RIVELATORI A STATO SOLIDO A GUADAGNO

INTERNO

Gabriele ChiodiniIstituto Nazionale di Fisica Nucleare

Sezione di Lecce

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Corso di Laurea Magistrale in Fisica dell’Università del Salento

Anno accademico 2018-2019 II Semestre

(49 ore, 7 CFU)

Metodi Sperimentali di Fisica Nucleare e Subnucleare G. Chiodini - 2019/12

Sensore di fotoni di luce

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1. Effetto PE esterno: • Rivelatori a gas : senza emissione in vuoto • Rivelatori in vacuum : con emissione in vuoto

Vantaggio : basso conteggio di buio Svantaggio: bassa efficienza (~20%)2. Effetto PE interno:

• Rilevatori a stato solido a moltiplicazione interna Vantaggio : alta efficienza (50-80%) Svantaggio: alto conteggio di buio, alta fluttuazione in ampiezza e tempo

In Fisica delle alte energie per sensori di fotoni di luce si intende un dispositivo capace di rilevare da uno (singolo fotone) a qualche decina a centinaia (non sono fotosensori)

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APD: Avalanche Photo Diode

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Diodo PIN (P-Intrinsic-N)• Strato p molto sottile perchè la luce è subito assorbita dal Silicio• Guadagno = 1• Alta efficienza quantistica QE=80% (𝜆=700nm)

APD• Alta tensione di svuotamento = 100 V• Drogaggio p con un profilo particolare per ottenere un elevato campo elettrico E>105V/cm

e ottenere la moltiplicazione a valanga• Guadagno ~ 100

• Elevata fluttuazione del guadagno evento per evento.

• Alta sensibilità a bias dG/dV = 3.1%/V e temperatura dG/dT=-2.4%/K

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Excess Noise Factor=ENF

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Il noise è dominato dalla fluttuazione del guadagno perchè la moltiplicazione a valanga è di per se un processo statistico e la situazione peggiore se la moltiplicazione coinvolge portatori che si muovono in direzioni opposte.

Nella referenza [R.J. McIntyre, IEEE Tr. ED-13 (1972) 164] si dimostra che ENF = k·G+(1-k)(2-1/G) dove G=coefficente di moltiplicazione mediak-factor= 𝛽h/𝛼e < 1

Coeff. di ionizzazione secondaria elettroni = 𝛼e > 𝛽h = Coeff. di ionizzazione secondaria lacuneper k=0 EFN=2-1/G → 2 per G→∞

Basso guadagno G<1/k Alto guadagno G>1/k

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Geiger Mode APD=GM-APD

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Non è possibile raggiungere la sensibilità di singolo fotone con un guadagno inferiore a qualche migliaio (è necessario un segnale di diverse migliaia per poterlo rilevare con un amplificatore).Un aumento del guadagno comporta un aumento di ENF al punto tale di rendere il dispositivo inutilizzabile.La rivelazione di singolo fotone si raggiunge operando l’APD in Geiger Mode.Cioè si aumenta la tensione di bias al punto tale che le valanghe secondarie (dovute ai fotoni emessi dalle valanghe primarie) determinino un guadagno infinito (valanga Geiger).Questo fenomeno è simile alla scarica che si verifica nei rivelatori gas a filo (meccanismo di generazione di Townsend) ed analogamente a questi è necessario un meccanismo di QUENCHING della scarica.Il QUENCHING è determinato dalla resistenza di bias RQ che riduce la tensione di bias non appena avviene la scarica azzerando il guadagno.

Il dispositivo funziona come un interruttore ON-OFF e qualsiasi informazione relativa al numero di fotoni è perso.Ciclo ON-OFF: fotone triggera la valanga Geiger, la resistenza di quenching azzera il guadagno, la tensione di bias viene ripristinata ed il dispositivo è di nuovo attivo

valanga veloce perchè confinata 10-100ps=𝜏Geiger << 𝜏Quenching ~ RQCD determinato dal circuito elettrico

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Caratteristiche del segnale di un GM-APD

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Segnale della valanga veloce perchè confinata in un piccolo spazio 𝜏Geiger=10-100ps

Costante di tempo di decadimento del segnale più lento e determinato dal circuito 𝜏Quenching ~ RQCD

Guadagno in termini di carica nel circuito esterno è determinato dall’overvoltage e dalla capacità del rivelatore CD.

• G ~ 105 -106 a bias voltage <100 V• Dipendenza dG/dT e dG/dV simile e

critica come per APD.

