Ανιχνευτές Στερεάς Κατάστασης

Transcript

1 Ανιχνευτές Στερεάς Κατάστασης Στα μέταλλα μια ζώνη είναι μερικά γεμάτη. Στους ημιαγωγούς η ζώνη σθένους είναι σχεδόν γεμάτη και η ζώνη αγωγιμότητας είναι σχεδόν άδεια.

2 Ανιχνευτές Στερεάς Κατάστασης Διέγερση ημιαγωγού Ένα ηλεκτρόνια από εξωτερικό φλοιό μεταπηδά σε κάποια κενή θέση και ελευθερώνει ένα ηλεκτρόνιο από τον εξωτερικό φλοιό. S (W )Δ WF W 1 2 ι W WF ω P (W ) exp κ kt ϊϋ λ = Fermi Level = η ενέργεια όπου P(W)=1/2

3 Ανιχνευτές Στερεάς Κατάστασης Παίρνουμε ένα κρύσταλλο από Si mm3 Ge Si αγωγιμότητα 0.49 Ωm ~100 Ωm στους 300K λόγω προσμίξεων ελεύθεροι φορείς Ένα MIP παράγει e-h ζεύγη

4 Ανιχνευτές Στερεάς Κατάστασης

5 Ανιχνευτές Στερεάς Κατάστασης Παίρνουμε ένα κρύσταλλο από Si mm3 Ge Si αγωγιμότητα 0.49 Ωm ~100 Ωm στους 300K λόγω προσμίξεων ελεύθεροι φορείς Ένα MIP παράγει e-h ζεύγη Πρέπει να μειώσουμε τον αριθμό των ελεύθερων φορέων. Freeze out: Mobility, µ, conductivity, σ, πλειοψηφία [δώτες (e) δέκτες (holes)] και μειοψηφία [δώτες (holes) δέκτες (e)] συγκέντρωσης φορέων ως συνάρτηση της θερμοκρασίας. ni η ενδογενής πυκνότητα φορέων. Ή προσμίξεις

6 Ανιχνευτές Στερεάς Κατάστασης Τα ηλεκτρόνια στο Si: K 2 L 8 M μοριακός δεσμός 8 Eg 1 ev Ημιαγωγός με προσμίξεις. n-type P, As, Sb 5 ηλεκτρόνια στον M-φλοιό 1 ηλεκτρόνιο με ενέργεια σύνδεσης mev p-type B, Al, Ga 3 ηλεκτρόνια στον M-φλοιό λείπει 1 ηλεκτρόνιο

7 Ανιχνευτές Στερεάς Κατάστασης p n Επαφή p-n χωρίς τάση: - Μέγιστο ηλεκτρικό πεδίο στο όριο μεταξύ των ζωνών p και n. - καθαρή ζώνη πρόσμιξης. D. A. Fraser, The physics of semiconductor devices

8 Ανιχνευτές Στερεάς Κατάστασης

9 Ανιχνευτές Στερεάς Κατάστασης p doped Equilibrium Forward Bias X i Reverse Bias X i n doped Hole current p Electron current n

10 Ανιχνευτές Στερεάς Κατάστασης

11 Ανιχνευτές Στερεάς Κατάστασης p doped n doped Equilibrium Hole current Forward Bias X i p Electron current n Depletion region Reverse Bias X i Χωρητικότητα Περιοχή πρόσμιξης p C (Vε) = X = A X 2εV en N : #Δώτες X : Πάχος περιοχής πρόσμιξης n

