DIAPIX: DIAmond PIXel

DIAPIX: DIAmond PIXel in gruppo V G. Chiodini (INFN Le) Per la collaborazione DIAPIX 2.3 mm

Sommario Introduzione ed obiettivi Attività svolta nel 2011 Prospettive nel 2012 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 2/58

Introduzione DIAPIX parte dalla constatazione che wafer di 4 di diamante policristallino con una carica raccolta media di circa 7000 e- e disponibile commercialmente. DIAPIX ha due applicazioni tecnologicamente avanzate che sono trainanti e complementari: Rivelatore di tracciamento ultra resistente alla radiazione per HEP Dosimetro bidimensionale per radio(adro)terapia IMRT DIAPIX inoltre affronta aspetti cruciali di R&D sul diamante Valutazione diamante prodotto dalla Accademia delle Scienze Russe di Mosca (RAS) come secondo fornitore del materiale dopo la Diamond Detector LDT di Bristol (DDL) Realizzazione contatti elettrici con grafitizzazione laser Proprietà di timing 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 3/58

DIAPIX Durata dell esperimento tre anni : 2011-2013 Coinvolge 8 sezioni: Ct, Fi, Le, LNS, MiBi, Pg, Pv, Roma3 FTE = 14.3 FTE ricercatori + 4.5 Tecnologici + 1.6 Tecnici Suddiviso in 5 working package: WP1: sviluppo rivelatori a pixel di diamante ultra resistenti alla radiazione per sistemi di tracciamento WP2: sviluppo rivelatore bidimensionale al diamante per radio(adro) terapia ad intensità modulata (IMRT) WP3: studio comparativo film di diamante detector grade della DDL e di RAS. WP4: realizzazione di contatti elettrici su diamante mediante grafitizzazione laser WP5: studio delle proprietà di timing dei rivelatori al diamante La collaborazione nel 2012 cresce di una sezione (Ct) e di un working package (WP5) 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 4/58

WP1: Ultra-radhard pixel diamond LHC pcvdccd 0 =300 µm 3D Silicon superlhc Poly-diamond Planar Silicon : n++n, epi Diamond pros: Superior Rad-Hardness Superior S/N figure Negligible I Leak Lower C Much simpler mechanics: Operable at Room T Excellent thermal conductivity Diamond cons: Smaller signal Diamond is a good candidate to replace silicon in very harsh environment Low noise (~100 e - ) and low threshold electronics (<1000e - ) necessary Test with diamond used front-end developed for Silicon. ATLAS e CMS pixel have low noise (~100 e - ) but a high collective thresholds (> 1500 e-) 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 5/58

WP2: 2D diamond dosimeter for IMRT Diamond pros: Rad-Hard Linear response with dose Tissue equivalence (Z=6) Diamond cons: Tail in dynamical response Proved for Single Crystal but needed Poly Crystal for large area M. Bruzzi et al., Diamond & Related Materials 20, 84(2011) pcvd and PTW diamonds in IMRT field for step and shoot mode Zero bias (photovoltaic regime) no trapping 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 6/58

WP3: CVD synthetic diamond High purity, high quality and large size polycrystal diamond are produced by microwaveplasma-enhanced CVD The recipe is low pressure and fairly low power with growth rates of ~ 1µm/hour. A linear gradient in thermal and electric properties is due to conically shaped single crystal diamond grains developed during the growth process. Chemical and Mechanical polishing is applied to both surface (delicate phase) 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 7/58

WP4: Electric Contacts Diamond work function: 4.8 ev minimum for Hydrogen chemisorbed diamond surface 5.8 ev maximum for Oxygen chemisorbed diamond surface Schottky contacts: Al(4.1eV), Au(5.1eV) Built-in potential (photovoltaic regime possible) Ohmic contacts: Carbide forming layer: Cr(4.5 ev) or Ti(4.3eV) Metal contact layer: Au(5.1eV), W(4.32-5.22 ev) Realization: Surface cleaning Evaporation or sputtering Thermal annealing Strip and pixel patterning with mask or lithography Electric Contact Properties: Mechanical adhesion Polarization free (good carriers injection) Stability and reproducibility 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 8/58

