PARÇACIK DETEKTÖRLERİ I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler

1. PARÇACIK DETEKTÖRLERİ I: Gazlı ve Yarıiletken Detektörler İlhan TAPAN Uludağ Üniversitesi

2. Giriş Deteksiyonda esas olan, detekte edilecek radyasyonun detektör ortamında yapacağı etkileşmeler vasıtasıyla içeride bırakacağı enerjinin ölçülmesidir. İki farklı fiziksel etkileşme süreci iyonizasyonveuyarma sonucunda detektör ortamına enerji bırakılması ve ölçülmesi prensibine dayalı olarak tasarlanmış detektörler, gazlı-yarıiletken ve sintilasyon detektörleri.

3. Yüklü Parçacıkların Madde ile Etkileşmeleri Madde içerisinde yol alan bir yüklü parçacık enerjisini iyonizasyon,uyarma veya bremsstrahlung vasıtasıyla kaybeder. Yüklü parçacıkların madde içerisinde aldığı dx yolu boyunca, iyonizasyon ve uyarma yaparak kaybettiği ortalama dE enerjisi Bethe ve Bloch formülü ile verilir. z gelen parçacığın yükü, Z ve A ortamın atom numarası ve atom ağırlığı, me ve re elektronun durgun kütlesi ve yarıçapı, N A Avagadro sayısı, • I ortamın iyonizasyon ve uyarma potansiyeli, • Lorentz faktörü (E/mec2),  parçacığın rölativistik hızı (V/c) ve  yoğunluk etkisi İfade ortamın durdurma gücü veya diferansiyel enerji kaybı olarak da adlandırılır.

4. Yüklü Parçacıkların Madde ile Etkileşmeleri Ortamın durdurma gücü ne kadar büyükse, yüklü parçacığın aldığı birim yol başına iyonizasyon ve uyarma yaparak kaybettiği enerji de o kadar büyük olur. dE/dx = 2.12 ×10-3 MeV/cm Wi = 26 eV ~ 80 e-iyon çifti/cm 1 cm Argon İyonize edici radyasyon dE/dx = 7.29 MeV/cm Wi = 2.9 eV ~ 2.5 × 106 e-hole çifti/cm 1 cm Germanyum İyonize edici radyasyon

5. Yüklü Parçacıkların Madde ile Etkileşmeleri Yüklü parçacıkların çarpışma başına ortama aktardığı enerjinin kendi enerjisine oranı oldukça düşük olduğundan, enerjisini tamamen ortama aktarabilmesi için birçok çarpışma yapması gerekmektedir. Ortama aktarılan enerji, bir ortalama etrafında dağılıma sahiptir. Enerji kaybı dağılımı, Landau dağılımı ile temsil edilir ve yaklaşık ifadesi, , en muhtemel enerji kaybından olan sapmadır, Bethe-Bloch formülündeki ortalama enerji kaybı, en muhtemel enerji kaybı, gerçek enerji kaybıdır.

6. Gazlı Detektörler Parçacık deteksiyonu ve takibi için kullanılan detektörler ailesinin önemli üyelerinden birisidir. 1923 yılında geliştirilerek Geiger- Müller adı verilen ve tüm modern gazlı detektörlerinin atası olan orantılı detektörlerden, sinyalin gaz hacmi içerisinde bir ön çoğalma vasıtasıyla daha güçlü alınmasını sağlayan MPGD lere (Micro-Pattern Gas Detectors)

7. Gazlı Detektörler-Elektron-İyon Çifti Oluşumu N0 = Detektör ortamı olarak gaz kullanıldığında, diğer etkileşmeler sonucu enerji kayıpları ihmal edilerek deteksiyonda sadece iyonizasyon enerji kaybı dikkate alınır. Gaz içerisinde yol alan yüklü parçacığın izi boyunca iyonizasyon ile enerji kaybı sonucu oluşturacağı elektron-iyon çiftlerinin sayısı; E parçacığın toplam enerji kaybı Wi Bir elektron-iyon çifti üretmek için gerekli ortalama enerji (gazlar için ortalama 30 eV civarındadır)

