Изучение радиационной стойкости пиксельных детекторов на основе кремния

1.

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

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.
2

3.

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 SiPM.
II. Исследование характеристик SiPM.
III.Разработка 16-ти канального прототипа.
IV.Постановка эксперимента на Нуклотроне, Дубна.
3

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
4

5.

Применение SiPM
Эксперимент NA49
NA49 предназначался для измерений связанных
с нахождением критической точки в кваркглюонной плазме (КГП)
Эксперимент NA61
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 (hA) взаимодействий (для
экспериментов с нейтрино и космикой) .
5

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)
6
Схема многоцелевого детектора MPD

7.

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 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.
7

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
8

9.

Облучательньная установка
Таблица 1: Рабочее напряжение и 1 МэВ флюенс нейтронов
для различных облученных ЛФД
9

10. LED и космические мюоны

LED И КОСМИЧЕСКИЕ МЮОНЫ
ИСТОЧНИК ЕДИНИЧНЫХ
ФОТОНОВ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ
ДИОД (LED).
ОСНОВЫМ
ПРЕИМУЩЕСТВОМ
СВЕТОДИОДОВ
ЯВЛЯЕТСЯ
ВОЗМОЖНОСТЬ
ПРИМЕНИТЬ МЕТОД
СИНХРОННОГО
ДЕТЕКТИРОВАНИЯ
СИГНАЛА SIPM.
Установка для испытаний
SiPM 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

11. Zecotek MAPD-3N

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

12. Ketek PM3350

KETEK PM3350
Результаты испытаний Ketek PM3350 с LED.
Результаты испытаний Ketek PM3350
с космическими мюонами.
12

13.

Hamamatsu S12572-010P
Результаты испытаний Hamamatsu S12572-010P с LED.
Результаты испытаний Hamamatsu S12572-010P
с космическими мюонами.
13

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 (CF) характеристики с помощью специальной установки тестирования на NPI в Rez .
14

15.

Характеристики (C-V) до и после облучения
15

16. Особенности анализа частотной характеристики

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

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.
17

18.

16-канальный прототип детектора
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.
1 счетчики
2 прототип
18

19. Вид амплитудного спектра без обработки

ВИД
АМПЛИТУДНОГО
СПЕКТРА БЕЗ
ОБРАБОТКИ
19

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.
20

21.

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ
21