WP5: Fast timing with diamond Diamond pros: Fast rise time (<< 140 ps) Reduced ballistic effect Low Capacitance Rad-hard Diamond cons: Small signal Time resolution MIP Mircea Ciobanu CARAT 2007 IONS Measured by expensive digital oscilloscopes. Must be proven on real system (multi channels and less expensive electronics ) Released energy 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 9/58

ATTIVITA WP1 Obiettivo del progetto: Realizzazione di un rivelatore a pixel ibrido di diamante ultra resistente alla radiazione Responsabile: L. Moroni (MiBi) 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 10/58

Setup WP1 in MIB Misure con sorgenti alfa e beta 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 11/58

Setup WP1 in Lecce NIM crate portatile Amplificatori Ortec HV e LV 4 Sci-Tile con SiPm DAQ Captan Boards IP controller Pulser CSA Ortec 142 PC dedicato usb GPIB controller Schda IP locale per DAQ Misure con sorgenti gamma e cosmici 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 12/58

Sensori impiegati 5x5x0.3mm3 pad detector from DDL 1 2 DLC-Pt-Au DD DDL proprietary contact technique 4.5x4.5mm2 3 Due rivelatori 1cmx1cmx0.5mm con 4 strip e guard ring finanziati dalla commissione 5. Studi in campo magnetico e test di irraggiamento. 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 13/58

Quality Assurance sensore 1 Spettro calibrato sorgenti alfa e beta IV-curve Evidente Polarizzazione Spettro beta ben descritto da Gaus(noise) + Vavilov*Gaus (signal) Problema di polarizzazione sul growth side CCD=190um con fit Gaus+Landau*Gauss 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 14/58

Quality assurance sensore 2 Non evidente Polarizzazione In collaborazione con M. Dinardo (University of Boulder) 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 15/58

Strips response to alpha Self-Trigger Q1 o Q2 > 5000 ealpha alpha alpha alpha about 10% 23/09/2011 about 1% G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 16/58

Strips response to alpha sensore 3 alpha alpha alpha 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 17/58

Strips response to alpha sensore 3 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 18/58

Simulazioni Released energy in diamond from α, β, γ sources with Geant4 Charge transport, induced signal and surface/bulk phenomena modeled with MATHLAB ( in collaboration with M. Dinardo University of Boulder) α Spectra Comparison data/mc completed γ Spectra data/mc underway Essenziali per studiare il charge sharing in campo magnetico 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 19/58

Test in campo magnetico al CERN In ottobre 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 20/58

Pixel al diamante Proposta originale prevedeva integrazione tra chip superpix1 3D di VIPIX e diamante ma sottomissione del front-end prevista per la fine del 2010 è stata posticipata. Grazie allo sblocco sj dei referee (12.5 MiBi+7.5 PV = 20 keuro) stiamo procedendo alla integrazione fra 3 chip SuperPIX0 di superb e 3 sensore a pixel di diamante. SuperPIX0 ha comunque una soglia bassa (1000e-) e stesso foot-print di superpix1 Metallizzazione a pixel del diamante e bump-bonding con chip sarà fatto dalla IZM Pronto layout della metalizzazione a pixel 50um x 50um del diamante compatible con superpix0 e 1. 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 21/58

ATTIVITA WP2 Obiettivo del progetto: Sviluppo e costruzione di un sistema dosimetrico bidimensionale a diamante policristallino prodotto per radioterapia a intensità modulata (IMRT) e adroterapia. Responsabile: M. Bucciolini (Fi) 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 22/58

Diamante pcvd di grade area 2.5x2.5cm 2 Acquisito diamante pcvd Diamond Detectors Ltd Detector Premium Grade di grande area 2.5x2.5cm2 e spesso 300 um. NB: Per realizzare il dosimetro 2D finale 5x5 cm2 necessitano 4 moduli. 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 23/58

