World Irradiation Facilities for Silicon Detectors Vladimir Cindro - PowerPoint PPT Presentation

World Irradiation Facilities for Silicon Detectors ¡ Vladimir Cindro Jo ž ef Stefan institute, Ljubljana, Slovenia Vladimir ¡Cindro, ¡Vertex ¡2014, ¡Macha ¡Lake ¡ 1 ¡

Radia:on ¡damage: ¡ ¡ -­‑ Defects ¡in ¡the ¡la-ce ¡(bulk ¡damage, ¡atomic ¡displacement) ¡ -­‑ increase ¡of ¡leakage ¡current ¡ ¡ ¡ -­‑ increase ¡of ¡shot ¡noise ¡ ¡ -­‑ requirements ¡for ¡electronics ¡and ¡power ¡supplies ¡ -­‑ thermal ¡management ¡of ¡detectors ¡ ¡ -­‑ change ¡of ¡effec:ve ¡dopant ¡concentra:on ¡ ¡ -­‑ higher ¡opera:ng ¡voltages ¡ -­‑ breakdowns ¡in ¡high ¡E-­‑field ¡regions ¡ ¡ -­‑ charge ¡mul:plica:on ¡ -­‑ trapping ¡of ¡driIing ¡charge ¡ ¡ -­‑ reduc:on ¡of ¡signals ¡ -­‑ weigh:ng ¡field ¡effects ¡become ¡more ¡important ¡ -­‑ Ioniza;on ¡ ¡ ¡ -­‑ Charge ¡may ¡be ¡trapped ¡on ¡deep ¡traps ¡(charging) ¡in ¡insulator ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡bulk ¡or ¡at ¡the ¡surface ¡ ¡ -­‑ ¡ ¡ ¡ ¡Single ¡event ¡phenomena ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Vladimir ¡Cindro, ¡Vertex ¡2014, ¡Macha ¡Lake ¡ 2 ¡

Damage ¡in ¡crystal ¡laOce: ¡ par:cle ¡interacts ¡with ¡laOce ¡atom ¡and ¡transfers ¡energy ¡(PKA ¡primary ¡knock ¡ • on ¡atom) ¡ ¡ threshold ¡transfer ¡energy ¡to ¡create ¡Vacancy-­‑Inters::al ¡(Frenkel) ¡pair ¡in ¡Si ¡is ¡ • about ¡20 ¡eV ¡ minimum ¡energy ¡of ¡p ¡or ¡n ¡to ¡create ¡Frenkel ¡pair ¡ ¡is ¡110 ¡eV, ¡260 ¡keV ¡for ¡ • electrons ¡ 2 γ 2 mv 2 E max = maximum ¡energy ¡transfer ¡ ¡ 1 + 2 γ m / M + m 2 / M 2 • recoil ¡energy ¡strongly ¡depends ¡on ¡radia:on ¡type ¡ • part ¡of ¡PKA ¡energy ¡lost ¡in ¡elas:c ¡scaVering ¡causing ¡further ¡disloca:ons ¡in ¡ • crystal ¡(Non ¡Ionizing ¡Energy ¡Loss ¡– ¡NIEL) ¡ ¡ TRIM ¡simula:on ¡of ¡damage ¡created ¡by ¡a ¡50 ¡keV ¡Si ¡ ion: ¡each ¡track ¡has ¡about ¡700 ¡vacancies ¡ ¡ (G. ¡Davies ¡(WODEAN ¡collabora:on) ¡ ¡ ¡RD50 ¡Workshop ¡Ljubljana ¡2008 ¡ Vladimir ¡Cindro, ¡Vertex ¡2014, ¡Macha ¡Lake ¡ 3 ¡

Par::on ¡func:on ¡ ¡(Q) ¡ significant ¡NIEL ¡ • ¡Q ¡par::on ¡func:on ¡ recoil ¡energy ¡E, ¡KeV ¡ ¡ A. ¡Akkerman ¡and ¡J. ¡Barak, ¡IEEE ¡TRANSACTIONS ¡ON ¡NUCLEAR ¡SCIENCE, ¡VOL. ¡53, ¡NO. ¡6, ¡DECEMBER ¡2006 ¡ Vladimir ¡Cindro, ¡Vertex ¡2014, ¡Macha ¡Lake ¡ 4 ¡

