Изучение радиационной стойкости пиксельных детекторов на основе кремния

Изучение радиационной стойкости пиксельных детекторов на основе кремния. Работа выполнена: ОИЯИ, Лаборатория физики высоких энергий Руководитель: д. ф-м. н. Владимир Петрович Ладыгин Тишевский А. В. ГУ «Дубна» Гр. 6164

Актуальность В современных экспериментах физики высоких энергий достигается большая множественность частиц. Это приводит к существенному изменению условий, в которых работают детекторы. Это утверждение в полной мере применимо для полупроводниковых твердотельных фотодетекторов на основе кремния, ставших в последние годы хорошей альтернативой классическим фотоумножителям. Недавние исследования, проведенные на циклотроне в ИЯФ в Ржеж, показывают актуальность постановки вопроса о структурных изменениях в кремнии и служат стимулом для сотрудничества в создании системы детекторов для более аккуратного мониторирования потока ионизирующего излучения, в частности нейтронов. 2

Цель и задачи. Цель работы заключается в изучении радиационной стойкости пиксельных детекторов на основе кремния. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи: I. Исследование радиационных эффектов Si. PM. II. Исследование характеристик Si. PM. III. Разработка 16 -ти канального прототипа. IV. Постановка эксперимента на Нуклотроне, Дубна. 3

Преимущества, свойства, недостатки Si. PM Использование современных полупроводниковых лавинных фотодиодов в качестве замены традиционно используемых ФЭУ имеют основные преимущества: стоимость, нечувствительность к магнитным полям (за счет структуры пикселей), очень компактный размер, высокая эффективность счета фотонов, низкое напряжение от источника питания Si. PM имеют следующие характерные свойства: плотность пикселей около 104 - 2 -104 / мм 2, размер от 1 х1 мм 2 до 6 х6 мм 2, широкий динамический диапазон 5 -15000 ф. э. , эффективность регистрации фотонов от ~ 15%, высокую скорость счета ~ 105 Гц, Недостатки: чувствителен к внешним изменениям температуры, радиационная стойкость зависит от технологии производства Si. PM KETEK PM 3350, Gain~10 E 6, 50 um/cell 4

Применение Si. PM Эксперимент NA 49 предназначался для измерений связанных с нахождением критической точки в кваркглюонной плазме (КГП) Эксперимент NA 61 I. Изучения флуктуаций и дальнодействующих корреляций в столкновении тяжелых ионов (AA). II. Изучения протон - протон и протон - ядерных (PP и PA) взаимодействий (базовые данные для лучшего понимания AA реакций). III. Изучения адрон–ядерных (h. A) взаимодействий (для экспериментов с нейтрино и космикой). 5

В проекте по экспериментам Сжатой барионной материи (CBM) в строящимся ускорителе для ионных и антипротонных исследований FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) Zero Degree калориметр для экспериментов на коллайдере, строящемся на базе Лаборатории физики высоких энергий (ЛФВЭ) им. В. И. Векслера и А. М. Балдина Объединенного института ядерных исследований NICA (Nuclotron-based Ion Collider f. Acility) 6 Схема многоцелевого детектора MPD

Радиационная стойкость к нейтронным потокам Основная задача создания полупроводниковых детекторов и электроники для новых экспериментов заключается в правильной оценке времени надёжной эксплуатации прибора. Существенными факторами, влияющми на время являются: общая поглощенная ионизационная доза и структурные дефекты, связанные с плотностью потока частиц. Как пример влияния, можно рассмотреть захват тепловых нейтронов атомами 10 B. Сечение захвата изотопа бора для нейтронов весьма велико, а при захвате происходит реакция 10 B(n, α) 7 Li. При этом литий и α - частица генерируют ионизационные заряды. Возрастёт влияние эффектов, связанных с пере-компенсацией полупроводникового материала (изменение или инверсия типа проводимости) или иначе говоря, с его нейтронным трансмутационным легированием. В соответствии с моделированием FLUKA в рамках проекта CBM FAIR главное требование к Si. PM является радиационная стойкость к нейтронным потокам порядка 1013 н / см 2. 7

Исследования радиационной стойкости Облучение проводили на циклотроне U 120 M в Институте ядерной физики ASCR в Ржеж. Для облучения были использованы три типа Si. PM , чтобы понять зависимость радиационной стойкости ЛФД от технологии производства: Zecotek MAPD-3 N Ketek PM 3350 Hamamatsu S 12572 -010 P 8