Primo dosimetro di grande area in diamante pcvd Metalizzazione 24x24 pixels (1x1mm2 pitch) in Cr/Au realizzata a Firenze Connessi 9 gruppi di 4 pixel all elettronica di readout con pasta conduttiva e filo Chromium evaporation 3.5 kw Electron beam 10 kv Acceleration field 2.5 cc Graphitic liner 99.9 % pure Cr Material Gold Evaporation 2 kw Joule source Tungsten resistive boat 9.99 % pure Au Material Alloggiamento diamante pcvd Alloggiamento camera di ionizzazione 12 3 4 5 6 7 8 9 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 24/58

Misure preliminari sotto fascio fotoni 6MV-RX 5.0E-09 Pixel 5 V=5 Volt 1.00E-08 4.0E-09 1.00E-09 Corrente [A] 3.0E-09 2.0E-09 Corrente [A] 1.00E-10 1.00E-11 t [s] 1.0E-09 1.00E-12 0.0E+00 0 100 200 300 400 t [s] 1.00E-13 0 100 200 300 400 t [s] 1.00E-08 1.00E-08 1.00E-09 1.00E-09 1.00E-10 1.00E-10 1.00E-11 1.00E-11 1.00E-12 1.00E-12 1.00E-13 308 310 312 314 316 318 1.00E-13 435 440 445 450 455 460 465 470 475 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 25/58

Tempi di salita e discesa a ddp=5 V Dose Rate [Mu/min] Pixel 1 Pixel 4 Pixel 5 Pixel 6 Pixel 8 100 Ts=1.5 Ts=1.4 Ts=1.8 Ts=1.3 Ts=1.4 Td=1.5 Td=1.2 Td=1.6 Td=1.6 Td=1.4 200 Ts=1.4 Ts=1.5 Ts=1.4 Ts=1.6 Ts=1.4 Td=1.5 Td=1.8 Td=1.8 Td=1.4 Td=1.4 400 Ts=1.1 Ts=1.4 Ts=1.9 Ts=1.1 Ts=1.4 Td=1.1 Td=1.4 Td=2.1 Td=1.1 Td=1.3 adeguati alle applicazioni IMRT!!! 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 26/58

Esponente a ddp=5 V Ln(Corrente) 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0-0.2-0.4-0.6 3 4 5 6 7 Ln(D r ) I=I DARK +R*(D r ) Pixel 1 Pixel 6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0-0.2-0.4 3 4 5 6 7 Pixel 1 Pixel 4 Pixel 5 Pixel 6 Pixel 8 Ln(Corrente) Ln(D r ) 0.94 0.96 0.96 0.96 0.96 Il delta risulta molto vicino a 1, come richiesto in radioterapia. 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 27/58

Dose [a.u.] Profili IMRT 1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 Preliminary Mapcheck (Rivelatori a Silicio) Treatment Planning System Pixel 6 0.00-15 -10-5 0 5 10 15 Posizione [cm] Risultati incoraggianti per la riproduzione di un profilo IMRT 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 28/58

Sistema di read-out finale........ Elettronica di read-out vias i segnali vengono portati dai pixel al connettore per l elettronica di read-out tramite una pcb multistrato montata sopra al diamante In corrispondenza di ogni gruppo di 4 pixel si realizza una via nella pcb. Il contatto tra la via e i pixel viene fatto con una goccia di pasta conduttiva la pcb multistrato viene fissata con delle viti ad una pcb di supporto sulla quale viene realizzato il contatto inferiore 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 29/58

Elettronica di read-out Evaluation board del chip della texas intruments DDC264: 64-channel, current input, 20-bit analog-to-digital (A/D) converter Sull evaluation board ci sono 4 chip per un totale di 256 canali Il chip consente di regolare il tempo di integrazione da 160 µs a 1 s e di misurare con elevata precisione correnti da frazioni di pa a µa 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 30/58

ATTIVITA WP3 Obiettivo del progetto: Caratterizzazione comparata di sensori a diamante per applicazioni di tracciatura e dosimetriche Responsabile: G. Conte (Roma3) 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 31/58