Displacement ¡damage ¡factor ¡ ¡-­‑ ¡NIEL ¡normalized ¡to ¡NIEL ¡of ¡1 ¡MeV ¡ neutrons ¡ ¡ ¡ dE dx ( E ) NIEL = N A D(E) ¡ damage ¡cross ¡sec:on ¡ ¡ A D ( E ) ¡ ¡ ¡ D (1 MeV ) = 95 MeV mb ⇒ dE 2 / g = 2.04 keV cm 1 ¡MeV ¡neutrons ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ dx NIEL • inelas:c ¡scaVering ¡at ¡higher ¡energies! ¡ Vladimir ¡Cindro, ¡Vertex ¡2014, ¡Macha ¡Lake ¡ 5 ¡

NIEL ¡Hypothesis: ¡ ¡ • radia:on ¡damage ¡is ¡propor:onal ¡to ¡the ¡NIEL ¡ ¡ • confirmed ¡for ¡leakage ¡current! ¡ ¡ • but ¡this ¡hypothesis ¡is ¡not ¡always ¡valid! ¡ • not ¡valid ¡for ¡effec:ve ¡dopant ¡concentra:on ¡ and ¡trapping ¡:mes! ¡ ¡ è ¡irradia:ons ¡at ¡different ¡facili:es ¡important ¡ for ¡predic:on ¡ ¡ ¡ Vladimir ¡Cindro, ¡Vertex ¡2014, ¡Macha ¡Lake ¡ 6 ¡

Velocity ¡profile ¡in ¡neutron ¡irradiated ¡ HPK ¡detector, ¡Φ eq = ¡2 ¡x ¡10 15 ¡cm -­‑2 ¡ Velocity ¡profile ¡in ¡pion ¡irradiated ¡ ¡ HPK ¡detector, ¡Φ eq ¡= ¡1.6 ¡x ¡10 15 ¡cm 2 ¡ Edge ¡TCT ¡measurements, ¡ ¡ G. ¡Kramberger ¡et ¡al. ¡Vertex2012 ¡ see ¡also ¡talk ¡on ¡Wednesday ¡ ¡ ¡ Vladimir ¡Cindro, ¡Vertex ¡2014, ¡Macha ¡Lake ¡ 7 ¡

RZ ¡map ¡of ¡1 ¡MeV ¡neutron ¡equivalent ¡fluence ¡in ¡the ¡Inner ¡Tracker ¡region ¡ ¡at ¡3000n -­‑1 ¡ ¡ Different ¡kind ¡of ¡par:cles ¡ ¡ contribute ¡to ¡the ¡damage ¡ ¡ Vladimir ¡Cindro, ¡Vertex ¡2014, ¡Macha ¡Lake ¡ 8 ¡

Example ¡of ¡s ¡par:cle ¡spectra ¡at ¡posi:on ¡ ¡ of ¡Diamond ¡Beam ¡Monitor ¡at ¡ATLAS ¡ ¡ Pions, hadrons peak at ~5 GeV 90 % above 500 MeV Neutrons flat to ~30 GeV Vladimir ¡Cindro, ¡Vertex ¡2014, ¡Macha ¡Lake ¡ 9 ¡

Irradia:on ¡facili:es ¡ ¡ • CERN ¡ ¡ ! } AIDA ¡I ¡ ¡ • Karlsruhe ¡KIT ¡ ¡ # AIDA ¡II ¡-­‑ ¡HORIZON ¡2020 ¡? ¡ # FP ¡7 ¡ • UCL ¡Louvain ¡ ¡ ¡ " # • JSI ¡reactor ¡Ljubljana ¡ # • UOB ¡Birmingham ¡ ¡ $ • PSI ¡VilligenPS ¡ • LANL ¡Los ¡Alamos ¡ ¡(USA) ¡ • CYRIC ¡ ¡ ¡ ¡Japan ¡ ¡ • ¡ ¡ • ¡ ¡ AIDA ¡– ¡Advanced ¡European ¡Infrastructures ¡for ¡Detectors ¡and ¡Accelerators ¡– ¡ Transna:onal ¡Access ¡ ¡(hVp://aida.web.cern.ch/aida/ac:vi:es/) ¡ Vladimir ¡Cindro, ¡Vertex ¡2014, ¡Macha ¡Lake ¡ 10 ¡

CERN ¡IRRADIATION ¡FACILITIES ¡from ¡2014 ¡ (thanks ¡to ¡M. ¡Moll, ¡F. ¡RavoO…) ¡ F. ¡RavoV:-­‑ ¡Joint ¡ESE-­‑DT ¡Seminar ¡CERN ¡June ¡2014 ¡ Vladimir ¡Cindro, ¡Vertex ¡2014, ¡Macha ¡Lake ¡ 11 ¡

