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:, где F – фактор Фано. Игорь Алексеев, ИТЭФ Потери энергии состоят из одинаковых актов с уменьшением энергии на e и вероятность, что в таком акте возникнет электрон- ионная пара -. Тогда распределение количества пар – биноминальное, для которого: = ·E/e и = ·(1- )E/e = F· Простая модель

Примеры фактора Фано Игорь Алексеев, ИТЭФ

Немного статистики FWHM h/2 FWHM2.355

Игорь Алексеев, ИТЭФ Эффективность Вероятность попадания в детектор n частиц описывается распределением Пуассона: Эффективность детектора: ε = 1 – e -μ

Малошумящие усилители Игорь Алексеев, ИТЭФ Белый шум e na 2 ~нВ 2 /Гц i na 2 ~пА 2 /Гц 1/f шум A f ~ В 2

Шум усилителей Игорь Алексеев, ИТЭФ Для простейшего формирователя из дифференцирующей и интегрирующей цепочек с одинаковой постоянной времени Для усилителя с высоким входным сопротивлением:

Пример зависимости шума от постоянной времени Игорь Алексеев, ИТЭФ

Чем хорош полупроводник? Игорь Алексеев, ИТЭФ Малая энергия ионизации (30 эВ для газовых детекторов) плюс большая плотность много исходных зарядов. Для кремния 10 6 пар/мкм для M.I.P. Хорошая подвижность зарядов плюс маленькие размеры быстрый < 10 нс 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

Чистый полупроводник Игорь Алексеев, ИТЭФ Чистый кремний n = p = 1.45·10 10 cm -3 M.I.P. 3.2·10 4 пар электрон-дырка на фоне 4.5·10 8 свободных зарядов Нужно создать p-n переход – обедненную область

Легирующие добавки Игорь Алексеев, ИТЭФ Примесь 5-валентного элемента (P,As), n-тип Примесь 3-валентного элемента (B ), p-тип

p-n переход Игорь Алексеев, ИТЭФ

Обедненная зона Игорь Алексеев, ИТЭФ

Упрощенная технология Игорь Алексеев, ИТЭФ

Типичная схема Игорь Алексеев, ИТЭФ Развязывающий конденсатор Резистор смещения Смещение Защитное кольцо

Детекторная сборка Игорь Алексеев, ИТЭФ 5cm 7.5cm

Технология отвода проводников Игорь Алексеев, ИТЭФ Под электронным микроскопом До шага 80 мкм в один ряд и до 40 мкм в два ряда

SVX4 Игорь Алексеев, ИТЭФ Входной шум 2000e при емкости 40 пФ

Сигнал от M.I.P. Игорь Алексеев, ИТЭФ

Сигнал/шум Игорь Алексеев, ИТЭФ Типичное значение S/N =10-20

Полупроводниковые дрейфовые камеры Игорь Алексеев, ИТЭФ Резистивный делитель

2D-детекторы – гибридный пиксельный детектор Игорь Алексеев, ИТЭФ Истинная двумерная структура Высокая плотность треков Много каналов электроники

Игорь Алексеев, ИТЭФ Истинная двумерная структура Один канал электроники Прибор с зарядовой связью (CCD) Очень медленное считывание

Фотодетекторы Игорь Алексеев, ИТЭФ p n hehe n = i (intrinsic) Квантовая эффективность ~ 80% - спектроскопия Площадь 10÷10 4 мм 2 Нет усиления Фотодиоды Лавинные фотодиоды p n hehe drift p E лавина Усиление 10 2 ÷10 3 Площадь ~ мм 2 Сильная температурная зависимость коэффициента усиления

Кремниевые фотоумножители (SiPM) Игорь Алексеев, ИТЭФ Resistor R n =400 k -20M ~1024 ячейки на площади 1 мм х 1 мм ~50В Каждая ячейка работает как отдельный Гейгеровский счетчик со своим гасящим сопротивлением Q pixel = V C pixel, C pixel ~50fmF Q pixel ~150fmC= 10 6 e Чувтсвителен к одиночным фотонам Эффективность: 10-15% Нечувствителен к магнитному полю Маленький размер ~1 мм 2 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

SiPM Игорь Алексеев, ИТЭФ MIP сцинтиллятор Светосмещающее волокно

Германиевые детекторы - -спектроскопия Игорь Алексеев, ИТЭФ 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.

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 к Грей Наблюдается постепенное частичное восстановление Охлаждение до 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 ~ см -3. Типичный ток смещения 10 нА/см 2. Оценить (в количестве электронов по входу) шум, создаваемый этим током на выходе усилителя с характерным временем 10 нс для детектора площадью 1 см 2. Оценить шум для тока смещения 10 мкА. Оценить шум, создаваемый резистором 1 МОм в цепи смещения. Игорь Алексеев, ИТЭФ