12 Ανιχνευτής Si p, q, β

13 Ανιχνευτής Si DELPHI Vertex Detector Διασπάσεις B

14 Ανιχνευτής Pixel O.Ullalan d CER N 2005

15 Σπινθηριστές

16 Σπινθηριστές Η λειτουργία των σπινθηριστών στηρίζεται στην ιδιότητα ορισμένων υλικών φωτεινότητας (luminescence) όταν εκτεθούν σε κάποια μορφή ενέργειας (φως, θερμότητα, ραδιενέργεια) να απορροφηθούν και να επανεκπέμπουν την ενέργεια υπό μορφών ορατών φωτονίων. Αν επανεκπομπή ενέργειας άμεσα (10-8 s) φθορισμός (fluorescence) Αν καθυστέρηση επανεκπομπής φωσφορισμός (phosphorescence) H χρονική εξέλιξη της διαδικασίας επανεκπομπής περιγράφεται από: No tτ/ d N = e τd Ν = αριθμός φωτονίων που εκπέμπονται σε χρόνο t Νο = ολικός αριθμός εκπεμπομένων φωτονίων τd = σταθερά αυτοδιέγερσης, αντιστοιχεί στο χρόνο που απαιτείται για την εκπομπή 1-e-1 = 63% φωτονίων.

17 Σπινθηριστές θωράκιση σιδήρου από Β πεδίου (μ-μέταλλο-μεγάλη διαπερατότητα) Βάση Τροφοδοσίας Σπινθηριστής Φωτοπολλαπλασιαστής (PMT) Ακτινοβολία (εδώ, ακτίνες-γ) εναποθέτουν ενέργεια στο σπινθηριστή, προκαλούν μια περιοχή διέγερσης. Η αποδιέγερση δημιουργεί φωτόνια, τα οποία αφού κτυπούν τη φωτο-κάθοδο του ΦΠ δημιουργούν φωτο-ηλεκτρόνια. Τα φωτο-ηλεκτρόνια πολλαπλασιάζονται και δημιουργούν ένα παλμό ρεύματος στην άνοδο.

18 Σπινθηριστές

19 Σπινθηριστές Σπινθηριστής + ΦΠ+BT = ανιχνευτής intensity (a.u.) Stokes shift hνex > hνem Πως δουλεύει; 200 απώλεια ενέργειας e.g. γ μετατροπή ενέργειας I(E) = I0(E)e-µx Energy Excitation wavelength (nm) εκπομπή Conduction band Valence band excitation rad. emission Eg rad. emission band gap excitation Conduction band Valence band

20 Σπινθηριστές Τα κατάλληλα υλικά σπινθηρισμού καλύπτουν τις παρακάτω απαιτήσεις: Υψηλή απόδοση μετατροπής της διεγείρουσας ενέργειας σε ακτινοβολία φθορισμού. Διαφάνεια στο ορατό φως. Εκπομπή του ορατού φωτός σε φασματική περιοχή που αντιστοιχεί στην περιοχή φασματικής απόκρισης του ΦΠ. Μικρή σταθερά αποδιέγερσης. Χρησιμοποιούνται 6 τύποι υλικά: Οργανικοί κρύσταλλοι Οργανικά υγρά Πλαστικά υλικά Ανόργανοι κρύσταλλοι Αέρια Γυαλιά

21 Ανόργανοι Σπινθηριστές Συνήθως είναι αλκαλικές ανώσεις με αλογόνα που περιέχουν μικρή πρόσμιξη ενεργοποιητού. ενεργοποιητού ΝαΙ + πρόσμιξη Θαλίου (Tl), CsI (Tl), CsF2, CsI (Na), KI (Tl), LiI (Eu) Μη- Αλκαλικοί κρύσταλλοι: Βι4 Ge3 O12 (BGO), BaF2, ZnS(Ag), CaWO4 Χρόνος απόκρισης: Αργός ~ 500 ns Βασικό μειονέκτημα: Υγροσκοπικότητα πλην τοy CsI (Tl) Φυσικές Ιδιότητες: Υψηλή πυκνότητα Ακτίνες-γ, ενεργά ηλεκτρόνια (κατάλληλοι για ανίχνευση) BGO: αποκτά ιδιαίτερο ενδιαφέρον λόγω υψηλού Ζ και μεγαλύτερης απόδοσης για φωτοηλεκτρική μετατροπή των ακτίνων-γ. (3 με 5 φορές μεγαλύτερη απόδοση από NaI). ΒαF2: έχει μια ταχύτατη συνιστώσα φωτός στο υπεριώδες (UV) χρόνο αποδιέγερσης ~ 500 ps έξοδος φωτός χαμηλή.

