Strahlenschäden bei Silizium-Halbleiterdetektoren

Transkript

1 Unai Fischer Abaigar Betreuer: Markus Gabrysch, Michael Moll Strahlenschäden bei lizium-halbleiterdetektoren Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt CERN Oktober 2012

2 LHC : Beispiel CMS CMS Innerer Detektor Pixeldetektor Durch die räumliche Nähe zum Kollisionspunkt sind die Detektoren starker Strahlung ausgesetzt. Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 1

3 Pixel und Streifen Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 2

4 signal [electrons] Verschlechterung des Detektorsignals Pixel: max. fluence(lhc) n-in-n FZ (600V) p-in-n-fz (500V) pixel sensors strip sensors FZ licon Strip and Pixel Sensors n-in-n (FZ), 285 m, 600V, 23 GeV p p-in-n (FZ), 300 m, 500V, 23GeV p p-in-n (FZ), 300 m, 500V, neutrons References: [1] p/n-fz, 300 m, (-30 o C, 25ns), strip [Casse 2008] [2] n/n-fz, 285 m, (-10 o C, 40ns), pixel [Rohe et al. 2005] eq [cm -2 ] Streifen: max. fluence(lhc) M.Moll - 08/2008 fluence: Anzahl der bisherigen Teilchen pro Flächeneinheit (cm 2 ) Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 3

5 signal [electrons] Verschlechterung des Detektorsignals: Luminositätsupgrade Pixel: max. fluence(lhc); max. fluence(slhc) p-in-n-fz (500V) strip sensors n-in-n FZ (600V) pixel sensors FZ licon Strip and Pixel Sensors n-in-n (FZ), 285 m, 600V, 23 GeV p p-in-n (FZ), 300 m, 500V, 23GeV p p-in-n (FZ), 300 m, 500V, neutrons References: [1] p/n-fz, 300 m, (-30 o C, 25ns), strip [Casse 2008] [2] n/n-fz, 285 m, (-10 o C, 40ns), pixel [Rohe et al. 2005] eq [cm -2 ] Streifen: max. fluence(lhc); max. fluence(slhc) M.Moll - 08/2008 fluence: Anzahl der bisherigen Teilchen pro Flächeneinheit (cm 2 ) Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 4

6 Funktionsprinzip Halbleiterdetektor Ziel ist es, mit möglichst genauer Auflösung Teilchenbahnen zu messen. Ionisierende Strahlung erzeugt im Detektor Elektronen-Loch Paare, die wandern und einen Strom induzieren. Grundsätzlich ist ein solcher Detektor nichts anderes als eine Diode in Sperrrichtung. Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 5

7 Dotierung Leitungsband Bandlücke = 1.1 ev Valenzband Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 6

8 n-dotierung P Leitungsband P P Valenzband Durch die Verunreinigung des liziums, wird ein Zwischenniveau in der Bandlücke eingefügt. Es wird wahrscheinlicher, dass ein Elektron auf das Leitungsband kommt. Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 7

9 p-dotierung B Leitungsband B B Valenzband Positive Löcher Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 8

10 pn-übergang Spannung Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 9

11 pn-übergang (mit Spannung) Durch Anlegen einer Spannung, lässt sich die Verarmungszone vergrößern. Die Spannung die benötigt wird, um den ganzen Detektor zu verarmen, heisst Depletion Voltage. V dep q0 2 0 N eff d 2 Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 10

12 Test-Detektoren n Diese Detektoren dienen nur zum Testen, sie werden nicht verbaut. Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 11

13 Strahlenbelastung: charge trapping Beim Wandern durch den Detektor, werden manche Ladungsträger in Störstellen eingefangen. Nach einiger Zeit werden diese wieder freigegeben ( detrapping ). Alle 25ns wird die Ladung ausgelesen -> detrapping braucht länger. Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 12

14 Aufbau Abschliessende Box Laser (rot, infrarot) Detektor Hochspannung Kühlung Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 13

15 Aufbau Abschliessende Box Laser (rot, infrarot) Detektor Hochspannung Kühlung Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 14

16 Aufbau Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 15

17 Aufbau Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 16

18 Infrarot Messung Trigger für Laser (Oszilloskop) Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 17

19 Messung mit Infrarotlaser Beispiel Photodiode Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 18

20 Messung mit Infrarotlaser Beispiel bestrahlter Detektor Spannung: -50V charge trapping Bei der Messung wurden Temperatur, angelegte Spannung und Dauer des Laserpuls variiert. Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 19

21 Fitten mit Matlab 10 Messungen übereinander dn dt = n τ n t = A e ( t τ ) Annahme Strom proportional zu n I t = a e ( t τ ) Versuch eine Funktion für die Beschreibung des detrapping zu finden. (Unter Annahme eines exponentiellen Abfalls). Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 20

22 Fazit... Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 21