presentazione progetti gr. v trento - 2012 gian-franco dalla betta disi, universitá di trento infn...
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Presentazione Progetti Gr. V Trento - 2012
Gian-Franco Dalla BettaDISI, Universitá di TrentoINFN – Padova, Gruppo Collegato di TrentoTel.: 0461283904, e-mail: [email protected]
G.-F. Dalla Betta Consiglio di Sezione INFN – PD Padova, 11 Luglio 2011
Progetti TN gr.V 2012
Progetti TN 2012Progetti TN 2012Sigla Titolo Anni Sezioni
Partecipanti
Coordinatore
nazionale
TRIDEAS
(continua)
Development and optimization of silicon detectors with 3-D Electrodes and Active edgeS
2009-2011
(estensione al 2012)
BA, TN, TS-dot.
(+ FBK-irst) e supporto esterno
GE e UD
Gian-Franco
Dalla Betta
(Trento)
HYDE (*)
(nuovo)
HYbrid DEtectors for neutrons
2012-2014 LNL, TN
(+FBK-irst)
Alberto Quaranta
(LNL)
N.B. Si prevede anche una partecipazione a P-SuperB ed ATLAS (Gruppo I)
(*)(*) Evoluzione dei progetti Evoluzione dei progetti ORIONE e TREDIORIONE e TREDI (2005-2008) (2005-2008)
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Progetti TN gr.V 2012
TRIDEATRIDEASS
Obiettivo generale: Sviluppare ulteriormente ed ottimizzare (sia a livello tecnologico che progettuale) rivelatori 3D con bordo attivo, orientati ad upgrade LHC.
Base di partenza: rivelatori 3D e planari con bordo attivo da prog. TREDI
3D con colonne non passanti Planari con bordo attivo
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Progetti TN gr.V 2012
Enormi progressi nell’ultimo anno, ultimati diversi lotti:- 3D con colonne passanti- planari con bordo attivo- 3D con colonne passanti e bordo sottile
Fabbricazione @ FBK-irstFabbricazione @ FBK-irst
208 µm
~11 µm
~5 µm
~50 µm
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Progetti TN gr.V 2012
Caratterizzazione elettricaCaratterizzazione elettricaOttimizzazione del processo in termini di corrente di leakage
(effetti di stress meccanici – bowing) e tensione di breakdown (da correlare a dose p-spray)
new
old
old
new
Buone caratteristiche elettriche e resa anche su rivelatori di grande area
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Progetti TN gr.V 2012
OLD, High p-spray, Low Breakdown
NEW, Lower p-spray, Higher Breakdown
CUTS
• First test with old process:• High p-spray dose, low breakdown (30V)• No signs of current injection up to the 5th cut
• Second test with new process:• Lower p-spray, higher breakdown (>50V)• Similar results in terms of current injection• Edge area can be reduced to ~100 um[M. Povoli iWoRID2011, Zurich, 3-7 July 2011]
Bordo sottileBordo sottile
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Progetti TN gr.V 2012
Caratterizzazione funzionaleCaratterizzazione funzionaleSr90, 10 TOT at 40ke Am241, 10 TOT at 20ke
• Misure in laboratorio con sorgenti radioattive beta e gamma• 100% di efficienza di raccolta di carica gia’ a bassa tensione (15V) • Basso rumore (140 -180 elettroni rms) nonostante alta capacita’
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Progetti TN gr.V 2012
Test beam CERN, June 2011, irradiated sensors
P-2e15/cm2, 15Efficiency=99.8%
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Progetti TN gr.V 2012
Piano attività 2011-2012Piano attività 2011-2012
Completamento caratterizzazione rivelatori 3D con bordo sottile del primo lotto
Confronto con simulazioni TCAD Revisione del progetto/layout e fabbricazione
secondo lotto Caratterizzazione elettrica e funzionale rivelatori
3D secondo lotto Test di irraggiamento e beam test al CERN sui
migliori rivelatori del secondo lotto
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Progetti TN gr.V 2012
Neutron detectors with good spatial, temporal and Neutron detectors with good spatial, temporal and energy resolution are neededenergy resolution are needed
Silicon based detectors proposed so far (for thermal neutrons) Silicon based detectors proposed so far (for thermal neutrons) reached about 5% of efficiency; indirect silicon detector are limited reached about 5% of efficiency; indirect silicon detector are limited by the range of reaction products or recoil protonsby the range of reaction products or recoil protons
HYDEHYDEGoalGoal: Production of hybrid scintillator-3D silicon : Production of hybrid scintillator-3D silicon detectors for the detection of fast and thermal detectors for the detection of fast and thermal
neutronsneutrons
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Progetti TN gr.V 2012
State of art: ORIONEState of art: ORIONE
Sample yield
(% EJ-212)
yield
(% EJ-212)
yield
(% EJ-254)
yield
(% EJ-254)
no B 65 ± 16 74 ± 15 - -
B 4% 44 ± 13 49 ± 12 66 ± 22 69 ± 16
B 6% 40 ± 14 48 ± 11 64 ± 24 62 ± 15
B 8% 37 ± 13 41 ± 17 54 ± 17 57 ± 11
Sample without B has a yield similar to EJ-212 Increasing the amount of B does not affect the scintillation yield.
