Изучение радиационной стойкости пиксельных детекторов на основе кремния

Июль 30, 2022

Главная
Физика
Изучение радиационной стойкости пиксельных детекторов на основе кремния

Содержание

2. Актуальность В современных экспериментах физики высоких энергий достигается большая множественность частиц. Это приводит к существенному изменению
3. Цель и задачи. Цель работы заключается в изучении радиационной стойкости пиксельных детекторов на основе кремния. Для
4. Преимущества, свойства, недостатки SiPM Использование современных полупроводниковых лавинных фотодиодов в качестве замены традиционно используемых ФЭУ имеют
5. Применение SiPM Эксперимент NA49 NA49 предназначался для измерений связанных с нахождением критической точки в кварк-глюонной плазме
6. В проекте по экспериментам Сжатой барионной материи (CBM) в строящимся ускорителе для ионных и антипротонных исследований
7. Основная задача создания полупроводниковых детекторов и электроники для новых экспериментов заключается в правильной оценке времени надёжной
8. Исследования радиационной стойкости Облучение проводили на циклотроне U120M в Институте ядерной физики ASCR в Ржеж. Для
9. Облучательньная установка Таблица 1: Рабочее напряжение и 1 МэВ флюенс нейтронов для различных облученных ЛФД
10. LED и космические мюоны Источник единичных фотонов - светоизлучающий диод (LED). Основым преимуществом светодиодов является возможность
11. Zecotek MAPD-3N Результаты испытаний Zecotek MAPD-3N Результаты испытаний Zecotek MAPD-3N с космическими мюонами.
12. Ketek PM3350 Результаты испытаний Ketek PM3350 с космическими мюонами. Результаты испытаний Ketek PM3350 с LED.
13. Hamamatsu S12572-010P Результаты испытаний Hamamatsu S12572-010P с космическими мюонами. Результаты испытаний Hamamatsu S12572-010P с LED.
14. Характеристики (I-V) до и после облучения Были измерены характеристики SiPM так же до и после облучения.
15. Характеристики (C-V) до и после облучения
16. Особенности анализа частотной характеристики C-F кривые Zecotek (слева), Ketek (центр) и Hamamatsu до и после облучения
17. Система мониторирования пучка нейтронов. Схематичное изображение системы мониторирования пучка нейтронов. измерителе общего потока нейтронов Neutrons Fluence
18. 16-канальный прототип детектора 1 счетчики 2 прототип Прототип 16-канального сцинтилляционного годоскопа предназначен для считывания и мониторинга
19. Вид амплитудного спектра без обработки
20. Заключение Современные фотоумножители на основе кремния могут быть конкурентно-способны в калориметрах и других детекторах FAIR и
22. Скачать презентацию

Слайд 2

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.

Слайд 3

Цель и задачи.
Цель работы заключается в изучении радиационной стойкости пиксельных детекторов

на основе кремния.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
Исследование радиационных эффектов SiPM.
Исследование характеристик SiPM.
Разработка 16-ти канального прототипа.
Постановка эксперимента на Нуклотроне, Дубна.

Слайд 4

Преимущества, свойства, недостатки SiPM
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
SiPM имеют следующие характерные свойства:
плотность пикселей около 104- 2-104 / мм2,
размер от 1х1 мм2 до 6х6 мм2,
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

SiPM KETEK PM3350, Gain~10E6, 50um/cell

Слайд 5

Применение SiPM
Эксперимент NA49
NA49 предназначался для измерений связанных с нахождением критической

точки в кварк-глюонной плазме (КГП)

Эксперимент NA61

Изучения флуктуаций и дальнодействующих корреляций в столкновении тяжелых ионов (AA).
Изучения протон - протон и протон - ядерных (PP и PA) взаимодействий (базовые данные для лучшего понимания AA реакций).
Изучения адрон–ядерных (hA) взаимодействий (для экспериментов с нейтрино и космикой) .

Слайд 6

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 fAcility)

Схема многоцелевого детектора MPD

Слайд 7

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 10B. Сечение захвата изотопа бора для нейтронов весьма велико, а при захвате происходит реакция 10B(n, α) 7Li. 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 SiPM является радиационная стойкость к нейтронным потокам порядка 1013 н / см2.

