Vortrag. Strahlenschäden am Lichtpulser und THMP am Panda-Experiment. Vincent Freudenreich Experimentalphysik I

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1 Vortrag Strahlenschäden am Lichtpulser und THMP am Panda-Experiment Vincent Freudenreich Experimentalphysik I

2 Motivation PANDA untersucht pp-reaktion ҧ Wir arbeiten am Kaloriemeter THMP und Lichtpulser sind kritische Komponenten Ionisierende Strahlung schädigt Mikroelektronik Elektronik im Detektor fest verbaut Austausch oder Reparatur nicht einfach möglich Vorheriges Testen um Ausfälle zu vermeiden Vincent Freudenreich Experimentalphysik I

3 Grundlagen Bauteile aus dotierten Halbleitern N/P Übergänge n p Si GaAs Si GaAs Phosphor Tellur Bor Kohlenstoff Arsen Antimon Indium Aluminium Gallium Si-Dotierung ~1 Fremdatom auf 10 6 Siliziumatome GaAs-Dotierung ~1 Fremdatom auf 10 4 Gitteratome Vincent Freudenreich Experimentalphysik I

4 Grundlagen Dosis ist Relevant Es gibt Simulationen für: Gesamtdosis Schnelle Neutronen Belastung durch Protonen und Photonen ergibt sich aus Gesamtbelastung Neutronenbelastung kann aus weiterer Simulation bestimmt werden Thermische Neutronen sind schwierig zu bestimmen, FLUKA? Vincent Freudenreich Experimentalphysik I

5 Grundlagen Differenzieren von Strahlenschäden: Temporäre Schäden: Ladungsaufbringung Ausheilbare Gitterdefekte SEU,SEDC²,SED,SET,SEFI Permanente Schäden: Dotierungsschaden Dauerhafte Gitterdefekte SEB,SES,SEGR,SEL Single-Event-Schäden können statistisch von einzelnen Teilchen ausgelöst werden Vincent Freudenreich Experimentalphysik I

6 Grundlagen Ionisierende Strahlung erzeugt Loch/Ladungsträg er Paare γ Löcher sind weniger beweglich und bleiben im SiO 2 Dunkelst rom oder Gate- Offset Vincent Freudenreich Experimentalphysik I

7 Grundlagen Vincent Freudenreich Experimentalphysik I

8 Grundlagen Vincent Freudenreich Experimentalphysik I

9 Grundlagen Schlussfolgerung: Nur hochenergetische Teilchen machen permanente Schäden Nein, denn: B 10 besitzt signifikanten Einfangquerschnitt für thermische Neutronen (~3600 barn) Folgereaktion: B 10 (n, α 1.47MeV )Li MeV Schadenspotential thermischer Neutronen nach T.D.Stanley: S(Thermisch) 0.3 S(Schnell) Vincent Freudenreich Experimentalphysik I

10 Methoden Bestrahlung mit Photonen an Co(60)- Quelle in Gießen Bestrahlung mit schnellen Protonen am KVI Bestrahlung mit gemischten Neutronen an Am-Be-Quelle in Gießen Neutronen sind spektral breit gestreut Geringe Aktivität der Quelle 10 3 n cm 2 s Probenhalter ist Zylindrisch = 60mm Vincent Freudenreich Experimentalphysik I

11 Methoden Platinendesign: Runde Geometrie wie der Probenhalter Platinen können fast beliebig übereinander gelegt werden Stromversorgung muss nach oben zeigen Ermöglichtes, Komponenten selektiv zu bestrahlen Daten werden über CAN ausgelesen Vincent Freudenreich Experimentalphysik I

12 Methoden Vincent Freudenreich Experimentalphysik I

13 Ergebnisse Bestrahlung mit Photonen in Gießen an einer Co 60 -Quelle Energien von 1.17 bez.1.33 MeV 4 Stunden Bestrahlung Gesamtdosis ca. 200 Gy inkl. Sicherheit Zu erwartende Schäden: Temporär Elektromagnetisch Vincent Freudenreich Experimentalphysik I

14 Ergebnisse Keine Ausfälle oder Störungen bemerkbar Die übertragenen Daten des Konstantwiederstandes zeigten angeblich steigende Temperatur Sobald die Quelle eingefahren ist, ist eine Ausheilung beobachtbar Ursache noch unklar Erwärmung der Elektronik? Em-Schäden? Vincent Freudenreich Experimentalphysik I

15 Ergebnisse Bestrahlung mit Protonen am KVI Belastung > Lebensbelastung durch mehrere kleine Tests Stahlzeiten zw. 100s und 1000s Nur einzelne Komponenten bestrahlt Eine definierte Energie Erwartete Schäden: Temporär Eventuell Permanent Vincent Freudenreich Experimentalphysik I

16 Ergebnisse INA III INA II INA I Vincent Freudenreich Experimentalphysik I

17 Ergebnisse Ein kleinerer Ausfall bemerkbar, System an sich lief aber stabil Ähnliche Veränderungen wie bei Photonenbestrahlung INA Ist in zwei von drei Fällen auffällig Nach Bestrahlung scheinbare Ausheilung Erfordert weitere Messungen, Gerät jedoch noch nicht freigegeben Frage: Hadronische oder elektromagnetische Schäden? Vincent Freudenreich Experimentalphysik I

18 Ausblick Neutronenbestrahlung kann Klarheit über hadronische und elektromagnetische Schadenskomponenten liefern Genaueres Betrachten des Ausheilungsprozesses Eventuell nochmal Photonenbestrahlung, und Betrachten der Em-Ausheilung Vergleich an Hand von NIEL zwischen den einzelnen Schadenskomponenten ziehen Vincent Freudenreich Experimentalphysik I

19 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Vincent Freudenreich Experimentalphysik I