Detectores de Silicio Resistentes a Altas Dosis de Radiación

1. Detectores de Silicio Resistentes a Altas Dosis de Radiación Vicente Lacuesta (*) Mercedes Miñano IFIC (València) XXXI Reunión Bienal de la RSEF

2. Índice • Introducción • Detectores de silicio • Efectos de la radiación • Detectores y montaje experimental • Medidas de los detectores • Conclusiones

3. Índice • Introducción • Detectores de silicio • Efectos de la radiación • Detectores y montaje experimental • Medidas de los detectores • Conclusiones

4. LHC • Acelerador de partículas situado en el CERN. • Dos anillos con una longitud de 27km. • Colisión de dos haces de: • protones con energía de 7 TeV • iones pesados con energía 1.25 TeV • Protones guiados mediante un campo magnético de 8.33 T • 1296 dipolos magnéticos • Tubos refrigerados a 1.9 K • Luminosidad de 1034 cm−2 s−1 • Cada haz compuesto por 2835 paquetes • Cada paquete: • 1011 partículas • 7.5 cm de longitud • Separados por 7.48m (25 ns) • Colisiones cada 25 ns (40 MHz)

5. Experimentos del LHC • ATLAS: Detector de propósito general. • Cámaras de muones. • Calorímetro hadrónico. • Calorímetro electromagnético. • Sistema de reconstrucción de trazas formado por detectores de silicio y tubos de deriva. • Sistema de imanes solenoidales y toroidales • CMS: Detector de propósito general. • Consta de los mismos subdetectores que el anterior. • LHCb: Estudio de la física de los hadrones tipo B. • ALICE: Estudio de colisiones de iones pesados y plasma quark-glúon. • TOTEM: Secciones eficaces totales, dispersiones elásticas y procesos difractivos (integrado en el CMS).

6. Experimentos del LHC ATLAS CMS LHCb ALICE Todos ellos utilizan sistemas de reconstrucción de trazas de silicio.

7. sLHC • La operación estándar de LHC es: 3 años a 1033 cm-2s-1 seguida de 7 años a 1034 cm-2s-1, posiblemente 2.3x1034 cm-2s-1. • Hacia 2015 algunos componentes de LHC de la zona de interacción alcanzarán su límite de tolerancia a la radiación. • Si el programa de física lo requiere se necesitará una actualización de LHC para poder seguir tomando datos. • La actualización de LHC considera un aumento de la luminosidad a 1035 cm-2s-1. • El número de colisiones por cruce de haz será de alrededor de 400 o más.

8. Actualización de ATLAS • Un orden de magnitud más de radiación. • Una mayor ocupancia en los detectores. ~10000 partículas cargadas por suceso en |η| ≤ 3.2 • Se tendrá que sustituir todo el Inner Detector actual (Pixels+SCT+TRT) por un nuevo detector con alrededor de 200 m2 de silicio resistente a la radiación. • El nuevo detector debe de ocupar el mismo volumen que el actual y utilizar los servicios ya instalados (fuentes de alimentación, cables, etc.). • El desarrollo de un detector de este tipo necesita del orden de 10 años de I+D. Dosis en el LHC Dosis en el sLHC

9. Índice • Introducción • Detectores de silicio • Efectos de la radiación • Detectores y montaje experimental • Medidas de los detectores • Conclusiones

10. Principio de detección • Un detector de silicio es una unión P-N. • Al pasar la partícula, ésta pierde energía por ionización y genera pares electrón-hueco que se separan debido al campo eléctrico en la zona desertizada. • La carga se recoge como pulsos de corriente. • Se integra en el tiempo todo el pulso para obtener la carga depositada. I p n +V t

11. Propiedades de los detectores • Corriente de fugas: • Los electrones pueden saltar a la banda de conducción debido a excitación térmica. • Son arrastrados por el campo eléctrico creando una corriente. • Aumenta fuertemente con la temperatura. • Anchura de la zona desertizada: • Depende del voltaje externo aplicado y de las caracteristicas del detector. Q Zona desertizada

12. Propiedades de los detectores • Voltaje de desertización completa: • Voltaje en el cual la anchura de la zona de desertización es la del detector. • Depende principalmente de la concentración efectiva de dopantes. • Viene dado por: • Voltaje de ruptura: • Al superarse el voltaje de ruptura la corriente por el detector aumenta bruscamente. • Depende del diseño y del proceso de fabricación. • Eficiencia de recolección de carga: • La carga recogida es proporcional a la anchura de la zona de desertización.

13. Detector de micro-bandas de tipo p Lectura Óxido Metal Implante n 300 μm Unión p-n Zona desertizada Sustrato p Implante p+ Alimentación (-V) Metal

14. Índice • Introducción • Detectores de silicio • Efectos de la radiación • Detectores y montaje experimental • Medidas de los detectores • Conclusiones

15. Efectos de la radiación • Daños en la superficie: • Se crean pares en la capa de óxido y los electrones se quedan atrapados pudiendo producir cortocircuitos Técnicas de aislamiento: • p-spray • p-spray moderado • p-stop Solución

16. Efectos de la radiación • Daños en el sustrato: • Las partículas colisionan con los átomos desplazándolos de su posición Hipótesis NIEL (Non Ionizing Energy Loss) El daño producido por desplazamiento solo depende del tipo de partícula y energía PKA Fluencia equivalente a neutrones de 1MeV

17. Tipos de defectos Impureza intersticial Vacante Silicio intersticial Defecto Frenkel Impureza susticional Divacante • La radiación reduce el numero de donantes y crea mas estados aceptores → Modifica la densidad efectiva de dopantes (Neff) • Estos defectos pueden evolucionar con el paso del tiempo debido a la agitación térmica

