LHC : Beispiel CMS CMS Innerer Detektor Pixeldetektor

Präsentation zum Thema: "LHC : Beispiel CMS CMS Innerer Detektor Pixeldetektor"—  Präsentation transkript:

0 Strahlenschäden bei Silizium-Halbleiterdetektoren
Unai Fischer Abaigar Betreuer: Markus Gabrysch, Michael Moll Strahlenschäden bei Silizium-Halbleiterdetektoren Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt CERN Oktober 2012

1 LHC : Beispiel CMS CMS Innerer Detektor Pixeldetektor
Durch die räumliche Nähe zum Kollisionspunkt sind die Detektoren starker Strahlung ausgesetzt. Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 1

2 Pixel und Streifen Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 2

3 Verschlechterung des Detektorsignals
Pixel: max. fluence(LHC) fluence: Anzahl der bisherigen Teilchen pro Flächeneinheit ( 𝑐𝑚 2 ) Streifen: max. fluence(LHC) Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 3

4 Verschlechterung des Detektorsignals: Luminositätsupgrade
Pixel: max. fluence(LHC); max. fluence(sLHC) fluence: Anzahl der bisherigen Teilchen pro Flächeneinheit ( 𝑐𝑚 2 ) Streifen: max. fluence(LHC); max. fluence(sLHC) Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 4

5 Funktionsprinzip Halbleiterdetektor
Ziel ist es, mit möglichst genauer Auflösung Teilchenbahnen zu messen. Ionisierende Strahlung erzeugt im Detektor Elektronen-Loch Paare, die wandern und einen Strom induzieren. Elektronen-Loch Paare? Grundsätzlich ist ein solcher Detektor nichts anderes als eine Diode in Sperrrichtung. Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 5

6 Dotierung Leitungsband Bandlücke = 1.1 eV Si Valenzband
Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 6

7 n-Dotierung Leitungsband Valenzband
Si P Leitungsband Valenzband Wort fehlt! Durch die Verunreinigung des Siliziums, wird ein Zwischenniveau in der Bandlücke eingefügt. Es wird wahrscheinlicher, dass ein Elektron auf das Leitungsband kommt. Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 7

8 p-Dotierung Leitungsband Valenzband Positive Löcher B Si
Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 8

9 pn-Übergang Spannung Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 9

10 pn-Übergang (mit Spannung)
Durch Anlegen einer Spannung, lässt sich die Verarmungszone vergrößern. Die Spannung die benötigt wird, um den ganzen Detektor zu verarmen, heisst „Depletion Voltage“. Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 10

11 Test-Detektoren n Diese Detektoren dienen nur zum Testen, sie werden nicht verbaut. Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 11

12 Strahlenbelastung: „charge trapping‘
Beim Wandern durch den Detektor, werden manche Ladungsträger in Störstellen eingefangen. Nach einiger Zeit werden diese wieder freigegeben („detrapping“). Alle 25ns wird die Ladung ausgelesen -> detrapping braucht länger. Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 12

13 Aufbau Abschliessende Box Laser (rot, infrarot) Detektor Hochspannung
Kühlung Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 13

14 Aufbau Abschliessende Box Laser (rot, infrarot) Detektor Hochspannung
Kühlung Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 14

15 Aufbau Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 15

16 Aufbau Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 16

17 Infrarot Messung Trigger für Laser (Oszilloskop)
Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 17

18 Messung mit Infrarotlaser
Beispiel Photodiode Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 18

19 Messung mit Infrarotlaser
Beispiel bestrahlter Detektor Spannung: -50V charge trapping Bei der Messung wurden Temperatur, angelegte Spannung und Dauer des Laserpuls variiert. Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 19

20 Annahme Strom proportional zu n
Fitten mit „Matlab“ 10 Messungen übereinander 𝑑𝑛 𝑑𝑡 =− 𝑛 𝜏 𝑛 𝑡 =𝐴∙ 𝑒 (− 𝑡 𝜏 ) Annahme Strom proportional zu n 𝐼 𝑡 =𝑎∙ 𝑒 (− 𝑡 𝜏 ) Versuch eine Funktion für die Beschreibung des ‚detrapping‘ zu finden. (Unter Annahme eines exponentiellen Abfalls). Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 20

21 Fazit... Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 21