New polysiloxane (PS) based scintillators
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Progetti TN gr.V 2012
High radiation hardness with respect to commercial plastic scintillators (unaffected up to 40 KGy)
Synthesis based on liquid resins giving scintillators with different shapes and dimensions (good for hole filling)
ORIONE (2)ORIONE (2)
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Progetti TN gr.V 2012
Bulk
Guard ring
10x10 holes matrix
Single column 3D diodes:• Low depletion voltage and leakage current• Excellent process yield• Two-phase response time:
- fast (electron) and slow (hole) component
• Radiation hardness up to ~1e15cm-2
(~20:1)
-
State of art: TREDIState of art: TREDI
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Progetti TN gr.V 2012
New hybrid 3D detectors for neutronsNew hybrid 3D detectors for neutrons
3D silicon detector
PS scintillator
Impinging neutron
Reaction products
Scintillation
Hybrid detectors obtained by pouring polysiloxane scintillators into 3D silicon detector cavities
Increase of the active interaction volume for neutron, giving higher detection efficiencies
2D spectroscopic detection of fast neutrons2D detection of thermal neutrons by doping the PS
scintillator.
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Progetti TN gr.V 2012
• New hole aspect ratio with respect to the former 3D:From ~20:1 to ~1:1 for increasing the active volume. Easier etching treatment but less control on the surface topography (problems with lithography after etching). Tests on the mechanical hardness of the structure.• DRIE: Vertical walls. Doping only by thermal diffusion giving deep profiles with low efficiency to scintillation photons (390-450 nm).
Challenges with 3D structuresChallenges with 3D structures
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Progetti TN gr.V 2012
First approach for a hybrid systemFirst approach for a hybrid system
3D silicon detector
PS scintillator
APD/SiPM
Coupling of the hybrid system to a multiplication photodetector for the detection of the scintillation light.
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Progetti TN gr.V 2012
• Integration of avalanche photodiodes (APD) in 3D structures.
Ion implantation for tailoring the doping profiles.TMAH wet etching giving 54 inclined walls and ion implantation for fixing the breakdown voltage
Multiplication (from 10x up to 100x) of the carriers generated by the scintillation light.
Impiantazioneaggiuntiva p+
Contatto ohmico p+
Impiantazionegiunzione n+sottile
Interfaccia ossido/silicio
Scintillatore
Advanced approach: 3D APD diodesAdvanced approach: 3D APD diodes
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Progetti TN gr.V 2012
Tests (,, fast and thermal n) on the light
yield of PS scintillator by coupling scintillating films
with an APD detector
Monte Carlo analysis of the production of scintillation
light and reaction/recoil products for optimizing the cavity
geometry.
TCAD simulation and design of 3D detectors
Fabrication and preliminary tests of 3D detectors
Tests for the detection of reaction products with hybrid
structures.
Workplan : 2012Workplan : 2012
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Progetti TN gr.V 2012
20120133Assembly and tests of the hybrid detector coupled
to an external APD detector. Efficiency and signal analysis (n/ discrimination)
TCAD simulation, design and fabrication of the integrated
3D-APD detector
Electronic set-up and testing for the 3D-APD detector
Realization of the 3D-APD hybrid detector with polysiloxane scintillator
Neutron detection tests with the 3D-APD hybrid detector: efficiency and signal analysis
20120144
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Progetti TN gr.V 2012
Riassunto FTE 2012Progetto \ Persona Ruolo TRIDEAS HYDE
Gian-Franco Dalla Betta PA 40% (resp) 20% (resp)
Giovanni Verzellesi PO 50% ---
Giorgio Fontana TC. EP 50% 50%
Marco Povoli Dott. 30% ---
Leo Huf Campos Braga Dott. 50% 50%
Michele Benetti Dott. --- 50%
Ekaterina Panina Dott. --- 30%
Totale FTE per progetto 2.20 2.00
N.B. Altri 2.8 FTE impegnati su progetti di Gruppo I+ due nuove associazioni da fare entro fine anno
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Progetti TN gr.V 2012
Riassunto richieste 2012Progetto \ Voce TRIDEAS HYDE
Missioni interne:
- riunioni tecniche e di coordinamento, attivita’ di test presso LNL
1.0 1.5
Missioni estero:- riunione tecniche con partner stranieri
(Univ. Manchester/Univ. Praga)- Test di irraggiamento (Karlsruhe, Lubiana)
---
1.5
2.0
---
Consumabili:-Materiali x Laboratorio:
probes, componentistica elettronica, PCB, connettori, supporti, laser, etc. - Fabbricazione 1 lotto sensori 3D@ FBK-irst
(prezzo convenzione @ 2200 Euro/lito eq.)
1.5
---
1.5
15.4
Totale (k€) 4.0 20.4