22 Ανόργανοι Σπινθηριστές Ο πιο διαδεδομένος ανόργανος σπινθηριστής είναι το NaI(Tl). Οι ενεργειακές ζώνες σε ένα κρύσταλλο με προσμείξεις

23 Ανόργανοι Σπινθηριστές * Ισχυρή εξάρτηση της απόδοσης φωτός και της σταθεράς αποδιέγερσης από τη θερμοκρασία. * Bismuth germinate Bi4Ge3O12

24 Ανόργανοι Σπινθηριστές Υγροποιημένα ευγενή αέρια: LAr, LXe, LKr Βρίσκουμε 2 σταθερές αποδιέγερσης : από μερικά ns μέχρι 1 µs.

25 Απορρόφηση Φωτονίων YAP:Ce * Η ένταση, I, μιας δέσμης ακτίνων γ καθώς περνά ένα στόχο πάχους d Linear attenuation coefficient (cm-1 ) I = I 0e μd όπου Energy (MeV) * YAP (Yttrium Aluminium Provskite YAlO3 ) crystals µ οι 3 διαδικασίες: Z4 εως Z5 Photoel. Abs. Compton scatt. Z Pair production Z2

26 Ανόργανοι Σπινθηριστές Scintillator composition Density (g/cm3) Index of refraction Wavelength of max.em. (nm) Decay time Constant (µs) Scinti Pulse height1) Notes NaI(Tl) ) CsI ) CsI(Tl) ) CaF2(Eu) BaF / , BGO CdW PbWO CeF GSO LSO YAP ) Relative to NaI(Tl) in %; 2) Hygroscopic; 3) Water soluble

27 Κρύσταλλοι Αυτοί οι κρύσταλλοι παράγουν φως light! PWO BaF2 CeF3 Κρύσταλλοι είναι τα υλικά για ηλεκτρομαγνητικά καλορίμετρα για να έχουμε ακρίβεια στις μετρήσεις PWO LuAP

28 Οργανικοί Σπινθηριστές Οι οργανικοί σπινθηριστές είναι αρωματικές ενώσεις υδατανθράκων που περιέχουν συνδεδεμένες δομές βενζοϊκών δακτυλίων. Βραχύτατος χρόνος αποδιέγερσης ~Χ.ns Το φως σπινθηρισμού στις ενώσεις αυτές προέρχεται από εκπομπές των ελευθέρων ηλεκτρονίων σθένους των μορίων. Βενζόλιο C6H6 Λίγη Χημεία Απλός Δεσμός = δεσμός Σ Δεσμός Π Διπλός Δεσμός = 1 Σ + 1 Π δεσμός

29 Οργανικοί Σπινθηριστές Πολλές από τις ιδιότητες των οργανικών μορίων, πχ το βενζόλιο, οφείλονται στα μοριακά τροχιακά. Αν έχουμε άτομα νε παράλληλες τις p ατομικές τροχιές μπορούμε να πάρουμε πολλούς δεσμούς τύπου Π προσθέτοντας ή αφαιρώντας τα. Υπάρχουν 6 π ηλεκτρόνια στο βενζόλιο που γεμίζουν 3 Π δεσμούς στα μοριακά τροχιακά. Επιπλέον συνδυάζοντας τις p τροχιές του άνθρακα δίνουν 3 antibonding molecular orbitals. Τα π ηλεκτρόνια είναι η βάση του σπινθηρισμού. Είναι κβαντισμένα σε singlets Sij και triplets Tij

30 Οργανικοί Σπινθηριστές Ενεργειακά επίπεδα των π ηλεκτρονίων ~10-11 sec Φθορισμός (Fluorescence) sec Με μέγιστη εκπομπή ~ 320 nm non-radiative transition ~ 10-6 sec Φωσφορισμός (Phosphorescence) 10-4 sec