8. Gazlı Detektörler-Elektrik Alan Etkisindeki Yükler  vdrift = Bir elektrik alan uygulandığında, gaz içerisinde oluşmuş elektron-iyon çiftleri elektrik alan boyunca harekete zorlanırlar. Bu hareket esnasında elektronlar gaz atomları ile çarpışarak bir ortalama hıza -sürüklenme hızına (vdrift )- ulaşırlar. , yüklerin gaz molekülleri ile yaptığı iki çarpışma arasında geçen ortalama süre. İyi bir detektör performansı için, yüklerin en kısa sürede kontağa ulaşması gerekir

9. Gazlı Detektörler-Elektrik Alan Etkisindeki Yükler Anota gitmesi gereken elektronlar gaz molekülleri tarafından yakalanabilirler. Başlangıçtaki yoğunluğu Ioe olan elektronların, x mesafesi sonunda sahip olacakları Ie yoğunluğu; Ie = Ioe exp (-x) , bağlanma (attachment) katsayısı(gaza ve elektronların enerjilerine bağlıdır).

10. Gazlı Detektörler-Elektrik Alan Etkisindeki Yükler Elektrik alan şiddeti yeterince yüksek ise elektronların kazanacağı kinetik enerji değeri, çarpışma yaptığında gaz atomlarını iyonize edebilecek seviyelere ulaşabilir. Başlangıçtaki toplam elektronların sayısı N0 olmak üzere, bu elektronların düzgün bir elektrik alan şiddetine sahip bir gaz detektör hacmi içerisinde kontağa ulaşana kadar x mesafesi boyunca iyonizasyon yapmaları sonucu kontağa ulaşan elektron sayısı; N = N0 ex Birinci Townsend katsayısı  / P = A exp(-BP/E) P basınç, E uygulanan elektrik alan, A ve B katsayıları gazın cinsine bağlı sabitler

11. Gazlı Detektörler-Elektrik Alan Etkisindeki Yükler N = N0 exp Eğer detektör içerisindeki elektrik alan değişken ise, x1 elektronun harekete başlama konumu, x2 kontağın (Anot) konumu. Katot yarıçapı b V anot teline uygulanan voltaj, r anot telinden olan uzaklık, a anot telinin yarıçapı ve b tüpün yarıçapıdır. Anot yarıçapıa

12. Gazlı Detektörler-Yük Kazancı Gaz detektörler için yük çoğalma faktörü ya da kazancı, M = N / N0 = ex = exp Kazancı etkileyen faktör: Yüklerin (Space Charge) Etkisi Yük çoğalması sonucu oluşan yükler, detektör içerisinde var olan elektrik alan şiddetini azaltır. İyonizasyon katsayısı elektrik alanın bir fonksiyonu olduğu için bu durum, kazancın ve çıkış sinyalinin değerinin düşmesine neden olur. Detektör hacmi içerisinde oluşan Eelektrik alan değeri, yük etkisi nedeni ile Esce kadar azalacaktır.Bu durumda iyonizasyon katsayısı,  /P = A exp(-BP/E-Esce)

13. Gazlı Detektörler- Gaz Seçimi Kullanılan temel gazlar Ar, Ne, He gibi kolay iyonize olabilen ve elektron alma eğilimi az olan (bu nedenle anoda giden elektronlara fazla bir etkisi olmaz) asal gazlar dır. Ek gazlar ise Etan, Metan, Karbondioksit gibi dindirici (quenching) gazlardır. Bu gazlar da düşük elektron alma eğilimine sahip olmakla birlikte, pozitif iyonlara elektron aktararak onları nötr hale getirir. Dindirici gazlar aynı zamanda yük çoğalması esnasında gerçekleşen çarpışmalarda uyarılmış gaz atomlardan yayınlanan fotonları da soğururlar. Detektörlerde yaygın olarak kullanılan P10 gazı, % 90 argon ile dindirici gaz olan % 10 metan karışımından oluşur