Радиационная стойкость к нейтронным потокам

Слайд 8

Исследования радиационной стойкости
Облучение проводили на циклотроне U120M в Институте ядерной физики

ASCR в Ржеж. Для облучения были использованы три типа SiPM , чтобы понять зависимость радиационной стойкости ЛФД от технологии производства:
Zecotek MAPD-3N
Ketek PM3350
Hamamatsu S12572-010P

Слайд 9

Облучательньная установка
Таблица 1: Рабочее напряжение и 1 МэВ флюенс нейтронов
для

различных облученных ЛФД

Слайд 10

LED и космические мюоны
Источник единичных фотонов - светоизлучающий диод (LED).
Основым

преимуществом светодиодов является возможность применить метод синхронного детектирования сигнала SiPM.

Космическое излучение рассматривается в качестве замены ускорителей, с использованием минимально ионизирующих частиц (MIPs). Недостатком этого метода является низкая скорость набора данных.

Установка для испытаний SiPM космическими мюонами и LED.

Слайд 11

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

Слайд 12

Ketek PM3350
Результаты испытаний Ketek PM3350
с космическими мюонами.
Результаты испытаний Ketek PM3350

с LED.

Слайд 13

Hamamatsu S12572-010P
Результаты испытаний Hamamatsu S12572-010P
с космическими мюонами.
Результаты испытаний Hamamatsu

S12572-010P с LED.

Слайд 14

Характеристики (I-V) до и после облучения
Были измерены характеристики SiPM так же

до и после облучения. Изучены емкостные (C-V), токовые (I-V), и частотные (C-F) характеристики с помощью специальной установки тестирования на NPI в Rez .

Слайд 15

Характеристики (C-V) до и после облучения

Слайд 16

Особенности анализа частотной характеристики
C-F кривые Zecotek (слева), Ketek (центр) и Hamamatsu

до и после облучения

Слайд 17

Система мониторирования пучка нейтронов.
Схематичное изображение системы 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 10x10см с разрешением порядка 1см.

Слайд 18

16-канальный прототип детектора
1 счетчики
2 прототип
Прототип 16-канального сцинтилляционного годоскопа предназначен для считывания

и мониторинга сигналов с SiPM (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.

Слайд 19

Вид амплитудного спектра без обработки

Слайд 20

Заключение
Современные фотоумножители на основе кремния могут быть конкурентно-способны в калориметрах и

других детекторах FAIR и NICA.
Исследования свойств SiPM производства Zecotek МAP-3N, Ketek PM3350 были проведены до и после облучения нейтронами.
После облучения было обнаружено множество различных эффектов, в основном все они связаны с увеличением внутренних шумов SiPM, которые напрямую зависят от количества короткоживущих ловушек в объеме кремния
Изучение характеристик C-F показывает, что характеристики шума SiPM в значительной степени зависит от технологии производства, а также от наличия дефектов в кремнии.
Сравнивая Ketek, Zecotek и Hamamatsu SiPM 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 SiPM, 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.

Изучение радиационной стойкости пиксельных детекторов на основе кремния

Содержание

Актуальность В современных экспериментах физики высоких энергий достигается большая множественность частиц. Это

Цель и задачи.Цель работы заключается в изучении радиационной стойкости пиксельных детекторов

Преимущества, свойства, недостатки SiPMИспользование современных полупроводниковых лавинных фотодиодов в качестве замены

Применение SiPMЭксперимент NA49 NA49 предназначался для измерений связанных с нахождением критической

В проекте по экспериментам Сжатой барионной материи (CBM) в строящимся ускорителе

Основная задача создания полупроводниковых детекторов и электроники для новых экспериментов заключается

Исследования радиационной стойкостиОблучение проводили на циклотроне U120M в Институте ядерной физики

Облучательньная установкаТаблица 1: Рабочее напряжение и 1 МэВ флюенс нейтронов для

LED и космические мюоныИсточник единичных фотонов - светоизлучающий диод (LED). Основым

Zecotek MAPD-3NРезультаты испытаний Zecotek MAPD-3NРезультаты испытаний Zecotek MAPD-3N с космическими мюонами.

Ketek PM3350Результаты испытаний Ketek PM3350 с космическими мюонами.Результаты испытаний Ketek PM3350

Hamamatsu S12572-010P Результаты испытаний Hamamatsu S12572-010P с космическими мюонами.Результаты испытаний Hamamatsu

Характеристики (I-V) до и после облученияБыли измерены характеристики SiPM так же