Изучение радиационной стойкости пиксельных детекторов на основе кремния. Работа

Лаборатория физики высоких энергий
Руководитель: д.ф-м.н. Владимир Петрович Ладыгин


Тишевский

А.В.
ГУ «Дубна»
Гр. 6164

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.

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.

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

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) .

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

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

7

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

для различных облученных ЛФД

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.

мюонами.

PM3350 с LED.

Hamamatsu S12572-010P с LED.

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 .

Hamamatsu до и после облучения

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.

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.

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.