14. Gazlı Detektörler- Gaz Seçimi Ek gazlar kullanıldığında ortaya çıkan problem; penning etkisi There may be many non-ionising interactions in avalanche formations. In such interactions some fraction of the energy is spent on the creation of short or long lived (metastable) excited states. Excited gas atoms or molecules can transfer their excess energy to ionise the other ones in the mixture by making collisions with them. Such an energy transfer is known as Penning effect and often occurs in the gas mixtures when the metastable excitation energy level of one gas component is energetically higher compared to the ionisation energy of the other gas component. These kinds of mixtures are also known as Penning gas mixtures which consist of a noble gas and an admixture at lower concentrations Ö Şahin et al,JINST, 2010

15. Gazlı Detektörler- Sinyal ve Dalgalanması Bir detektörden alınan sinyalin büyüklüğü kontağa ulaşan yük sayısına (birincil parçacık adedi ve detektörün iç kazancına) bağlıdır.

16. Gazlı Detektörler-Yaşlanma (Aging) Yaşlanmadaki kasıt, detektörün kontak elektrotlarının yüzeyinde oluşan birikmeler sonucu, kazançta kayıp ve dalgalanmalar, enerji çözünürlüğünde bozulma, kendiliğinden yük boşalması, kıvılcım atlaması, yüksek voltaj kararsızlığı, tellerde ise aşınma, şişme ve kopma gibi etkilerin oluşarak detektörün çalışma performansının düşmesidir. Çarpışma iyonizasyonunun gerçekleşmesi için elektron enerjisinin 10 eV’ dan büyük olması gerekirken, moleküllerin kovalent bağlarının kırılması ve serbest radikallerin oluşması için elektronun 3-4 eV enerjiye sahip olması yeterlidir. Serbest radikaller diğer moleküllere kovalent bağlarla bağlanarak daha ağır moleküller oluşturur (Serbest radikal polimerizasyonu). Yeterince yoğunlaşma olduğunda, bunlar elektrot yüzeyine difüzyon ile giderek yapışırlar.

17. Gazlı Detektörler-Yaşlanma (Aging)

18. Gazlı Detektörler-Yaşlanma (Aging) THE ANODE WIRE DEPOSITS SAGA, kazanç kayıplarına yol açıyor

19. Gazlı Detektörler- Örnek: MPGD ler

20. Gazlı Detektörler- Örnek: MPGD ler

21. Gazlı Detektörler- Örnek: MPGD ler

22. Gazlı Detektörler- Örnek: MPGD ler

23. Gazlı Detektörler- Hızlandırıcılarda Kullanımı Gaz Monitör Detektörü – Foton akısı ölçümü Detektörden geçen fotonların sayısı, detekte edilen parçacıkların (iyonlar/elektronlar) sayısına bağlı olarak bulunur.

24. Gazlı Detektörler- Hızlandırıcılarda Kullanımı Demet kayıp monitörü – Kaçak ölçümü Özellikle süperiletken magnetlerin kullanıldığıhızlandırıcısistemlerinde, kayıpların yerini ve büyüklüğünü görebilmek için demet kayıp monitörü kullanılır. Burada kullanılan detektörler, demet borusunun çevresine yerleştirilir ve boru malzemesi tarafından soğurulmayanyüklü parçacıkları veya ışınları detekte etmek için kullanılırlar. İçerisine Ar gazı doldurulmuş ince bir boru tüm demet hattı boyunca paralel olarak yerleştirilir. Böylece demette meydana gelecek en ufak elektron kaybı gaz ile etkileşip, gazı iyonlaştırır. Böylece bir akım elde edilir.