New ¡East ¡area ¡IRRAD ¡Layout ¡ Vladimir ¡Cindro, ¡Vertex ¡2014, ¡Macha ¡Lake ¡ 12 ¡

Beam properties • protons 24GeV/c • easier optimization of beam • standard size 12x12 mm 2 (FWHM) • spot size from 5x5 mm 2 to 20x20 mm 2 (FWHM) • p + delivered in spills of approx. 5 x 10 11 p • typically 6 spills per minute (High intensity) • ≅ 10 16 pcm -2 in 5 days (12 x 12 mm 2 FWHM) • 4x more than old facilities • design figures with 2 x more spills • 10 17 p cm -2 in 4 days (5 x 5 mm 2 FWHM) • cooling system available ( ≥ - 20 o C) • remote controlled moving tables available (scanning of larger samples) • shuttle system • setup for irradiation in cryogenic conditions • beam profile monitoring • dosimetry with foils, 10% accuracy • damage factor 0.62 ¡ ¡ ¡web ¡page ¡ ¡hVp://www.cern.ch/irradia:on/ ¡ • ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Comissioning ¡of ¡beam ¡will ¡start ¡in ¡three ¡weeks! ¡ ¡ Vladimir ¡Cindro, ¡Vertex ¡2014, ¡Macha ¡Lake ¡ 13 ¡

Mixed ¡field ¡CHARM ¡Facility ¡ ( CERN ¡High ¡Energy ¡AccelerRator ¡Mixed ¡Field ¡Facility) ¡ • different ¡targets ¡and ¡ absorbers ¡ • fluxes ¡and ¡spectra ¡ suitable ¡for ¡irradia:on ¡of ¡ LHC ¡components ¡ ¡ • maximum ¡flux ¡several ¡ 10 9 ¡par:cles/hour ¡ Vladimir ¡Cindro, ¡Vertex ¡2014, ¡Macha ¡Lake ¡ 14 ¡

q Irradia;ons ¡in ¡2012: ¡ • 40 ¡users ¡from ¡ 20 ¡ins:tutes ¡belonging ¡to ¡several ¡experiments/projects ¡ • Main ¡users: ¡ATLAS, ¡CMS, ¡LHCb, ¡ALICE, ¡RD39, ¡RD50, ¡LHC ¡(BE ¡and ¡TE ¡departments) ¡ • 649 ¡objects ¡irradiated, ¡ 358 ¡dosimeters ¡measured, ¡ 223 ¡days ¡of ¡beam ¡:me ¡ Vladimir ¡Cindro, ¡Vertex ¡2014, ¡Macha ¡Lake ¡ 15 ¡

The ¡Karlsruhe ¡Proton ¡Cyclotron ¡KAZ ¡at ¡KIT ¡ (thanks ¡to ¡Alexander ¡Dierlamm) ¡ proton ¡energy ¡at ¡extrac:on ¡25.3 ¡MeV ¡ • typical ¡proton ¡current ¡1.5 ¡μA, ¡up ¡to ¡2.0 ¡μA ¡ • ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(without ¡no:ceable ¡annealing) ¡ ¡ beamspot ¡~ ¡7mm ¡(FWHM) ¡ • flux ¡~2.3 ¡10 13 ¡p/(scm 2 ) ¡ • temperature ¡in ¡box: ¡~ ¡-­‑40 ¡ o C ¡ • insulated ¡box, ¡cooled ¡by ¡cold ¡nitrogen ¡gas ¡ • small ¡samples ¡glued ¡on ¡Kapton ¡tape ¡fixed ¡to ¡ • Al ¡frames, ¡larger ¡fixed ¡by ¡screws ¡ mounted ¡on ¡movable ¡XY ¡stage ¡since ¡beam ¡ • does ¡not ¡cover ¡sample ¡sizes ¡ maximum ¡fluence ¡in ¡one ¡session ¡limited ¡to ¡ ¡ • ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡5 ¡10 15 ¡n eq ¡ /cm 2 ¡ since ¡glue ¡gets ¡briVle ¡ Al ¡is ¡not ¡long ¡term ¡ac:vated… ¡ • ¡ Vladimir ¡Cindro, ¡Vertex ¡2014, ¡Macha ¡Lake ¡ 16 ¡ ¡ ¡