31 Οργανικοί Σπινθηριστές Οι οργανικοί σπινθηριστές χρησιμοποιούν ένα διαλύτη + μεγάλη συγκέντρωση πρωταρχικού φθοριστή + μικρότερη συγκέντρωση δευτερεύοντος φθοριστή +... intensity (a.u.) Stokes shift hνex > hνem 200 Το μήκος κύματος που εκπέμπεται είναι πάντα μεγαλύτερο ή ίσο με το μήκος του προσπίπτοντος φωτός. Η διαφορά απορροφάται ως θερμότητα από την ατομική δομή του υλικού wavelength (nm)

32 Πλαστικοί Σπινθηριστές Σχετική απόδοση φωτός Οι σπινθηριστές με την πλέον ευρύτατη χρήση στην ΦΥΕ: Πολύ-βινυλο-τολουόλιον Πολύ-φαινυλο-βενζόλιο Πολύ-Στυρένιο ΝΕ102Α ΝΕ ΝΕ μήκος κύματος (nm) Ιδιαίτερα ταχείς χρόνοι αποδιέγερσης: 2-5 ns Υψηλή απόδοση φωτός εξόδου με κατανομή: N (t ) = Nofσ( t, e) tτ/ d, σχέση Bengston-Moszynski f(σ,t) = gaussian με τυπική απόκλιση: Σπινθηριστής NE102A NE111 σ (ns) τ (ns) Εύχρηστοι, Εύχρηστοι σε ποικίλα σχήματα και μορφές, παράγονται σε φύλλα (λεπτά υμένια), μέχρι τεράστια φύλλα, μεγάλα κομμάτια, κυλινδρικούς, κλπ. Ευαίσθητοι σε οργανικούς διαλύτες, οξέα, ιδρώτας, κλπ.

33 Photon Detectors Κύριοι τύποι photon detectors: gas-based vacuum-based solid-state hybrid Κατώφλι Photoemission Wph διαφόρων υλικών Ultra Violet (UV) Visible Infra Red (IR) GaAs TMAE,CsI Bialkali Multialkali TEA E [ev] λ [nm]

34 Φωτοηλεκτρικό Φαινόμενο Διαδικασία 3-βημάτων: Τα απορροφούμενα γ μεταφέρουν ενέργεια στα ηλεκτρόνια (e) του υλικού. Ενεργειακά e διαχέονται στο υλικό χάνοντας μέρος της ενέργειάς τους. e φτάνουν στην επιφάνεια με αρκετή ενέργεια ώστε να ξεφύγουν Η ιδανική φωτοκάθοδος (PC) πρέπει να απορροφά όλα τα γ και να εκπέμπει όλα τα παραγόμενα e. Semi-transparent PC Optical window γ e - Vacuum Opaque PC Substrate e- γ e- Energy-band model in semi-conductor PC γ energy Eγ h Band gap EG (Photonis) Eγ = hν > W ph = EG + E A Photoemission threshold Wph Electron affinity EA

35 Quantum Efficiency ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΑΠΟΔΟΣΗ (quantum efficiency) σε μήκος κύματος λ, που είναι ο αριθμός των φωτοηλεκτρονίων που εκπέμπονται από την φωτοκάθοδο με την πρόσπτωση ενός γ: αριθμός φωτοηλεκτρονίων η (λ ) = % αριθμός φωτονίων στην κάθοδο

36 Quantum Efficiency Photon energy Eγ (ev) GaAsP 1.13 GaAs Ag-O-Cs CsTe (solar blind) Bialkali Multialkali (Hamamatsu) Bialkali: SbKCs, SbRbCs Multialkali: SbNa2KCs (alkali metals have low work function)