25. Gazlı Detektörler- Hızlandırıcılarda Kullanımı Demet kayıp monitörü – Kaçak ölçümü

26. Yarıiletken Detektörler Yarıiletken detektörler nükleer ve yüksek enerji fiziği deneylerinde önemli bir geçmişe sahiptirler. İlk sinyal, 1951 yılında ters besleme voltajı uygulanmış germanyum diyod üzerine a parçacıklarının düşürülmesi ile gözlenmiştir Yüksek enerji fiziği deneylerinde kullanılan ilk silikon detektör dE/dx ölçümleri için tasarlanmıştır Bir yarıiletken detektör yapmak için, katkılanmış p ve n tipi yarıiletkenlerden p-neklemi oluşturmak gerekir.

27. Yarıiletken Detektörler-Yük Taşıyıcılarının Oluşumu Eklem içerisine giren ve enerjisi yarıiletkenin bant aralığı enerjisinden daha yüksek olan foton, değerlik bandındaki elektronu geride bir hol bırakacak şekilde iletkenlik bandına uyarabilir p-n eklemi içerisine giren fotonların soğurulmalarının konuma bağlı değişimi, x eklem içerisinde alınan yol, fotonun soğurulma katsayısıdır

28. Yarıiletken Detektörler-Yük Taşıyıcılarının Oluşumu Foton soğurma katsayısının dalga boyuna bağlı değişimi (Si içerisinde)

29. Yarıiletken Detektörler- E alan altında yükler Yarıiletken içerisinde bulunan yük taşıyıcıları, gelişi-güzel termik hareket yaparlar fakat net olarak yer değiştirme yapamazlar. Elektrik alan ( 2x102 V/cm) yarıiletkene uygulandığında, her bir yük taşıyıcı elektrik alan doğrultusunda bir hız bileşeni kazanır. Bu ilave hız sürüklenme hızı olarak adlandırılır. Eğer E alan değeri yeterince yüksek ise (>1x105 V/cm), yük taşıyıcıların kinetik enerjileri çarpışma iyonizasyonu eşik enerjisinden (impact ionization threshold) daha büyük değerlere ulaşabilir

30. Yarıiletken Detektörler- E alan altında yükler elektron ve hol için çarpışma iyonizasyonu tesir kesitleri (impact ionization cross section), bir tek elektron yada holün elektrik alan doğrultusunda yol alırken birim uzunluk başına ürettiği e-h çifti sayısı olarak tanımlanır. İyonizasyon tesir kesitleri elektrik alan şiddetine ve sıcaklığa bağlı olup şu şekilde verilirler T Kelvin derecesinde sıcaklık, E V/cm biriminde elektrik alandır

31. Yarıiletken Detektörler-Çığ Kazancı ve Kırınımı İç kazanç (M), kontağa ulaşan yük taşıyıcılarının, fotonlar veya yüklü parçacıklar tarafından üretilen birincil yük taşıyıcılarına oranı olarak tanımlanabilir. Çığ bozunumu olduğunda oluşan sonsuz sayıdaki e-h çifti, kazancın sonsuz olmasına sebep olacaktır Elektron ve hol için iyonizasyon tesir kesitlerinin eşit olduğu durumda çığ kırınımı ifadesi;

32. Yarıiletken Detektörler-Tekrar Birleşme Tekrar birleşme, detektör hacmi içerisinde yol alan elektronların tamamlanmamış bağ yapısına sahip atomlar tarafından yakalanması ile gerçekleşir. Tekrar birleşme yapan yük taşıyıcıları artık serbest değildirler, elektrik alan tarafından kontaklara sürüklenemez ve sinyale katkıda bulunamazlar. Detektör içerisinde oluşturulan yük taşıyıcılarının tekrar birleşme yapma olasılığı zamanla şu şekilde değişir yük taşıyıcılarının yaşam süresidir