Облучательньная установка Таблица 1: Рабочее напряжение и 1 Мэ. В флюенс нейтронов для различных облученных ЛФД 9

LED И КОСМИЧЕСКИЕ МЮОНЫ ИСТОЧНИК ЕДИНИЧНЫХ ФОТОНОВ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД (LED). ОСНОВЫМ ПРЕИМУЩЕСТВОМ СВЕТОДИОДОВ ЯВЛЯЕТСЯ ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНИТЬ МЕТОД СИНХРОННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ СИГНАЛА SIPM. Установка для испытаний Si. PM космическими мюонами и LED. Космическое излучение рассматривается в качестве замены ускорителей, с использованием минимально ионизирующих частиц (MIPs). Недостатком этого метода является низкая скорость набора данных. 10

ZECOTEK MAPD-3 N Результаты испытаний Zecotek MAPD-3 N с космическими мюонами. 11

KETEK PM 3350 Результаты испытаний Ketek PM 3350 с LED. Результаты испытаний Ketek PM 3350 с космическими мюонами. 12

Hamamatsu S 12572 -010 P Результаты испытаний Hamamatsu S 12572 -010 P с LED. Результаты испытаний Hamamatsu S 12572 -010 P с космическими мюонами. 13

Характеристики (I-V) до и после облучения Были измерены характеристики Si. PM так же до и после облучения. Изучены емкостные (C-V), токовые (I-V), и частотные (CF) характеристики с помощью специальной установки тестирования на NPI в Rez. 14

Характеристики (C-V) до и после облучения 15

ОСОБЕННОСТИ АНАЛИЗА ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ C-F кривые Zecotek (слева), Ketek (центр) и Hamamatsu до и после облучения 16

Система мониторирования пучка нейтронов. измерителе общего потока нейтронов Neutrons Fluence Detector (NFD) на основе PIN диода; счетчике тепловых нейтронов Thermal Neutron Counter (TNC); детекторе визуализации потока нейтронов Position Neutron Detector (PND) на основе сцинтиллятора и ФЭУ. Общая площадь детектора 10 x 10 см с разрешением порядка 1 см. Схематичное изображение системы мониторирования пучка нейтронов. 17

16 -канальный прототип детектора Прототип 16 -канального сцинтилляционного годоскопа предназначен для считывания и мониторинга сигналов с Si. PM (фирмы KETEK) и позволяет использовать его в качестве идентификатора частиц легких ядерных фрагментов в экспериментах по взаимодействию релятивистских тяжелых ионов, так и для измерения профиля пучка нейтронов низких энергий. 1 счетчики 2 прототип 18

ВИД АМПЛИТУДНОГО СПЕКТРА БЕЗ ОБРАБОТКИ 19

Заключение Современные фотоумножители на основе кремния могут быть конкурентно-способны в калориметрах и других детекторах FAIR и NICA. Исследования свойств Si. PM производства Zecotek МAP-3 N, Ketek PM 3350 были проведены до и после облучения нейтронами. После облучения было обнаружено множество различных эффектов, в основном все они связаны с увеличением внутренних шумов Si. PM, которые напрямую зависят от количества короткоживущих ловушек в объеме кремния Изучение характеристик C-F показывает, что характеристики шума Si. PM в значительной степени зависит от технологии производства, а также от наличия дефектов в кремнии. Сравнивая Ketek, Zecotek и Hamamatsu Si. PM можно сделать вывод, что каждый из них обладает индивидуальным набором свойств, что позволяет оптимизировать работу каждого под определенную задачу. В тех случаях, когда загрузки ионизирующего излучения на детектор являются низкими, и нет жестких требований к особой радиационной стойкости материала использование этих детекторов оправдано. Как правило, детекторы такого типа это Zero-Degree калориметр и подобные, то есть детекторы, размещенные за пределами основной системы детектирования и применяемые для измерения распределения энергии нуклонов и ядер осколков. Проведенный эксперимент на ускорительной установке Нуклотрон (Дубна) показал работоспособность 14 из 16 ячеек в разработанном прототипе. Следующими этапами исследования будут изучение радиационной стойкости Hamamatsu Si. PM, исследование зависимости оптимального усиления от поглощенной дозы радиации (Ржеж) и исследование прототипа с максимальным количеством работающих диодов, а так же обработка и интерпретация амплитудных спектров. 20

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ 21