18. Cambios en las propiedades microscópicas • Concentración efectiva de dopantes: • La concentración efectiva de dopantes cambia en función de la fluencia • En un detector de tipo p la concentración efectiva de dopantes aumenta • También depende del tiempo transcurrido durante la irradiación y tras la irradiación → annealing • El voltaje de desertización completa aumenta • Corriente de fugas: • La corriente de fugas aumenta con la dosis irradiada • Aumento del ruido → Necesidad de temperaturas mas bajas • Eficiencia de recolección de carga: • Trapping: nuevos niveles que atrapan h+ y e- • Incrementa el tiempo total de recolección de carga → recolección de carga incompleta

19. Índice • Introducción • Detectores de silicio • Efectos de la radiación • Detectores y montaje experimental • Medidas de los detectores • Conclusiones

20. Detectores • Detectores: • Micro-bandas • Silicio FZ de tipo p • 1x1 cm2 • Aislamiento p-spray • Fabricados en el CNM - IMB • Irradiación • Neutrones • Reactor TRIGA Mark II, Eslovenia • Fluencias equivalentes a neutrones de 1 MeV: • 1014cm-2 • 1015cm-2 • 2x1015 cm-2 • 1016 cm-2 Fluencia estimada en el LHC tras 10 años de operación Fluencia estimada en el sLHC tras 10 años de operación

21. Caja de pruebas Placa de soporte Pad central Pistas de oro

22. Caja de pruebas Placa de soporte + detector El anillo de guarda se conecta a una pista → Tierra El detector se pega mediante un pegamento conductor al pad → Alimentación Todos los canales se conectan a una misma pista → Lectura

23. Caja de pruebas Sonda Pt 100 Conexión a tierra HV CH3 CH2 CH1 Conectores LEMO Filtro pasa baja Señal Alimentación

24. Láser: Ventajas: Trigger periódico y rápido. Señal grande (~200 mip). Desventajas: Necesidad de enfoque. Necesidad de calibrado. Beta: Ventajas: Recolección de carga con partículas equivalentes a 1 mip. Desventajas: Trigger lento y aleatorio. Señal pequeña, comparable al ruido . Sistemas de adquisición Para la obtención de la CCE utilizamos los dos siguientes sistemas de adquisición:

25. Sistema de adquisición láser

26. Sistema de adquisición beta 90Sr → e- (~2 MeV)

27. Índice • Introducción • Detectores de silicio • Efectos de la radiación • Detectores y montaje experimental • Medidas de los detectores • Conclusiones

28. CCE de carga en un detector no irradiado • Recolección de carga: 0 – 200 V • Vfd≈ 50V • Obtenemos la carga del detector completamente desertizado Q0 = 23270 ± 320 e- Detector completamente desertizado Q0 Q Zona desertizada ω0

29. CCE de detectores irradiados • Detectores: • Sin irradiar • 1014 neq cm-2 • 1015 neq cm-2 • 2x1015 neq cm-2 • 1016 neq cm-2 • Procedimiento: • Beta: medidas a varios voltajes • Láser: barridos con un paso de 50 o 100 V • Calibramos las medidas láser con varios puntos de referencia medidos con el setup beta

30. Annealing • Detector irradiado a 1015 neq cm-2 • Annealing acelerado: • Cada minuto a 80ºC equivale a 5 días a 20ºC • Para cada intervalo de tiempo: • Beta: medidas a varios voltajes (300 y 400 V) • Láser: barridos hasta 800 V • Calibramos las medidas láser con los puntos de referencia medidos con el setup beta

31. Índice • Introducción • Detectores de silicio • Efectos de la radiación • Detectores y montaje experimental • Medidas de los detectores • Conclusiones

32. Conclusiones • Se han testeado los detectores de micro-bandas de silicio para estudiar su resistencia al daño causado por la radiación. • Tras realizar varias irradiaciones en detectores de silicio de tipo p observamos como la recolección de carga disminuye con la dosis irradiada aunque aún se siguen detectando partículas. • También podemos ver que al someter un detector a un proceso de annealing, su recolección de carga disminuye con el paso del tiempo hasta alcanzar un 30-50%. • Los detectores de tipo p podrían ser validos para el sLHC. • Se pretende realizar más estudios de irradiación y annealing con varios tipos de detectores irradiados a diferentes dosis con protones

34. Tipos de detectores • N+ - P • P+ - N • N+ - N n+ p p+ Velocidad de señal alta (e-) Mayor resistencia a la radiación Necesita implantes de aislamiento

35. Tipos de detectores • N+ - P • P+ - N • N+ - N p+ p n+ Velocidad de señal baja (h+) Sufre inversión de tipo a altas dosis de radiación Fabricación más simple

36. Tipos de detectores • N+ - P • P+ - N • N+ - N n+ n p+ Fabricación muy compleja

37. Principios generales • Niveles de energía e-→ portadores mayoritarios h+ → portadores minoritarios e-→ portadores minoritarios h+ → portadores mayoritarios

38. Efectos de la radiación Se crean pares en la capa de óxido y se quedan atrapados pudiendo producir cortocircuitos • Daños: • Superficie • Sustrato Técnicas de aislamiento: • p-spray • p-spray moderado • p-stop Solución Las partículas colisionan con los átomos desplazándolos de su posición Hipótesis NIEL El daño producido por desplazamiento solo depende del tipo de partícula y energía PKA Fluencia equivalente a neutrones de 1MeV