33. Yarıiletken Detektörler-Radyasyon Hasarı Özellikle yüksek enerji ve nükleer fizik deneylerinde kullanılan yarıiletken detektörler, içerisinde bulunduğu ortamdaki yüksek radyasyondan etkilenirler. Radyasyon yarıiletken malzemenin yapısında bozulmaya neden olarak detektörün çalışma performansını etkiler. Radyasyon hasarı ile yarıiletken malzemede oluşan mikrosobik etkiler, detektörde makroskobik etkiler oluşturur

34. Yarıiletken Detektörler-Mikroskobik Etkiler Hadronlar ve yüksek enerjili leptonlar yarıiletken içerisine girdiğinde örgüdeki bir atomu yerinden ederek onun örgü içerisinde başka bir yere gitmesini sağlar. Böylece örgü atomları arasına girmiş bir atom ve geride ondan kalmış bir boşluk oluşur. Bu çifte Frenkel çifti ve radyasyon tarafından oluşturulan bu tür kusura nokta kusuru denir. Silikon içerisinde nokta kusuru oluşturmak için gereken enerji: nötronlar için 185 eV, elektronlar için 255 keV’ dir

35. Yarıiletken Detektörler-Mikroskobik Etkiler Gelen radyasyonun enerjisi arttığında, örgüdeki daha çok atom daha fazla enerjiye sahip olarak yerinden ayrılacak ve bu enerjik atomlar da yeni Frenkel çiftleri oluşturabileceklerdir. Bu şekilde oluşan kusura da demet kusuru denir Silikon içerisinde demet kusuru oluşturmak için gereken enerji: nötronlar için 35 keV, elektronlar için 8 MeV’ dir

36. Yarıiletken Detektörler-Mikroskobik Etkiler Farklı tip ve enerjilerdeki radyasyonun, yarıiletken malzemede yaptığı değişim iyonize etmeyici enerji kaybı(Non-Ionizing Energy Loss NIEL) kavramı olarak adlandırılır.

37. Yarıiletken Detektörler-Makroskobik Etkiler Radyasyon hasarı detektörün yapıldığı yarıiletken malzemenin etkin katkı konsantrasyonunu (Neff) değiştirir. Böylece başlangıçta n-tipi olan bir malzeme artan akı ile tip değiştirerek p-tipi olur. Nötron akısında bağlı olarak katkı konsantrasyonundaki değişim cD verici yok olma sabiti (donor removal coefficient) ve balıcı giriş oranıdır (acceptor introduction rate).

38. Yarıiletken Detektörler-Makroskobik Etkiler Radyasyon yarıiletken malzemenin enerji band aralığı içerisinde yeni elektriksel aktif seviyeler oluşturur, bu seviyelerde e-h oluşumu detektörde bir kaçak akıma neden olur. Detektörde, birim hacimde kaçak akımdaki değişim (T,t) sıcaklığa ve zamana bağlı hasar parametresidir Yüklerin ortalama ömürlerindeki değişim e,hyük taşıyıcıların yakalanma olasılığıdır Sabit bir çalışma voltajı altında detektörün yük toplama verimi (charge collection efficiency, CCE) yük taşıyıcıların ortalama ömründeki azalmaya bağlı olarakazalacaktır.

39. Yarıiletken Detektörler-Bir Örnek-Çığ Fotodiyot Bir çığ fotodiyot (APD), orantılı gaz detektörün benzeri olan ve temel olarak, p ve n tipi yarıiletkenlerin birleştirilmesiyle oluşmuş ters besleme voltajı ile çalışan yarıiletken bir detektördür. CMS ECAL da kullanılan Hamamatsu reach-through APD yapısı da böyle bir yapıya sahiptir. Kuantum verimi

40. Yarıiletken Detektörler-Bir Örnek-Çığ Fotodiyot

41. Yarıiletken Detektörler-Bir Örnek-Çığ Fotodiyot CMS ECAL’ da yaklaşık 120000 adet çığ fotodiyot (APD), PbWO4 kristali içerisinde oluşan fotonları doğrudan detekte edebilmek için kristalin uç kısmına yerleştirilmektedir

