Полупроводниковые трековые детекторы
реклама
Полупроводниковые детекторы Игорь Алексеев, ИТЭФ Фактор Фано Ugo Fano. Ionization yield of radiations. II. The fluctuations of the number of ions. Phys. Rev., 72:26-29 (1947). Пусть в детекторе выделилась энергия E и пусть в среднем регистрируется N пар электрон-ион(дырка). Тогда дисперсия количества пар N выражается формулой: FN , где F – фактор Фано. Простая модель Потери энергии состоят из одинаковых актов с уменьшением энергии на e и вероятность, что в таком акте возникнет электронионная пара - . Тогда распределение количества пар – биноминальное, для которого: <N> = ·E/e и <2> = ·(1-)E/e = F·<N> Игорь Алексеев, ИТЭФ Примеры фактора Фано Игорь Алексеев, ИТЭФ Немного статистики FWHM h/2 1 12 FWHM≈2.355 2 2 ln 2 Игорь Алексеев, ИТЭФ Эффективность Вероятность попадания в детектор n частиц описывается распределением Пуассона: Эффективность детектора: Игорь Алексеев, ИТЭФ ε = 1 – e-μ Малошумящие усилители Белый шум ena2~нВ2/Гц ina2~пА2/Гц 1/f шум Af~10-10-10-12 В2 Игорь Алексеев, ИТЭФ Шум усилителей Для простейшего формирователя из дифференцирующей и интегрирующей цепочек с одинаковой постоянной времени Для усилителя с высоким входным сопротивлением: Игорь Алексеев, ИТЭФ Пример зависимости шума от постоянной времени Игорь Алексеев, ИТЭФ Чем хорош полупроводник? • Малая энергия ионизации (30 эВ для газовых детекторов) плюс большая плотность → много исходных зарядов. Для кремния 106 пар/см для M.I.P. • Хорошая подвижность зарядов плюс маленькие размеры → быстрый < 10нс сбор заряда. • Удобство работы с прочным материалом – не нужно ограничивать объем как для газов или жидкостей и можно создавать механически самостоятельно устойчивые конструкции • Хорошо отлаженная производственная база современной электроники • Очень высокая чистота материалов Игорь Алексеев, ИТЭФ Чистый полупроводник M.I.P. Чистый кремний n = p = 1.45·1010 cm-3 3.2·104 пар электрон-дырка на фоне 4.5·108 свободных зарядов Нужно создать p-n переход – обедненную область Игорь Алексеев, ИТЭФ Легирующие добавки Примесь 5-валентного элемента (P,As), n-тип Примесь 3-валентного элемента (B ), p-тип Игорь Алексеев, ИТЭФ p-n переход Игорь Алексеев, ИТЭФ Обедненная зона Игорь Алексеев, ИТЭФ Упрощенная технология Игорь Алексеев, ИТЭФ Типичная схема Развязывающий конденсатор Резистор смещения Смещение Игорь Алексеев, ИТЭФ Защитное кольцо Детекторная сборка 7.5cm 5cm Игорь Алексеев, ИТЭФ Технология отвода проводников Под электронным микроскопом До шага 80 мкм в один ряд и до 40 мкм в два ряда Игорь Алексеев, ИТЭФ SVX4 Входной шум 2000e при емкости 40 пФ Игорь Алексеев, ИТЭФ Сигнал от M.I.P. Игорь Алексеев, ИТЭФ Сигнал/шум Типичное значение S/N =10-20 Игорь Алексеев, ИТЭФ Полупроводниковые дрейфовые камеры Резистивный делитель Игорь Алексеев, ИТЭФ 2D-детекторы – гибридный пиксельный детектор Истинная двумерная структура Высокая плотность треков Много каналов электроники Игорь Алексеев, ИТЭФ Прибор с зарядовой связью (CCD) Истинная двумерная структура Один канал электроники Очень медленное считывание Игорь Алексеев, ИТЭФ Фотодетекторы Фотодиоды p n=i (intrinsic) n h e Квантовая эффективность ~ 80% - спектроскопия Площадь 10÷104 мм2 Нет усиления Лавинные фотодиоды E p h e drift p n Усиление 102÷103 Площадь ~ мм2 Сильная температурная зависимость коэффициента усиления лавина Игорь Алексеев, ИТЭФ Кремниевые фотоумножители (SiPM) Каждая ячейка работает как отдельный Гейгеровский счетчик со своим гасящим сопротивлением Qpixel = DV Cpixel, Cpixel~50fmF Qpixel~150fmC=106e 42m 20m pixel Resistor Rn=400 k -20M Depletion Region 2 m h Al R 50 Substrate Ubias ~50В ~1024 ячейки на площади 1мм х 1мм Чувтсвителен к одиночным фотонам Эффективность: 10-15% Нечувствителен к магнитному полю Маленький размер ~1мм2 Все ячейки дают примерно одинаковые сигналы, независимо от причины возникновения разряда (от фотона, от тепловых шумов) Высокий шум: 2МГц при комнатной температуре, но экспоненциально падает с увеличением порога Разряд одной ячейки может инициировать в 10-20% разряд какой-нибудь другой ячейки (“cross-talk”) Динамический диапазон ограничен числом ячеек Игорь Алексеев, ИТЭФ SiPM сцинтиллятор Светосмещающее волокно MIP Игорь Алексеев, ИТЭФ Германиевые детекторы - -спектроскопия Li + B Для получения детектора большого размера нужна очень маленькая плотность носителей. • Допирование Li+B – компенсация естественных примесей германия. Такой детектор необходимо всегда держать при низкой температуре • Сверхчистый германий. Игорь Алексеев, ИТЭФ Эффект от радиации • Увеличение плотности зарядов → увеличение необходимого напряжения смещения • Увеличение тока утечки → увеличение шума • Уменьшение сигнала за счет уменьшения обедненной зоны и повышения вероятности рекомбинации • Падает отношение сигнал/шум • Типично ток утечки возрастает в 10 раз от дозы 1 кГрей • Наблюдается постепенное частичное восстановление • Охлаждение до 100-200 К • Регулярная замена детекторов • Новые материалы (алмаз, карбид углерода) Игорь Алексеев, ИТЭФ Задачи • С какой точностью можно измерить энергию 1 МэВ частицы, остановившейся в кремниевом детекторе? Без учета шума усилителя и с учетом шума 3000e. • Оценить необходимое напряжение смещения для полного обеднения кремниевого детектора толщиной 400 мкм. Считать концентрацию свободных носителей ~ 1012 см-3. • Типичный ток смещения 10 нА/см2. Оценить (в количестве электронов по входу) шум, создаваемый этим током на выходе усилителя с характерным временем 10 нс для детектора площадью 1 см2. Оценить шум для тока смещения 10 мкА. Оценить шум, создаваемый резистором 1 МОм в цепи смещения. Игорь Алексеев, ИТЭФ