Sensori impiegati Responsività: corrente per potenza luminosa incidente. L area sottesa dal grafico fino alla coda di Urbach e dovuta ai difetti. 1. Natutal Ural (NU). Campione monocristallo di diamante naturale tipo IIa. Metallizato a Roma3 2. DDL moncristallo Detector Grade sesso 0.5 mm acquistato e metallizato dalla Diamond Detetcor 3. E6 subtrato moncristallo Detector Grade 4x4x0.5 mm3 acquistato dalla Element six e metallizzato a Roma3 4. RAS_SC_A010 monocristallo 4.8x4.8x0.49mm3 fornito dalla RAS e metallizato a Roma3. 5. RAS_SC_A010 policristallo 10x5x0.5mm3 fornito dalla RAS e metallizato a Roma3. DP1-SC-E6 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 32/58

Risposta a sorgenti α e β diamante RAS SC RAS con contatti su una superfice come misura difetti densita di stati (misura di superfice) Poli RAS con contatti planari sulle 2 superfici (misura bulk) 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 33/58

Risposta a sorgenti α e β diamante RAS Poli RAS con contatti planari sulle 2 superfici (misura bulk) 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 34/58

Risposta a sorgenti γ Co60 in corrente a INMRI Enea INMRI: Istituto Nazionale di Metrologia delle Radiazioni Ionizzanti 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 35/58

Risposta a sorgenti X al S.F. Neri (Roma) 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 36/58

Introduzione a DIAPIX WP4 Obiettivo del progetto: Realizzazione contatti ohmici metal-less su diamante e bump-bonding fra sensore al diamante e chip di readout con l impiego di tecniche laser Responsabile: M. Martino (Le) Dottorando XXV ciclo: Alemanno Emanuele 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 37/58

Grafitizzazione diamante thermal grade L 3 laboratory of Prof. M. Martino and his group. Excimer multigas laser: KrF mixture: 248 nm transparent to detector grade diamond but absorbed by thermal grade diamond ~800 mj/pulse @ 248 nm 20 ns pulse Graphitization on thermal grade diamond both side: improved ohmic behavior with respect to silver paint 1.7 mm 10 mm 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 38/58

Detector prototype Detector grade sensor 5x5x0.3mm3 with silver paint contacts and home made Faraday cage. Beta source dq/dv=20850e/v CCD=180um a +/-300 V 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 39/58

Detector: Optical properties We can see that absorption is null for Diamond Detector grade from the UV (225 nm) to the far infrared. Only minor absorption bands exist resulting from two phonon absorption between 2.5 and 6.5 µm. Applications: We can use this diamond like detector for detection of high energy photons or particles without shield against visible light. No cooling is necessary for detection applications unlike silicon detectors. 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 40/58

Grafitizzazione diamante detector grade L 3 laboratory of Prof. M. Martino and his group. Excimer multigas laser: ~ 500 mj/pulse @ 193 nm ArF mixture: 193 nm absorbed by detector grade diamond Graphitization of detector grade diamond with ArF in progress: Laser fault in January and Laser availability delayed the tests up to May The available focalization lenses couldn t focalize the UV laser to reach the graphitization threshold homogeneously New optical set-up to be automated with two pci computer controlled servo-motor axis bought from G5 funding L 3 bought the UV focalization lenses not funded by G5 in 2011. 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 41/58

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Chiara dimostrazione di melting dei nanocluster gia a 200 0 C Preoccupazione nella formazione degli spazi vuoti: Applicare una uniforme ed elevata pressione di bonding (in corso) Depositare spessori piu elevati (200-300 nm) Thethis ha fornito gratuitamente i campioni ma per spessori elevati vuole un contributo 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 44/58

ATTIVITA WP5 Obiettivo del progetto: Studio delle proprietà di timing rivelatori al diamante per esperimenti a nuovi collisionatori Responsabile: N. Randazzo (Ct) 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 45/58

WP5: Application at new generation of high intensity and high energy frontier accelerator Super B: fast feed-back bunch-to-bunch luminometer to reach the required design luminosity ATLAS Beam Condition Monitor Super-LHC intra-bunch and bunch-tobunch time coincidence to suppress background in high pile-up events Bunch-to-bunch luminosity LVL1 trigger Suppression: Beam halos Gas interaction TAS (Target Absorber Secondaries) scrapping TAS events: Δt = 12.5, 37.5.. ns 2 detector stations, symmetric in z X Interactions: Δt = 0, 25, 50.. Δ ns 4 stations each side z =1.83 m r=5.5 cm 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 46/58