42. Yarıiletken Detektörler-Bir Örnek-Çığ Fotodiyot Orantılı bölgede çalışan çığ fotodiyotlarda, alınan sinyalin büyüklüğü ile üzerine düşen foton adedi orantılıdır. Bu orantılılık, detektörün kuantum verimi ile iç kazancına bağlıdır. Orantılı bölgede çalışan bir çığ fotodiyot için,kontağa ulaşan yük taşıyıcıları tarafından oluşturulan sinyaldeki dalgalanma şu şekilde ifade edilebilir Yarıiletken detektörlerde kazançtaki dalgalanmalar ilave gürültü (excess noise),

43. Yarıiletken Detektörler-Bir Örnek-Çığ Fotodiyot Oluşan birincil yük taşıyıcı adedindeki dalgalanma oranı, olmak üzere, sinyal dalgalanması ifadesinde yerine konulduğunda parantez içerisindeki terim ilave gürültü faktörüne karşılık geldiğinden, kalorimetrede kullanılan bir APD’ nin sinyal dalgalanması,

44. Yarıiletken Detektörler-Bir Örnek-Çığ Fotodiyot

45. Gaz + Yarıiletken Detektör: GOSSIP GOSSIP: Gas On Slimmed SIlicon Pixels In GOSSIP, Electron-ion pairs are created, along the track, in the thin gas-filled drift gap. The electrons drift towards a grid which is placed parallel to the (pixel) anode. A strong electric field is applied in the gap between grid and anode, causing electron avalanches and, consequently, gas electron multiplication. The avalanche charge induces a signal on the pixel input pad.

46. Son Teşekkürler

47. Ek

48. Elektromanyetik RadyasyonunMadde ile Etkileşmeleri Deteksiyonda rol oynayan üç önemli E.M. etkileşme fotoelektrik soğurum, compton saçılması ve çift oluşumudur

49. Elektromanyetik RadyasyonunMadde ile Etkileşmeleri Fotonun yapacağı etkileşme türü enerjisine bağlı olarak değişir Fotoelektrik soğurum keV mertebesindeki enerjilerde gerçekleşir MeV mertebesindeki enerjilere doğru gidildikçe compton saçılması baskın duruma gelir Yüksek enerjilerde ise çift oluşumu baskın duruma geçer.

50. Gazlı Detektörler- Örnek: Foton Akısı ölçümleri Gaz MonitörDetektörü: Gaz monitör detektörü, foton akısı ölçümlerinde kullanılmaktadır. Foton demet diyagnostiğinde kullanılan en önemli araçlardan biridir. Detektör bir soy gazın foto-iyonizasyonuna dayalı çalışmaktadır. Klasik detektörlerden daha düşük parçacık yoğunluğuna sahip olan gaz detektörler, transparent olmaları nedeni ile demete zarar vermeyen bir detektör olarak kullanılabilmektedir. Genellikle detektörün yapısı ve çalışma prensibi açısından en iyi performansı sağladığından Xenon gazı kullanılmaktadır. Detektör içinde foto-iyonizasyon ile üretilen elektronlar ve iyonlar, oluşturulan homojen bir elektrik alan vasıtasıyla farklı yönlerde hızlandırılarak toplanabilmektedirler. Elektrik alan şiddeti üretilen yüklü parçacıkların hepsini toplayabilecek büyüklükte olmalıdır ( yaklaşık 400 V/cm). Tek bir foton pulsu ile gaz içinde çok sayıda yüklü parçacık oluşturabilir, oluşan yüklü parçacıkların deteksiyonu Faraday kafesleri kullanılarak yapılmaktadır (Şekil sonraki sayfa).Detektörden geçen fotonların sayısı (Nfoton), detekte edilen parçacıkların (iyonlar/elektronlar) sayısı (Nparticle) yardımı ile belirlenir