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MultiCell-GM-APD=SiliconPM=SiPM

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• I SiPMis sono una matrice di tanti piccoli GM-APD connessi in parallelo su un subtrato comune• Ogni cella ha una resistenza di quenching indipendente (da 100kΩ a qualche MΩ)• Una tensione di bias comune è applicata a tutte le celle con una valore circa il 10-20% sopra la

tensione di breakdown voltage.• Le celle sono triggerate da fotoni indipendentemente• L’impulso di uscita è proporzionale alla somma analogica degli impulsi prodotti dalle celle

individualmente • Per impulsi di luce non troppo intensi (Nγ<<Npixels) il SiPM lavora come un ottimo rivelatore di

fotoni analogico.

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SiPm

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Ogni produttore ha dato un nome diverso ai vari APD e SiPm: MRS APD, MAPD, SiPM, SSPM, MPPC, SPM, DAPD, PPD …

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Proprietà dei SiPm

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• ENF=1+𝜎G/G → per V-Vb>>1V → 𝜎G/G~10% → ENF=1.1 ma il cross-talk ottico può far si che ENF>>1

• Uniformità di guadagno pixel-to-pixel• Pixel cross-talk ottico → contribuisce alle fluttuazioni del guadagno e quindi al ENF• After-pulse dovuto a cariche intrappolato durante la scarica e rilasciate dopo il ripristino

della tensione di bias (dopo circa 100 ns)→ contribuisce al noise e quindi al ENF• Efficienza di rivelazione del singolo fotone (PDE)• Geometric factor o fill factor• Probabilità di triggerare una valanga Geiger (sempre maggiore per elettroni rispetto alle

lacune)• Conteggi di buio o Noise Rate dovuto all’agitazione termica dei portatori:

G=106 e THRpixel=1 Noise Rate=1MHz G=106 e THRpixel=10 Noise Rate=100Hz

• Eccezionale risoluzione temporale fino a 20 ps.• Linearità e range dinamico

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Efficienza e linearità dei SiPm

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La linearità del SiPm per una illuminazione uniforme è data da:

Efficienza di rivelazione di un fotone è determinato da diversi parametri: PDE (λ, V,T) =<Npe>/ <Nγ>= QE(λ, T)·Gf·Pb(λ,U,T)

V = tensione di over breakdown o overvoltageQE = Quantum efficiencyGf = Geometric factorPb = Probabilità di triggerare una valanga Geiger da parte di un fotoelettrone

Nphoton = numero di fotoni incidenti sul SiPmNtotal = numero di celle esposte alla illuminazione uniformeNfirecells = numero di celle che hanno avuto una scarica Geiger

Compito per casa: dimostrare questa formula

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Applicazioni in HEP

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La tecnologia SiPM non era abbastanza matura per LHC ( cioe’ 10-20 anni fa).

Comunque i SiPM fanno parte del R&D per l’upgrade di LHC.

Le applicazioni più ovvie sono per la lettura di scintillatori e fibre scintillanti ma è stata dimostrata anche la capacità di rilevare luce Cherenkov. • Il primo e grande esperimento è T2K (scintillator tracker + ECAL) ~ 65k SiPMs.

• CMS li vuole impiegare nell’upgrade di HCAL barrel (SiPMs rimpiazzano i HPDs).

• LHCb sta studiando un SciFi tracker per rimpiazzare le strip di silicio e le straw tubes ~ 300k SiPMs

La collaborazione CALICE di ILC (International Linear Collider) vuole costruire un prototipo di HCAL e ECAL basato su piccole piastrelle di scintillatore (~8k SiPMs).

• La collaborazione del rivelatore per CLIC studia unECAL W/scint (~100k SiPMs).

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Low Gain Avalanche Diode=LGAD

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Rivelatori al Silicio con elevata rioluzione temporale per MIP (Particelle al minimo di ionizzazione):- Sottili → veloce tempo di raccolta

𝜏 = spessore/velocità di saturazione lacune = 10um / 80 (um/ns)=125ps

- Quadagno moderato → Trascurabile ENF → Ottimo Rapporto Segnale/Rumore- Risoluzione temporale 10 ps → Rapporto Segnale/Rumore=12.5

Apparentemente simile a APD ma molto diverso:

• No rivelatore di fotoni ma di MIP• No separazione in celle della zona

attiva → fill factor=1• Spessore del catodo non critico

Usati nell’upgrade di ATLAS di Fase II come rivelatore di timing ad alta granularità in avanti per separare i vertici primari delle interazioni mediante il TOF delle tracce