37 Φωτοπολλαπλασιαστής (PMT) Anode Photo Cathode Dynodes Photon-to-Electron Converting Photo-Cathode Gδ= Dynodes με δευτερεύουσα εκπομπή ηλεκτρονίων n G = f ( gδ ) n Τυπική ενίσχυση 106. Transient time spread 200 ps f = ικανότητα συλλογής ηλεκτρ. από δυνόδους g = συντελ. μεταφοράς ηλεκτρ. δύνοδο-δύνοδο Ο συντελεστής δ αυξάνεται με την αύξηση του δυναμικού Vd ανάμεσα στις δυνόδους: δ = k Vd Ολικό δυναμικό: Vb = nvd = n G 1/n O.Ullalan d CER N 2005

38 Φωτοπολλαπλασιαστής (PMT) Δευτερεύουσα εκπομπή: σχεδόν το ίδιο με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Ένα ηλεκτρόνιο προσκρούει μεταφέρεται ενέργεια στα ηλεκτρόνια του υλικού της δευτερεύουσας εκπομπής έτσι ώστε ενας αριθμός από αυτά να ξεφεύγει. Μονωτές και ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται γι αυτό το σκοπό. Υλικά που χρησιμοποιούνται είναι: Ag/Mg, Cu/Be και Cs/Sb. Επίσης χρησιμοποιούνται ηλεκτραρνητικά υλικά GaP. Χρόνος πτήσης ηλεκτρονίων από φωτοκάθοδο μέχρι 1η δύνοδο ανεξάρτητος του σημείου παραγωγής.

39 Gain fluctuations of PMT s Mainly determined by the fluctuations of the number Poisson distribution: δ mδe Pδ (m ) = m! Standard deviation: σm δ = = δ δ SE coefficient δ m(δ) of secondary e s emitted from the dynodes; 1 δ Ε energy GaP(Cs) dynodes EA<0 fluctuations dominated by 1st dynode gain; (Photonis) Counts Counts SE coefficient δ CuBe dynodes EA>0 1 pe (Photonis) 1 pe 2 pe 3 pe Noise (Photonis) (H. Houtermanns, NIM 112 (1973) 121) Pulse height E energy Pulse height

40 Φωτοπολλαπλασιαστής (PMT) διαιρέτης τάσης Απαιτήσεις: Σταθερότητα τάσης μεταξύ δυνόδων. Αποφυγή ή απόσβεση διακυμάνσεων τάσης. Ελάχιστο μαγνητικό πεδίο αποκλίνει τα ηλεκτρόνια από την τροχιά του μηδενίζεται το ρεύμα

41 Micro Channel Plate (MCP) Continuous dynode chain (Hamamatsu) Pb-glass 2D PMT: + μεγάλη ενίσχυση μέχρι 5 104; + γρήγορο σήμα (transit time spread ~50 ps); + λιγότερο ευαίσθητοι σε B-πεδίο (0.1 T); - Περιορισμένος χρόνος ζωής (0.5 C/cm2); - Περιορισμένες δυνατότητες σε μεγάλους ρυθμούς (µa/cm2); Pore : 2 µm Pitch: 3 µm (Burle Industries)

42 Hybrid Photo Diodes Photo Multiplier Tube βγάζουμε dynodes και anode προσθέτουμε Silicon Sensor Μέσα στον σωλήνα n+ n p+ photocathode Hybrid Photo Diode electron [Kinetic energy of the impinging electron] [work to overcome the surface] Electron-hole pairs = [Silicon ionization energy] ~ electron-hole pairs Καλή ενεργειακή διακριτική ικανότητα focusing electrodes silicon sensor V

43 Water Cherenkov

44 Water Cherenkov Γεγονός μ ένα μιόνιο που σταματά Superkamiokande νμ + N μ + X e - + νeμ + ν Eνμ = 481 MeV Eμ = 394 MeV Ee = 52 MeV

45 Water Cherenkov Γεγονός μ ένα μιόνιο που σταματά SNO -Sudbury Neutrino Observatory νμ + N μ + X e - + νeμ + ν Δύο εικόνες που τραβήχτηκαν με διαφορά Δt = 0.9 μs