Caratterizzazione di rivelatori di
radiazione a semiconduttore
Monica Scaringella
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
Principio di funzionamento di un rivelatore
Spessore della regione svuotata
xd =
(V + Vbi )2ε
qN eff
Tensione di svuotamento:
Vdep =
q N eff
2ε
w
Rivelatori di particelle a silicio
AMBIENTE DI LAVORO: LARGE HADRON COLLIDER (LHC)
CERN, Ginevra
Collisioni protone-protone
ECM=14 TeV
L=1034 cm-2s-1
Fluenza di adroni veloci prevista in 10 anni di funzionamento:
f ~ 1015 cm-2 per rivelatori pixel
Possibile upgrade di LHC (“Super-LHC” … dopo il 2010)
L ~ 1035 cm-2s-1
fluenze di adroni veloci fino a 1016 cm-2
Dopo cinque anni
Rivelatori a pad singolo
Rivelatori microstrip: risoluzione della posizione in una dimensione
Creazione di difetti cristallini indotti da radiazione
Coppia Frenkel
Vacanza + Interstiziale
Si
particella
EK > 25 eV
Difetti di Punto (V-V, V-O .. )
• Generazione di difetti primari
aggregati di I
I, I2
⇒ I - CLUSTER
V, V2 ,
aggregati di V
⇒ V- CLUSTER
→ Ci
i → interstiziale
s → sostituzionale
⇒
Ci +Cs
Ci +Oi
Ci +Ps
I
EK > 5 keV
Atomo
Interstiziale
V - Vacanza
clusters
Elettroni
Ee > 255 keV per spostamento
Ee >
8 MeV per cluster
Neutroni
• Generazione di difetti secondari
V+Oi → VO ⇒ V+VO → V2O
V+V → V2
V+V 2 → V3
V+Ps → VPs
I+Cs
I-
V
→
→
→
Ci CS
Ci Oi
Ci PS
En > 185 eV per
spostamento
En > 35 keV per cluster
60Co-gamma
Elettroni Compton con
energia max. Eγ ≈1 MeV
(no cluster production)
Effetti dell’irraggiamento sulle proprietà macroscopiche dei rivelatori
Introduzione di stati elettronici nel bandgap
•Variazione della concentrazione efficace di drogante Neff =
Σ |N
•Aumento della corrente di fondo Ileak
•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
D
+-N -|
A
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
Strutture “semplificate”
Rivelatori 3D single type
column (STC)
n+ electrodes
Rivelatori 3D double sided
p-type substrate
Uniform p+ layer
Necessità di studiare l’efficienza di raccolta di carica prima e dopo l’irraggiamento
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)
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
I TSC (T ) = − qAN t xd (T )en (T ) exp −
2
β
∫
Tf
Ti
en (T )dT
q :carica elementare
A: sezione del dispositivo
xd(T): spessore della regione svuotata
dT : tasso di riscaldamento
β=
dt
Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS)
Misura dei transitori di corrente (o capacità)
emessi dal campione polarizzato, sottoposto ad
eccitazione impulsata
1
I DL(T , t ) = − qen (T ) Axd N t exp(− en (T ) ⋅ t )
2
Spettro I-DLTS
Volume della
regione svuotata
S DL = I DL (T , t 2 ) − I DL (T , t1 )
Photo-Induced Current Transient
Spectroscopy (PICTS)
I-DLTS con eccitazione ottica
Misure di Charge collection efficiency (cce)
su rivelatori a singolo pad
Amptek a225
circuito formatore
Sr90
p+
n
circuito
integratore
n+
Scintillatore + PMT
Alla scheda
di
acquisizione
Linea di trigger
la perdita di energia nel mezzo è
un processo di natura statistica
distribuzione di Landau
valore medio
più
probabile
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
Apparato di misura di Charge collection
efficiency (cce) su rivelatori microstrip
Scintillatore+PMT
Discriminatore
FE chip
Cc
90Sr
Impulso di
calibrazione
FPGA
read-out digitale
Tensione
di soglia
Per una data tensione (carica) di soglia e tensione di polarizzazione del campione:
Efficienza=coincidenze/eventi dello scintillatore
Misure di risposta dosimetrica di diamante CVD
Configurazione on-line: Misura della carica raccolta durante l’irraggiamento
7
6
current (nA)
5
Risposta ad eccitazione con
fotoni da LINAC
4
3
2
1
0
50
100
150
200
250
300
350
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