ATTIVITA PREVISTE NEL 2012 WP1 WP2 WP3 WP4 WP5 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 47/58

Attivita 2012 Diapix WP1 Test di irraggiamento ai laboratori nazionali del sud in collaborazione con il gruppo di Mi-Bi e Catania Approvato dal PAC dei LNS per il 2012 tre turni di irraggiamento rivelatori al diamante con protoni da 24 MeV Realizzazione e test di rivelatori al diamante con chip superpix0 di super B e superpix1 (3D) di VIPIX Realizzazione sistema di acquisizione dati per rivelatori a pixel ibridi in collaborazione con Mi-Bi e Fermilab Basato su schede a basso cosso Captan di Fermilab (con Virtex,HV,LV,DAC,ADC) 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 48/58

WP2 Attività per il 2012 1. Acquisto di altri 3 rivelatori di dimensioni da 2.5cmx2.5cm 2. Design e fabbricazione nuova maschera con geometria ottimizzata 3. Design e fabbricazione schede di read out elettronica per dispositivo di dimensioni fino a 5x5cm 2 4. Test preliminari di laboratorio e sotto fasci convenzionali 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 49/58

WP3 Attività per il 2012 1. Fabbricazione dispositivi con diamante RAS mono e policristallo (nuovo batch). 2. Fabbricazione dispositivi a 64 pixel per IMRT con diamante RAS e sistema di lettura con DDC264 della TI. 3. Caratterizzazione dei dispositivi con: sorgenti alfa e beta test beam a LNF a varie energie (50-500 MeV) sorgente Co-60 presso INMRI ENEA. Macchina per terapia oncologica (elettroni 4-20 MeV) Azienda Ospedaliera di Terni. 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 50/58

Attivita 2012 Diapix WP4 Realizzazione elettrodi grafitati a geometria a strip e pixel con maschere meccaniche e litografiche prosieguo naturale dopo il pad detector del 2011 Movimentazione 3D sensore da grafitare finanziati solo due assi nel 2011 Test di saldatura sensore e chip di readout con materiale nanostrutturato. Non richiesti finanziamenti nel 2011 ma necessari nel 2012: CO: Materiale nanostrutturato spesso almeno 200 nm fornito dalla Thetis SPA di Milano ME: Trasferta a University of Texas at Dallas al centro di Nano- Characterization Facility del Prof. J. Kim Moon. M. Catalano ha da tempo contatti di lavoro con tale centro che studia tecniche di wafer bonding. 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 51/58

Attivita 2012 Diapix WP5 Acquisto dalla Diamond Detector Ltd. di due rivelatori High Purity Single Crystal 5x5x0.5 mm^3 con elettronica veloce CIVIDEC Caratterizzazione raccolta di carica in laboratorio utilizzando sorgenti alfa e beta. Setup DAQ per la misure di timing Test protoni da 62 MeV su linea CATANA a LNS Test elettroni da 1.5 GeV a Mainz 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 52/58

Assegnazioni 2011 Sblocco sj a Luglio per 3 single chip diamond detector Anticipo 2010 acquisto diamante dalla DDL Sblocco sj a aprile per movimentazione 3D grafitizzazione laser 1/3anticipo + 1/3normale + 1/3 sj = 79.5 keuro Anticipo 2010 acquisto amplificatori Ortec e spectroscopy amplifier 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 53/58

Anagrafica 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 54/58

Anagrafica 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 55/58

Anagrafica 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 56/58

Anagrafica 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 57/58

Conclusioni Tutti i WP sono ben avviati ed a buon punto per completare l attività prevista nel 2011. Il diamante policristallino prodotto dalla DDL ha buone e riproducibili qualità. Il diamante poli e mono fornito dalla RAS molto promettente. I vari gruppi hanno realizzato diversi dispositivi basati su diverse metallizzazioni e raffinato le tecniche diagnostiche. Realizzato e testato il primo prototipo al mondo di diamante poli per IMRT In corso di realizzazione primi prototipi di rivelatori ibridi a pixel di diamante per tracciamento realizzati interamente in Italia. 23/09/2011 G. Chiodini per la collaborazione DIAPIX 58/58