, Ginevra Collisioni protone-protone E CM =14 TeV L=10 34 cm -2 s -1 Fluenza di adroni veloci prevista in 10 anni di funzionamento: f ~ cm -2 per rivelatori pixel Possibile upgrade di LHC ( Super-LHC dopo il 2010) L ~ cm -2 s -1 fluenze di adroni veloci fino a cm -2 Dopo cinque anni

5 Rivelatori a pad singolo Rivelatori microstrip: risoluzione della posizione in una dimensione

6 Creazione di difetti cristallini indotti da radiazione Coppia Frenkel particella Si Vacanza + Interstiziale E K > 25 ev E K > 5 kev Difetti di Punto (V-V, V-O.. ) clusters V I I - Atomo Interstiziale V - Vacanza Generazione di difetti primari I, I 2 aggregati di I I- CLUSTER V, V 2, aggregati di V V- CLUSTER Generazione di difetti secondari V+O i VO V+VO V 2 O V+V V 2 V+V 2 V 3 V+P s VP s I+C s C i C i +C s C i C S C i +O i C i O i i interstiziale C i +P s C i P S s sostituzionale Elettroni E e > 255 kev per spostamento E e > 8 MeV per cluster Neutroni E n > 185 ev per spostamento E n > 35 kev per cluster 60 Co-gamma Elettroni Compton con energia max. E γ 1 MeV (no cluster production)

7 Effetti dell irraggiamento sulle proprietà macroscopiche dei rivelatori Introduzione di stati elettronici nel bandgap Variazione della concentrazione efficace di drogante N eff = Σ N D + -N A- Aumento della corrente di fondo I leak Diminuzione dell efficienza di raccolta di carica cce Dopo elevate fluenze di irraggiamento la carica generata oltre una certa distanza dall elettrodo di lettura non viene raccolta

8 Rivelatori 3D Elettrodi n + Elettrodi p + Vantaggi: basse tensioni di svuotamento Distanza tra gli elettrodi indipendente dallo spessore del rivelatore Svantaggio: limiti tecnologici nel processo

9 Strutture semplificate Rivelatori 3D single type column (STC) Rivelatori 3D double sided n + electrodes p-type substrate Uniform p+ layer Necessità di studiare l efficienza di raccolta di carica prima e dopo l irraggiamento

10 Rivelatori a diamante policristallino cresciuto per Chemical Vapor Deposition (CVD) per dosimetria clinica Proprietà del diamante: Resistenza al danno da radiazione Inerzia chimica Numero atomico molto simile a quello del tessuto umano (Z = 7.5)

11 Misure di caratterizzazione dei difetti TSC (Thermally Stimulated Currents): Eccitazione del campione a bassa temperatura Misura della corrente del campione sottoposto ad una scansione termica 1 1 T f ITSC ( T ) = qant xd ( T ) en ( T )exp en ( T ) dt 2 Ti β β = q :carica elementare A: sezione del dispositivo x d (T): spessore della regione svuotata dt dt : tasso di riscaldamento

12 Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) Misura dei transitori di corrente (o capacità) emessi dal campione polarizzato, sottoposto ad eccitazione impulsata I DL ( T, t) 1 = qen ( T ) Axd Nt exp n ) 2 ( e ( T t) Spettro I-DLTS S DL = I DL ( T, t2) I DL( T, t1) Volume della regione svuotata Photo-Induced Current Transient Spectroscopy (PICTS) I-DLTS con eccitazione ottica

13 Misure di Charge collection efficiency (cce) su rivelatori a singolo pad Amptek a225 Sr 90 circuito formatore p + n n + circuito integratore Alla scheda di acquisizione Scintillatore + PMT Linea di trigger la perdita di energia nel mezzo è un processo di natura statistica distribuzione di Landau più probabile valore medio

14 Pump + reservoir + external peltier cooling system Sidtema di raffreddamento a Peltier a dueinternal stadi: cooling system Internal Peltier on the heat exchanger Pump +temperature fluid reservoir - Raffreddamento di liquido antigelo da ambiente External Peltier cooling systema 0/-5 C Internal copper heatsystem exchanger Plastic screws! Internal heat exchanger + scintillator trigger - raffreddamento del campione con Peltier interno fino a -30 C campione Sorgente Sr INFN +OClabs manipolatore Amplficatore Di carica Circuito fomatore

15 Apparato di misura di Charge collection efficiency (cce) su rivelatori microstrip Scintillatore+PMT Discriminatore FE chip FPGA C c read-out digitale 90 Sr Impulso di calibrazione Tensione di soglia Per una data tensione (carica) di soglia e tensione di polarizzazione del campione: Efficienza=coincidenze/eventi dello scintillatore

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17 Misure di risposta dosimetrica di diamante CVD Configurazione on-line: Misura della carica raccolta durante l irraggiamento 7 6 current (na) Risposta ad eccitazione con fotoni da LINAC X Axis Title Configurazione off-line: lettura della dose in seguito all irraggiamento tramite misure di termoluminescenza (TL) o (TSC) della carica intrappolata nei difetti presenti nel materiale Possibili applicazioni: radioprotezione per missioni spaziali e per una eventuale realizzazione di una base lunare permanente